一种钢材表面MoSi2复合涂层及其制备方法与流程

本申请属于涂覆材料技术领域，具体涉及一种钢材表面mosi2复合涂层及其制备方法。

背景技术：

钢铁材料因腐蚀和氧化等造成的损失，每年均在万亿元以上。通过钢铁表面改性可提高钢材的抗高温氧化性、抗介质腐蚀性、耐磨性等。mosi2具有高熔点(2030℃)、低密度(6.24×103kg/m3)、优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性、良好的导电性和导热性，是近年来研究最多的金属硅化物之一。mosi2具有良好的热稳定性，在1200-1600℃下高温使用时，相比于高温合金和陶瓷材料具有明显的优势，因而在航空、燃气涡轮机的高温部件、气体燃烧器、喷管、高温过滤器以及火花塞材料等领域有着广阔的应用前景。

mosi2的主要结合方式为金属键和共价键，在低温下共价键起主要作用，mosi2表现出陶瓷的性质，其低温脆性较高；在中温(400-600℃)时，又表现出一般硅化物的特点，会因剧烈氧化而粉化，引起灾难性的毁坏，即pesting现象。采用合金化的方法对mosi2材料进行改性可以改善其低温脆性以及中温抗氧化能力。其次，改性后的mosi2复合涂层对于钢材的表面改性具有重要的作用，尤其是改善钢材的抗高温氧化能力具有重要意义。目前对mosi2材料改性的方法还不能显著地改善其低温脆性以及中温抗氧化能力，对于改善钢材的抗高温氧化能力还有待提高。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种钢材表面mosi2复合涂层及其制备方法，解决了现有钢材表面mosi2涂层具有低温脆性和抗高温氧化能力差的问题，提高了钢材表面抗高温氧化能力。

为达到上述目的，本申请主要提供如下技术方案：

一方面，本申请实施例提供了一种钢材表面mosi2复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

对钢材表面进行预处理；

对钢材表面进行热浸镀铝；

将mo粉末、si粉末和y粉末进行球磨混合，得到mo-si-y合金粉末；将所述mo-si-y合金粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向镀铝后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，在钢材表面制成mosi2复合涂层。

作为优选，所述对钢材表面进行热浸镀铝为：将钢材置于al-si合金液中浸镀，浸镀时间为1-5分钟，al-si合金液的温度为650-680℃。

作为优选，所述al-si合金液中si元素的重量百分含量为6％-10％，其余为al和不可避免的杂质。

作为优选，所述钢材表面进行热浸镀铝时，浸镀层厚度为10-100μm。

作为优选，所述mo-si-y合金粉末中mo粉末、si粉末和y粉末的质量百分含量分别为62％-72％、26％-37％和0.1％-2％。

作为优选，所述送粉装置的送粉速率为5-50g/min，载气流量为2-5l/min。

作为优选，所述激光扫描的激光功率为1.5-2.6kw，扫描速度为5-10mm/s。

作为优选，所述激光扫描采用多道次扫描，激光扫描的搭接率为30％。

作为优选，所述钢材表面mosi2复合涂层的厚度为200-1500μm。

另一方面，本申请实施例还提供了由上述制备方法制备而成的钢材表面mosi2复合涂层。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请实施例通过先在钢材表面热浸镀al-si合金，在钢材表面形成fe-al化合物层和铝硅浸镀层，该合金层呈连续分布，成分均匀；再使铝硅合金层与mosi2合金粉末在激光快速加热和快速冷却条件下充分合金化，形成冶金结合的mosi2复合合金层，解决了现有mosi2涂层的低温脆性和抗高温氧化能力差的问题。该mosi2复合合金层与钢材界面结合优异，呈现冶金结合，复合层宏观上平整均匀，复合层组织致密，晶粒细小，mosi2复合涂层具有较好的韧性及优异的抗氧化性，从而显著提高了钢材表面抗高温氧化能力。

2.本申请实施例制备的mosi2复合合金层通过al、si元素吸收氧并原位形成的al2o3、sio2保护层，从而有效提高了mosi2复合层的抗氧化性能。

3.本申请实施例制备的mosi2复合合金层通过al替代si原子，使mosi2共价键减少，金属键增加，从而增加了金属性质，也有效改善合金低温韧性，降低了复合层的开裂倾向。

附图说明

图1是本申请实施例1中20钢热浸镀al-9.5si层的横截面整体形貌图；

图2是本申请实施例1中mosi2复合涂层的横截面整体形貌图；

图3是本申请实施例1中覆有mosi2复合涂层的20钢经过7天550℃氧化后，mosi2复合涂层的单位面积氧化增重图；

图4是本申请实施例1中mosi2复合涂层的压痕图；

图5是本申请实施例2中mosi2复合涂层的横截面整体形貌图；

图6是本申请实施例3中mosi2复合涂层的横截面整体形貌图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种钢材表面mosi2复合涂层及其制备方法，解决了现有钢材表面mosi2涂层具有低温脆性和抗高温氧化能力差的问题，提高了钢材表面抗高温氧化能力。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

本申请实施例提供了一种钢材表面mosi2复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

对钢材表面进行预处理；

对钢材表面进行热浸镀铝；

将mo粉末、si粉末和y粉末进行球磨混合，得到mo-si-y合金粉末；将该mo-si-y合金粉末置于激光器配套的送粉装置中，向镀铝后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，在钢材表面制成mosi2复合涂层。

本申请实施例通过先在钢材表面热浸镀al-si合金，在钢材表面形成fe-al化合物层和铝硅浸镀层，该合金层呈连续分布，成分均匀；再使铝硅合金层与mosi2合金粉末在激光快速加热和快速冷却条件下充分合金化，形成冶金结合的mosi2复合合金层。该mosi2复合合金层与钢材界面结合优异，呈现冶金结合，复合层宏观上平整均匀，复合层组织致密，晶粒细小，mosi2复合涂层具有较好的韧性及优异的抗氧化性，从而显著提高了钢材表面抗高温氧化能力。该mosi2复合合金层中al、si元素提高抗氧化性能作用显著，能够吸收氧并原位形成的al2o3、sio2保护层，从而有效提高了mosi2复合层的抗氧化性能。al元素对mosi2复合层的韧性具有明显的改善效果，降低了复合层的开裂倾向。通过al替代si原子，使mosi2共价键减少，金属键增加，从而增加了金属性质，也有效改善合金低温韧性。微量元素y能改善mosi2复合层的微观结构，细化晶粒，增强了复合层表面氧化膜的抗剥落能力，显著提高复合层抗氧化性能。

作为优选，上述对钢材表面进行热浸镀铝为：将钢材置于al-si合金液中浸镀，浸镀时间为1-5分钟，al-si合金液的温度为650-680℃。本申请实施例通过控制al-si合金液的温度以及浸镀时间来控制钢材表面浸镀层的厚度，优选浸镀层厚度为10-100μm，实现镀层与钢材基体的冶金结合，调节并改善mosi2复合层的低温韧性。

作为优选，上述al-si合金液中si元素的重量百分含量为6％-10％，其余为al和不可避免的杂质。上述al-si合金液经除渣、除气、静置后浸镀。

作为优选，上述mo-si-y合金粉末中mo粉末、si粉末和y粉末的质量百分含量分别为62％-72％、26％-37％和0.1％-2％。

作为优选，上述mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；y粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；优选采用行星式球磨机对mo粉末、si粉末和y粉末进行球磨，球磨时间为24h，转速为300r/min。

作为优选，上述送粉装置的送粉速率为5-50g/min，载气流量为2-5l/min。

作为优选，上述激光扫描的激光功率为1.5-2.6kw，扫描速度为5-10mm/s；上述激光扫描采用多道次扫描，激光扫描的搭接率为30％。

本申请实施例通过控制送粉装置的送粉过程和激光扫描过程来控制mo-si-y合金层的厚度，在经过激光扫描后钢材表面的mosi2复合涂层的厚度为200-1500μm，该厚度是指钢材表面浸镀铝层和mo-si-y合金层的总厚度，在该厚度范围内，可以降低了mosi2复合涂层的低温脆性，提高了抗高温氧化能力。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，但不作为对本申请的限定。

实施例1

提供20钢，对钢材表面进行预处理，包括：将表面进行打磨抛光，清除表面氧化膜，在20％naoh水溶液中除油并用清水冲洗，然后在5％硫酸溶液中除锈，并用清水冲洗，在zncl2水溶液中进行助镀处理，浸泡十分钟后取出，放入乙醇溶液中冲洗，吹干；

将预处理后的20钢置于al-9.5si合金溶液中，al-9.5si合金溶液的温度为660℃，浸镀时间为120s，制备的热浸铝硅镀层厚度约40μm，见图1；

分别称取mo粉末、si粉末和y粉末1255g、735g和10g，置于球磨机内均匀混合24h，球磨转速为300r/min。其中mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；y粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm。混合粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向镀铝后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，其中送粉速率为20g/min，载气流量为4l/min，激光光斑尺寸为8mm×8mm，激光功率为1.8kw，扫描速度为7mm/s，制备得到的mosi2复合涂层的厚度约0.8mm，见图2。

对比例1

提供20钢，对钢材表面进行预处理，包括：将表面进行打磨抛光，清除表面氧化膜，在20％naoh水溶液中除油并用清水冲洗，然后在5％硫酸溶液中除锈，并用清水冲洗，在zncl2水溶液中进行助镀处理，浸泡十分钟后取出，放入乙醇溶液中冲洗，吹干；

分别称取mo粉末和si粉末1255g、735g，置于球磨机内均匀混合24h，球磨转速为300r/min。其中mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm。混合粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向预处理后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，其中送粉速率为20g/min，载气流量为4l/min，激光光斑尺寸为8mm×8mm，激光功率为1.8kw，扫描速度为7mm/s，在20钢表面制得mosi2涂层。

对比例2

提供20钢，对钢材表面进行预处理，包括：将表面进行打磨抛光，清除表面氧化膜，在20％naoh水溶液中除油并用清水冲洗，然后在5％硫酸溶液中除锈，并用清水冲洗，在zncl2水溶液中进行助镀处理，浸泡十分钟后取出，放入乙醇溶液中冲洗，吹干；

分别称取mo粉末、si粉末和y粉末1255g、735g和10g，置于球磨机内均匀混合24h，球磨转速为300r/min。其中mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；y粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm。混合粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向预处理后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，其中送粉速率为20g/min，载气流量为4l/min，激光光斑尺寸为8mm×8mm，激光功率为1.8kw，扫描速度为7mm/s，在20钢表面制得mosi2+0.5y涂层。

将实施例1中覆有mosi2复合涂层的20钢，对比例1中未进行热浸镀、覆有mosi2涂层的20钢以及对比例2中未进行热浸镀、覆有mosi2+0.5y涂层的20钢经过7天550℃氧化后，分别检测其合金层单位面积氧化增重，得到如图3所示的单位面积氧化增重图。从图3可以看出，本实施例1制备的mosi2复合涂层有效提高了20钢的抗氧化性能，抗氧化性能远高于未进行热浸镀的20钢表面激光扫描制备的mosi2复合涂层和mosi2+0.5y复合涂层，且微量y元素可改善mosi2复合涂层的抗氧化性能。

对实施例1制备的mosi2复合涂层进行压痕检测，得到如图4所示的mosi2复合涂层压痕图。从图4可以看出，mosi2复合涂层压痕无开裂现象，说明本实施例制备的mosi2复合涂层有效改善mosi2合金低温韧性。

实施例2

提供45钢，对钢材表面进行预处理，包括：将表面进行打磨抛光，清除表面氧化膜，在20％naoh水溶液中除油并用清水冲洗，然后在5％硫酸溶液中除锈，并用清水冲洗，在zncl2水溶液中进行助镀处理，浸泡十分钟后取出，放入乙醇溶液中冲洗，吹干；

将预处理后的45钢置于al-9.5si合金溶液中，al-9.5si合金溶液的温度为660℃，浸镀时间为120s，制备的热浸铝硅镀层厚度约40μm；

分别称取mo粉末、si粉末和y粉末1255g、735g和10g，置于球磨机内均匀混合24h，球磨转速为300r/min。其中mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；y粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm。混合粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向镀铝后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，其中送粉速率为10g/min，载气流量为3l/min，激光光斑尺寸为8mm×8mm，激光功率为2kw，扫描速度为5mm/s，制备得到的mosi2复合涂层的厚度约1.0mm，如图5所示。

实施例3

提供h13钢，对钢材表面进行预处理，包括：将表面进行打磨抛光，清除表面氧化膜，在20％naoh水溶液中除油并用清水冲洗，然后在5％硫酸溶液中除锈，并用清水冲洗，在zncl2水溶液中进行助镀处理，浸泡十分钟后取出，放入乙醇溶液中冲洗，吹干；

将预处理后的h13钢置于al-9.5si合金溶液中，al-9.5si合金溶液的温度为660℃，浸镀时间为120s，制备的热浸铝硅镀层厚度约40μm；

分别称取mo粉末、si粉末和y粉末1400g、594g和6g，置于球磨机内均匀混合24h，球磨转速为300r/min。其中mo粉末的纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；si粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm；y粉末纯度为99.9％，颗粒直径1-5μm。混合粉末置于激光器配套的同步送粉装置中，向镀铝后的钢材表面进行同步送粉和激光扫描，其中送粉速率为10g/min，载气流量为3l/min，激光光斑尺寸为8mm×8mm，激光功率为2kw，扫描速度为8mm/s，制备得到的mosi2复合涂层的厚度约0.8mm，如图6所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。