專利名稱：耐熔鋅腐蝕Ti-Al-Nb涂層的電火花沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐腐蝕涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種耐熔鋅腐蝕Ti-Al-Nb涂層的電火花沉積方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)中熔融鍍鋅生產(chǎn)線中的沉沒輥等部件沉浸于450°C ^480°C的熔融鋅液中，由于鋅液在熔融狀態(tài)下活性很強(qiáng)，其腐蝕和滲透性能大大增強(qiáng)，容易腐蝕輥面使輥面產(chǎn)生點(diǎn)蝕、蝕坑而變得粗糙，在鋅液的腐蝕和滾動摩擦阻力的雙重作用下，沉沒輥的工作壽命一般都較短。沉沒輥的頻繁更換或維修，不僅降低了作業(yè)率，而且勞動強(qiáng)度高，給生產(chǎn)和操作帶來諸多不便，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。單金屬W、Mo、B、C r、W_M ο固溶體和金屬間化合物FeB + Fe2B等材料耐液鋅腐蝕性能較好，但較脆。陶瓷材料如Al203、Mg0、SiC等，能夠承受液態(tài)金屬Zn的腐蝕。但陶瓷件硬度高、脆性大、燒結(jié)和加工十分困難。金屬表面改性處理是提高金屬材料耐液鋅腐蝕性能簡單而有效的方法，它將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離，阻止兩者的直接接觸，從而保護(hù)金屬基體免受腐蝕。目前，在連續(xù)熱浸鍍鋅生產(chǎn)線上，普遍采用表面涂覆WC-Co涂層的方法來保護(hù)鋅鍋輥。WC系金屬陶瓷涂層抗液鋅腐蝕性能與涂層粉末的成分、制備方法和噴涂過程有關(guān)。具有由金屬和金屬硼化物或金屬碳化物構(gòu)成的熱噴陶瓷涂層元件，以及具有由鈷和硼化物或碳化物構(gòu)成的熱熔敷層的元件也已見報道(日本專利JP2001271151 ;日本專利JP2000144358)。MoB /CoCr金屬陶瓷材料是一種比較新的熱噴涂材料，與傳統(tǒng)涂層相比具有更高的壽命，已經(jīng)在連續(xù)熱浸鍍鋅生產(chǎn)線上獲得應(yīng)用，但實際使用壽命不超過三周(Mizuno H, Kitamura J. MoB/CoCr cermet coatings by HVOF spraying againstcorrosion by molten Al-Zn alloy. Journal of Thermal Spray Technology, 2007，16:404-413)。上海交通大學(xué)發(fā)明了一種大顆粒球形金屬陶瓷納米復(fù)合噴涂粉體，其中TiB2, WB及稀土粉的粒度均為O. 5 I. O Mm,鈷及鉻粉粒度小于100 nm。利用該納米復(fù)合粉體，通過熱噴涂工藝制備的輥面涂層，具有優(yōu)異的耐磨損、耐高溫鋁液與鋅液腐蝕能力(中國發(fā)明專利CN1793048)。Y. C. Dong等采用等離子噴涂ZrO2和Ni/Al粉末的方法在Fe-(O. 35、. 44) wt% C鋼表面制備了 Zr02_Ni/A I梯度涂層，能夠顯著延長材料在液鋅中的使用壽命(Dong Y C，Yan D R, He JN, et al. Degradation behavior of ZrO2-Ni/Al gradient coatings in molten Zn. Surface & Coatings Technology, 2006, 201 2455-2459)。綜上所述，目前對耐液鋅腐蝕材料的研究主要集中在表面改性上。但常用的耐液鋅腐蝕涂層普遍具有工藝復(fù)雜、價格昂貴、材質(zhì)脆、易脫落等缺陷，限制了它們的大范圍應(yīng)用。王文俊等的研究認(rèn)為，在相當(dāng)寬的成分范圍內(nèi)，高鈮鈦鋁合金都在鋅液中具有良好的耐腐蝕性(中國發(fā)明專利CN1804081)。由于Ti-Al-Nb塊體合金的室溫力學(xué)性能欠佳，且價格比較昂貴，故將其作為涂層材料使用是主要方向。而由于Nb的熔點(diǎn)很高，通常的熱噴涂工藝均面臨較大的困難。電火花沉積作為一種常用的材料表面改性手段，在制作Ti-Al-Nb涂層時具有操作簡單、成本低廉、涂層結(jié)合力好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。不過需要注意的是，由于電火花沉積過程中有較大的沖擊力，所以對電極材料的力學(xué)性能有一定的要求，脆性太高的Ti-Al-Nb合金不能使用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡便易行的耐熔鋅腐蝕涂層的制備方法，能夠快捷有效地改善普通鋼材的耐熔鋅腐蝕性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是耐熔鋅腐蝕Ti-Al-Nb涂層的電火花沉積方法，該方法利用普通的電火花沉積技術(shù)，在氬氣保護(hù)氣氛下通過對電極材料直徑、電氣參數(shù)、沉積次數(shù)和沉積時間等進(jìn)行調(diào)整以獲得最優(yōu)性能的耐熔鋅腐蝕涂層。具體實施步驟為首先將基材表面用240#、600#、800#、1200#砂紙依次打磨，用乙醇清洗吹干備用；其中，所述基材為奧氏體不銹鋼；
然后，將從經(jīng)過退火處理的Ti-Al-Nb合金鑄錠上線切割得到直徑為Φ2 8πιπι圓柱樣品作為電極，電極表面用至1200#砂紙打磨，乙醇清洗吹干，將打磨后的電極安裝至旋轉(zhuǎn)沉積槍上，打開氬氣側(cè)吹閥門，以使得沉積過程在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，防止氧化并降低試件和電極溫度；
其次，沉積時電極轉(zhuǎn)速為100(T4000r/min，沉積過程分為兩部分，首先用較大功率沉積，功率2000W 3000W，比沉積時間為2 5min/cm2，然后用較小功率沉積，50(Tl000W，比沉積時間為I 3min/cm2 ；
最后，沉積完成后試件在馬弗爐中400°C飛00°C保溫1(Γ20小時，爐冷至室溫，最終得到厚度為5(Γ100微米厚度的Ti-Al-Nb涂層，涂層與基材呈冶金結(jié)合。快速消除沉積時熱應(yīng)力，改善涂層性能，并在涂層表面形成預(yù)氧化膜，進(jìn)一步提高耐熔鋅腐蝕性能。進(jìn)一步，所述電極材料的Ti-Al-Nb合金需要具有較好的力學(xué)性能，成分范圍為Al: 20% 50%，Nb: 5% 30%，余量為Ti，均為原子百分比。進(jìn)一步，所述電極材料Ti-Al-Nb合金鑄錠的成分范圍為Al: 20°/Γ50%，Nb:5% 30%，Y:(Tl%，余量為Ti，均為原子百分比。本發(fā)明的積極效果在于，通過簡單的工藝手段，獲得5(Γ100微米厚度的Ti-Al-Nb涂層，涂層與基材呈冶金結(jié)合，大幅度提高基材的耐熔鋅腐蝕性能。涂層在鋅液中的腐蝕過程為孕育型腐蝕，460°C鋅液中不發(fā)生明顯腐蝕的孕育期可超過20天。腐蝕的發(fā)生由涂層的局部腐蝕開始，而不是大面積涂層脫落，不至于出現(xiàn)鋅鍋部件的突然損壞。同時，本發(fā)明的操作過程非常簡便易行，可以很容易地對失效的局部區(qū)域進(jìn)行針對性的修復(fù)工作。


圖I為本發(fā)明方法制備的Ti-22Al_27Nb涂層表面形貌示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步和說明。實施例I :實驗用電極材料的合金名義成分為Ti-45Al-8Nb-0. 3Y (原子百分比)，鑄錠通過真空非自耗電弧爐熔煉獲得，并在1250°C下保溫12h作退火熱處理。采用本實施方式的電火花沉積涂層制備方法，從鑄錠上通過線切割獲得電極直徑為Φ4πιπι，用240#、600#、800#、1200#砂紙逐號打磨，乙醇清洗吹干。基材為304不銹鋼，線切割為40X10X3mm試樣，同樣用砂紙打磨至1200#，乙醇清洗吹干備用。將電極安裝至旋轉(zhuǎn)沉積槍上，打開側(cè)吹氬氣閥門，以使得沉積過程在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，防止氧化并降低試件和電極溫度。沉積時電極轉(zhuǎn)速為1800r/min。沉積過程分為兩部分，首先用較大功率沉積，設(shè)定功率2800W，比沉積時間為3min/cm2，然后用較小功率沉積，設(shè)定功率700W，比沉積時間為2min/cm2。沉積完成后試件在馬弗爐中500°C保溫16小時，爐冷至室溫。最終所得涂層平均厚度為60微米，涂層與基材呈冶金結(jié)合。將試件放入裝有含Al (質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 2%)的熔融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進(jìn)行460°C等溫靜態(tài)腐蝕實驗，每隔2天取出樣品一次觀察表面形貌。結(jié)果表明，試件發(fā)生明顯腐蝕之前的孕育期為18天。實施例2:
實驗用電極材料的合金名義成分為Ti-22Al-27Nb (原子百分比)，鑄錠通過真空非自耗電弧爐熔煉獲得，并在1150°C下保溫20h作退火熱處理。采用本實施方式的電火花沉積涂層制備方法，從鑄錠上通過線切割獲得電極直徑為Φ6πιπι，用240#、600#、800#、1200#砂紙逐號打磨，乙醇清洗吹干?；臑?04不銹鋼，線切割為40X10X3mm試樣，同樣用砂紙打磨至1200#，乙醇清洗吹干備用。將電極安裝至旋轉(zhuǎn)沉積槍上，打開側(cè)吹氬氣閥門，以使得沉積過程在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，防止氧化并降低試件和電極溫度。沉積時電極轉(zhuǎn)速為1800r/min。沉積過程分為兩部分，首先用較大功率沉積，設(shè)定功率2400W，比沉積時間為3min/cm2，然后用較小功率沉積，設(shè)定功率700W，比沉積時間為2min/cm2。沉積完成后試件在馬弗爐中500°C保溫16小時，爐冷至室溫。最終所得涂層平均厚度為80微米，涂層與基材呈冶金結(jié)合。將試件放入裝有含Al (質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 2%)的熔融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進(jìn)行460°C等溫靜態(tài)腐蝕實驗，每隔2天取出樣品一次觀察表面形貌。結(jié)果表明，試件發(fā)生明顯腐蝕之前的孕育期為22天。實施例3:
實驗用電極材料的合金名義成分為Ti-25Al-17Nb (原子百分比)，鑄錠通過真空非自耗電弧爐熔煉獲得，并在1200°C下保溫20h作退火熱處理。采用本實施方式的電火花沉積涂層制備方法，從鑄錠上通過線切割獲得電極直徑為Φ4πιπι，用240#、600#、800#、1200#砂紙逐號打磨，乙醇清洗吹干?；臑?16不銹鋼，線切割為40X10X3mm試樣，同樣用砂紙打磨至1200#，乙醇清洗吹干備用。將電極安裝至旋轉(zhuǎn)沉積槍上，打開側(cè)吹氬氣閥門，以使得沉積過程在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，防止氧化并降低試件和電極溫度。沉積時電極轉(zhuǎn)速為1800r/min。沉積過程分為兩部分，首先用較大功率沉積，設(shè)定功率2400W，比沉積時間為3min/cm2，然后用較小功率沉積，設(shè)定功率700W，比沉積時間為2min/cm2。沉積完成后試件在馬弗爐中500°C保溫16小時，爐冷至室溫。最終所得涂層平均厚度為70微米，涂層與基材呈冶金結(jié)合。將試件放入裝有含Al (質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 2%)的熔融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進(jìn)行460°C等溫靜態(tài)腐蝕實驗，每隔2天取出樣品一次觀察表面形貌。結(jié)果表明，試件發(fā)生明顯腐蝕之前的孕育期為20天。
權(quán)利要求
1.耐熔鋅腐蝕Ti-Al-Nb涂層的電火花沉積方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟首先將基材表面用240#、600#、800#、1200#砂紙依次打磨，用乙醇清洗吹干備用；其中，所述基材為奧氏體不銹鋼；將從經(jīng)過退火處理的Ti-Al-Nb合金鑄錠上線切割得到直徑為Φ2 8πιπι圓柱樣品作為電極，電極表面和基材一樣打磨至1200#砂紙，乙醇清洗吹干，將打磨后電極安裝至旋轉(zhuǎn)沉積槍上，打開氬氣側(cè)吹閥門，以使得沉積過程在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，防止氧化并降低試件和電極溫度；然后，進(jìn)行沉積，沉積時電極轉(zhuǎn)速為100(T4000r/min，沉積過程分為兩部分，首先在功率為2000W 3000W，比沉積時間為2 5min/cm2，然后在功率為50(Tl000W，比沉積時間為I 3min/cm2 ；最后，沉積完成后試件在馬弗爐中400°C飛00°C保溫1(Γ20小時，爐冷至室溫，最終得到厚度為5(Γ100微米厚度的涂層，涂層與基材呈冶金結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電極材料Ti-Al-Nb合金鑄錠的成分范圍為A1:20% 50%，Nb:5% 30%，余量為Ti，均為原子百分比。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電極材料Ti-Al-Nb合金鑄錠的成分范圍為A1:20% 50%，Nb:5% 30%，Υ:0 1%，余量為Ti，均為原子百分比。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種耐熔鋅腐蝕Ti-Al-Nb涂層的電火花沉積方法，屬于耐腐蝕涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在氬氣保護(hù)下，以Ti-Al-Nb合金為旋轉(zhuǎn)電極，利用電火花沉積技術(shù)制備耐熔鋅腐蝕涂層。電極材料成分范圍為Al:20%~50%，Nb:5%~30%，Y:0~1%，余量為Ti，均為原子百分比?；臑楦鞣N奧氏體不銹鋼。本發(fā)明工藝簡單，制備成本低，制備的涂層與基材呈冶金結(jié)合，可顯著提升試件的耐熔鋅腐蝕性能，具有很強(qiáng)的實用價值。
文檔編號C23C26/02GK102925892SQ201210480388
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者林均品, 孫鵬飛, 孟惠民, 梁永鋒, 張來啟, 郝國建 申請人:北京科技大學(xué)