一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,首先從基體強(qiáng)化與強(qiáng)化相增強(qiáng)的目的,設(shè)計(jì)多尺度雙相強(qiáng)化金屬陶瓷的結(jié)構(gòu)特征;其次考慮到超音速火焰噴涂納米WC分解和冷噴涂沉積難于變形金屬陶瓷顆粒存在的問(wèn)題,基于冷噴沉積涂層的機(jī)理,采用不同密度金屬陶瓷粉末,通過(guò)冷噴涂預(yù)熱氣體溫度和壓力、送粉氣體溫度和壓力的調(diào)整,克服金屬陶瓷涂層連續(xù)沉積的困難,為沉積厚、多尺度陶瓷粉末雙相強(qiáng)化金屬陶瓷提供一種新方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型金屬陶涂層的設(shè)計(jì)與制備等領(lǐng)域,涉及一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,為高韌性和高抗磨性能的金屬陶瓷涂層提供了新工藝。
[0002]背景知識(shí)
金屬陶瓷是用于制備抗磨零部件的主要材料之一。材料的抗磨性與材料的組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系,而金屬陶瓷中硬質(zhì)顆粒對(duì)抗磨性貢獻(xiàn)與其承受的載荷、磨料特性(硬度、形貌)及接觸區(qū)域大小等因素有關(guān)。隨著工礦對(duì)材料性能要求的提高,單一陶瓷顆粒強(qiáng)化的金屬陶瓷難于滿足不同磨損的要求。對(duì)WC-Co金屬陶瓷材料研究表明,陶瓷顆粒大小對(duì)其硬度和韌性有不同的影響趨勢(shì),當(dāng)WC顆粒由微米減到納米尺寸時(shí),WC-Co金屬陶瓷的硬度大幅增加,但材料的韌性有所降低,在微粒磨損條件下基體相中的納米碳化物易于脫落而導(dǎo)致磨損加劇。因此,磨損工礦對(duì)金屬陶瓷硬質(zhì)相尺寸提出了不同要求,細(xì)小顆粒陶瓷硬質(zhì)相強(qiáng)化基體相有利于減小基體相的切削磨損,而較大顆粒陶瓷硬質(zhì)相能抵御大載荷磨料對(duì)整體的磨損,基于多尺度碳化物顆?;w相強(qiáng)化與強(qiáng)化相匹配的問(wèn)題,設(shè)計(jì)多尺度陶瓷硬質(zhì)相雙相強(qiáng)化金屬陶瓷結(jié)構(gòu)具有一定意義。提高零件表面強(qiáng)度和耐磨性是延長(zhǎng)零件壽命的主要途徑之一,而如何在零件表面形成一定厚度的多尺度陶瓷顆粒雙相強(qiáng)化金屬陶瓷是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵所在。超音速火焰噴涂雖然被廣泛用于沉積金屬陶瓷涂層,但對(duì)于沉積多尺度陶瓷顆粒的金屬陶瓷粉末,存在細(xì)小碳化物顆粒氧化分解和熔化等導(dǎo)致的耐磨性能下降和韌性降低等問(wèn)題。
[0003]冷噴涂是一種基于粒子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能的材料沉積工藝,可實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的移植而廣泛用于沉積受熱易于分解和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化、易于塑性變形的材料。但由于連續(xù)沉積是依靠粒子塑性變形的固有特性,對(duì)于沉積難于變形的材料如陶瓷、高硬度的合金、金屬陶瓷等存在一定的困難。因此,如何在零件表面制備一定厚度的多尺度陶瓷顆粒雙相強(qiáng)化金屬陶瓷,對(duì)于解決金屬陶瓷強(qiáng)韌化和涂層制備具有一定理論有意義和實(shí)用價(jià)值。
[0004]本發(fā)明其目的就在于提供一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,基于陶瓷顆粒對(duì)金屬陶瓷的強(qiáng)化特征,設(shè)計(jì)具有多尺度陶瓷顆粒特征的涂層結(jié)構(gòu),即陶瓷顆粒尺度從納米、近(微)納米到微米。涂層具有良好的耐磨性和強(qiáng)韌性,是獲得高耐磨性能和良好韌性金屬陶瓷涂層的一種新方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明而采取的技術(shù)方案,包括沉積用原始粉末的選擇和沉積工藝的制定。
[0006]本發(fā)明一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,金屬陶瓷涂層使用的噴涂粉末由納米、亞微米和微米級(jí)的陶瓷粉末組成。納米、亞微米和微米級(jí)陶瓷粉末的粒徑范圍依次為:〈100 nm、200 ?500 nm、0.6-2.5 μ m,質(zhì)量百分含量依次為 15% ?20%、25% ?35%、45% ?55%。
[0007]冷噴涂工藝條件為: 采用氮?dú)庾鳛樗头勰怏w和預(yù)熱加速氣體,預(yù)熱加速氣體的溫度、壓力分別為650?8000C >2.0?2.2MPa,送粉氣體的溫度、壓力分別為100?500。。和2.2?2.4MPa。
[0008]所述的陶瓷粉末可以是碳化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石陶瓷顆粒中的一種或幾種。
[0009]所述的陶瓷粉末的孔隙率在5%?30%。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明所述的多尺度陶瓷粉末雙相強(qiáng)化是指納米級(jí)陶瓷粉末對(duì)基體相的整體強(qiáng)化和亞微米和微米級(jí)粉末的支撐強(qiáng)化,基體強(qiáng)化相的尺度依據(jù)陶瓷承受的磨損載荷和磨料特性確定,可從納米、亞微米到微米,支撐強(qiáng)化的陶瓷顆粒尺度主要為微米陶瓷粉末。
[0011]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于,一是設(shè)計(jì)了多尺度陶瓷粉末強(qiáng)化涂層結(jié)構(gòu),以納米級(jí)粉末實(shí)現(xiàn)基體相整體強(qiáng)化,及亞微米和微米級(jí)粉末實(shí)現(xiàn)支撐強(qiáng)化和改善韌性,使金屬陶瓷涂層獲得良好的耐磨性和強(qiáng)韌性的涂層結(jié)構(gòu)。二是采用冷噴涂工藝和合理孔隙率的金屬陶瓷粉末,結(jié)合控制冷噴涂沉積工藝中預(yù)熱加速氣體和送粉氣體的溫度和壓力,改善金屬陶瓷粉末的沉積特性和沉積效率,實(shí)現(xiàn)難變形金屬陶瓷粉末的冷噴沉積和致密多尺度金屬陶瓷涂層制備,克服了等離子噴涂和超音速火焰噴涂工藝引起的氧化、熔化和熱分解等問(wèn)題。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下依照本發(fā)明的技術(shù)方案作出具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明,但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)例。
[0013]實(shí)例I
針對(duì)WC和Co構(gòu)成的金屬陶瓷涂層,選用多尺度WC-12CO (wt.%)金屬陶瓷粉末為噴涂粉末,該粉末內(nèi)部納米級(jí)WC粒子、亞微米級(jí)WC粒子和微米級(jí)WC粒子的含量分別為20%、25%和55%,粉末的孔隙率在5-30%之間變化。采用CS-2000型冷噴系統(tǒng)制備涂層,以孔隙率為10-20%的多尺度WC-12CO金屬陶瓷粉末為噴涂粉末,以氮?dú)鉃榧铀贇怏w和送粉氣體,壓力2.0和2.2Mpa,送粉氣溫度為100-50(TC,加速氣體溫度650°C,在低碳鋼基體上沉積一層厚度約200 μ m左右的致密WC-Co多尺度金屬陶瓷涂層。
[0014]實(shí)例2
針對(duì)WC和CoCr構(gòu)成的金屬陶瓷涂層,選用多尺度WC-10Co4Cr金屬陶瓷粉末為噴涂粉末,該粉末內(nèi)部納米級(jí)WC粒子、亞微米級(jí)WC粒子和微米級(jí)WC粒子的含量分別為15%、35%和45%,粉末的孔隙率10-20%。采用CS-2000型冷噴系統(tǒng)制備涂層,以氮?dú)鉃榧铀贇怏w和送粉氣體,壓力2.0和2.2Mpa,送粉氣溫度為100-500°C,加速氣體溫度700°C,在不銹鋼基體上沉積厚度約150 μ m左右的WC-10Co4Cr多尺度金屬陶瓷涂層。
【權(quán)利要求】
1.一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,其特征在于:金屬陶瓷涂層使用的噴涂粉末由納米、亞微米和微米級(jí)的陶瓷粉末組成;納米、亞微米和微米級(jí)陶瓷粉末的粒徑范圍依次為:〈100 nm、200?500 nm、0.6-2.5 μ m,質(zhì)量百分含量依次為15%?20%、25%?35%、45% ?55% ; 冷噴涂工藝條件為: 采用氮?dú)庾鳛樗头勰怏w和預(yù)熱加速氣體,預(yù)熱加速氣體的溫度、壓力分別為650?8000C >2.0?2.2MPa,送粉氣體的溫度、壓力分別為100?500。。和2.2?2.4MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,其特征在于:所述的陶瓷粉末可以是碳化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石陶瓷顆粒中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種多尺度金屬陶瓷涂層及其制備方法,其特征在于:所述的陶瓷粉末的孔隙率在5%?30%。
【文檔編號(hào)】C23C24/02GK104278267SQ201410591646
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】紀(jì)崗昌, 王洪濤, 陳梟, 白小波, 董增祥 申請(qǐng)人:九江學(xué)院