一種在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，該工藝方法結(jié)合了等離子噴涂與激光重熔處理兩種技術(shù)的優(yōu)點，克服了等離子噴涂獲得的TiB2涂層抗熱震性差，致密性不足等缺陷，同時避免了激光熔覆工藝對硼化物熔覆困難，涂層應(yīng)力大、均勻性差等問題。本發(fā)明首先通過等離子噴涂技術(shù)在金屬基體上預(yù)制一層TiB2涂層，通過工藝參數(shù)控制涂層孔隙率，隨后對涂層激光重熔處理，從而在金屬表面獲得與基體呈冶金結(jié)合、致密的TiB2涂層。該方法所獲得的TiB2涂層能夠顯著提高金屬基體表面強度和在腐蝕環(huán)境中的服役時間。
【專利說明】
一種在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于金屬涂層制備領(lǐng)域，特別涉及一種在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]二硼化鈦(TiB2)作為一種六方晶的準(zhǔn)金屬化合物，其晶體結(jié)構(gòu)是由硼原子面和鈦原子面交替出現(xiàn)而構(gòu)成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中硼原子面中的B與另外3個B以共價鍵相結(jié)合，多余的一個電子形成大鍵，賦予了 TiB2優(yōu)良的導(dǎo)電性，而硼原子面和鈦原子面之間T1-B鍵決定了 TiB2的硬度較高。正是由于TiB2的高導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，一直以來被廣泛應(yīng)用于金屬表面防護領(lǐng)域。通常制備這種金屬陶瓷涂層的方法包括:物理、化學(xué)氣相沉積法;脈沖電極沉積法;等離子噴涂法等。[〇〇〇3]等離子噴涂工藝具有沉積速度快、生產(chǎn)效率高、涂層均勻性好、適用范圍廣等優(yōu)勢，也解決了難熔陶瓷材料的噴涂問題，是目前常用的涂層制備工藝方法。然而，等離子噴涂存在一些固有的缺陷，如陶瓷粒子在依次堆積形成涂層過程中，不可避免地產(chǎn)生較多裂紋，且涂層孔隙率較高，因而其耐蝕性與抗氧化性不能得到保證。不僅如此，等離子噴涂所獲得的涂層與基材之間界面結(jié)合的主要形式為機械結(jié)合，抗熱震性能差，不能將TiB2涂層的優(yōu)良性能充分發(fā)揮出來。
[0004]激光熔覆技術(shù)作為另一種表面加工技術(shù)，它能夠?qū)⒎胖迷诨w表面的欲涂粉末經(jīng)激光束輻照，使之和基體表面同時熔化形成薄層，并快速凝固形成稀釋度極低的表面涂層， 從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱以及抗氧化性，此外，通過激光熔覆工藝獲得的涂層組織致密，且涂層與基體結(jié)呈冶金結(jié)合，更好地保證了涂層的長期服役性能。然而激光熔覆工更適于自熔性合金等一些材料，而對碳化物，硼化物的熔覆困難，且激光熔覆所獲得的涂層往往均勻性較差。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對以上【背景技術(shù)】中所闡述的不足，提出一種合理高效、且實用性較強的方案:采用等離子噴涂預(yù)制一定孔隙的TiB2涂層后進行激光重熔，既能有效消除涂層內(nèi)應(yīng)力、又能增加涂層致密性和結(jié)合強度，以此提高TiB2涂層在實際應(yīng)用時的抗熱震性和耐腐蝕性。
[0006]本發(fā)明具體是通過以下四個步驟實現(xiàn)的:
[0007]1、對金屬基體進行表面預(yù)處理，
[0008]金屬基體包括但不限于不銹鋼、鈦合金，
[0009]預(yù)處理操作為:將金屬基體分別經(jīng)400和800#SiC砂紙打磨處理，并用丙酮清洗干燥，隨后對其表面噴砂(棕剛玉砂)處理5?lOmin，直至金屬表面失去金屬光澤，并用丙酮清洗表面殘留的噴砂顆粒后干燥；
[0010]2、TiB2噴涂材料的制備，[〇〇11 ]將TiB2金屬陶瓷粉末與溶解后的聚乙烯醇(PVA)按20:1的質(zhì)量分數(shù)比混合，干燥后經(jīng)星行球磨機球磨，隨后采用100#、200#篩逐級篩取，最終選取粒徑為100?200目范圍的 TiB2粉末作為噴涂材料；[〇〇12]3、將步驟(2)中得到的TiB2噴涂材料通過等離子噴涂工藝在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的金屬基體表面預(yù)制備TiB2涂層，[〇〇13]等離子噴涂工藝的具體操作為:設(shè)定噴槍與金屬基體間距離為90?110mm，噴涂功率為80?85kW，氬氣流速為38?42L/min，氫氣流速為15?18L/min，送粉速率為28g/min， [〇〇14]預(yù)制備TiB2涂層厚度控制在10?15mi，
[0015]本步驟中，通過等離子噴涂技術(shù)來預(yù)制一定孔隙的硼化物涂層，一定孔隙的存在可以在后續(xù)的激光重熔處理過程中消除涂層因為內(nèi)應(yīng)力等因素所導(dǎo)致的涂層裂紋、剝落的問題，也避免了單獨使用激光熔覆難以制備性能優(yōu)良的硼化層；
[0016]4、采用激光熔覆技術(shù)對步驟(3)中得到的預(yù)制涂層進行重熔處理，獲得TiB2涂層，[〇〇17]激光熔覆的功率設(shè)定為60?80W/mm2、頻率為5?10Hz、電流脈寬為6?8ys、電流為220A、掃描速率為3?8mm/s、保護氣體氮氣流速為15L/min。[〇〇18]對上述所制備的TiB2涂層的性能測試方法包括:[〇〇19]1、抗熱震試驗:將涂層試樣置于800°C下保溫30min后取出，放入室溫水中淬冷，重復(fù)20余次，并觀察涂層表面變化；
[0020]2、動電位掃描:將涂層樣品置于0.5mol/L的硫酸溶液中，通過電化學(xué)測試評價其在酸性環(huán)境耐蝕性。【具體實施方式】
[0021]實施例1
[0022](1)金屬基體選用市售的304L不銹鋼，將其切割成10mm X 10mm X 3mm的片狀基材， 分別采用400和800#SiC砂紙作打磨處理，并用丙酮清洗干燥，隨后采用棕剛玉砂對其噴砂處理lOmin后，使其表面失去金屬光澤，并用丙酮清洗干燥；[〇〇23](2)將200g的TiB2金屬陶瓷粉末與10g溶解后的聚乙烯醇(PVA)充分混合，干燥后經(jīng)星行球磨機球磨3h，轉(zhuǎn)速為450r/min;隨后采用100#、200#篩逐級篩取，最終選取粒徑為 100?200目的TiB2粉末作為噴涂粉體；[〇〇24](3)將步驟(2)中得到的TiB2噴涂材料通過等離子噴涂工藝在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的金屬基體表面預(yù)制備TiB2涂層:噴槍與金屬基體間距離為100mm，噴涂功率為80kW，氬氣流速為40L/min，氫氣流速為15L/min，送粉速率保持為28g/min，噴涂4分鐘。
[0025]本實例所獲得的涂層厚度為12wn，將所制備的涂層未經(jīng)重熔處理直接進行性能測試，發(fā)現(xiàn)在20次的抗熱震試驗后，涂層出現(xiàn)明顯的脫落、起皮現(xiàn)象，與基體結(jié)合強度不高； [〇〇26]采用動電位極化技術(shù)在0.5mo 1/L H2SO4溶液中測試發(fā)現(xiàn)該涂層相對于基體，腐蝕電位提升130mV，腐蝕電流有所降低。[〇〇27]實施例2
[0028]步驟(1)、(2)、(3)同實施例1;
[0029](4)采用激光熔覆技術(shù)對步驟(3)中得到的預(yù)制涂層進行重熔處理:熔覆功率為 80W/mm2;頻率為10Hz;電流脈寬為8ys;電流為220A;掃描速率為3mm/s;保護氣體氮氣流速為15L/min〇
[0030]本實例所獲得的涂層厚度為12wn，將所制備的涂層未經(jīng)重熔處理直接進行性能測試，發(fā)現(xiàn)在20次的抗熱震試驗后，涂層未出現(xiàn)脫落跡象，涂層表面也未出現(xiàn)明顯的變化，仍結(jié)合牢固；
[0031]采用動電位極化在0.5mo 1/L的H2SO4溶液中測試，發(fā)現(xiàn)該涂層相對于基體，腐蝕電位提升312mV，腐蝕速率下降明顯，耐蝕性能提高。對比實施例1中直接噴涂的TiB2層，重熔處理后的抗熱震性、耐蝕性顯著提高，涂層與基體的結(jié)合力好。[〇〇32] 實施例3[〇〇33]步驟(1)、(2)同實施例1;[〇〇34](3)將步驟(2)中得到的TiB2噴涂材料通過等離子噴涂工藝在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的金屬基體表面預(yù)制備TiB2涂層:噴槍與金屬基體間距離為100mm，噴涂功率為80kW，氬氣流速為40L/min，氫氣流速為15L/min，送粉速率保持為28g/min，噴涂5分鐘；
[0035](4)采用激光熔覆技術(shù)對步驟(3)中得到的預(yù)制涂層進行重熔處理:熔覆功率為 80W/mm2;頻率為10Hz;電流脈寬為8ys;電流為220A;掃描速率為5mm/s;保護氣體氮氣流速為15L/min〇
[0036]本實例所獲得的涂層厚度為14wn，將所制備的涂層未經(jīng)重熔處理直接進行性能測試，發(fā)現(xiàn)在20次的抗熱震試驗后，涂層未出現(xiàn)脫落跡象，涂層表面也未出現(xiàn)明顯的變化，仍結(jié)合牢固；[〇〇37]采用動電位極化在0.5mo 1/L的H2SO4溶液中測試，發(fā)現(xiàn)該涂層相對于基體，腐蝕電位提升291mV，腐蝕速率下降明顯，耐蝕性能提高。對比實施例1中直接噴涂的TiB2層，重熔處理后的抗熱震性、耐蝕性顯著提高，涂層與基體的結(jié)合力好。
[0038]實施例4
[0039]步驟(1)、(2)同實施例1;
[0040](3)將步驟(2)中得到的TiB2噴涂材料通過等離子噴涂工藝在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的金屬基體表面預(yù)制備TiB2涂層:噴槍與金屬基體間距離為100mm，噴涂功率為80kW，氬氣流速為40L/min，氫氣流速為15L/min，送粉速率保持為28g/min，噴涂4分鐘；
[0041](4)采用激光熔覆技術(shù)對步驟(3)中得到的預(yù)制涂層進行重熔處理:熔覆功率為 80W/mm2;頻率為10Hz;電流脈寬為8ys;電流為220A;掃描速率為8mm/s;保護氣體氮氣流速為15L/min〇[〇〇42]本實例所獲得的涂層厚度為14wn，將所制備的涂層未經(jīng)重熔處理直接進行性能測試，發(fā)現(xiàn)在20次的抗熱震試驗后，涂層未出現(xiàn)脫落跡象，但涂層表面出現(xiàn)了細微的裂紋，這是由于掃描速率較快導(dǎo)致的；[〇〇43]采用動電位極化在0.5mo 1/L的H2SO4溶液中測試，發(fā)現(xiàn)該涂層相對于基體，腐蝕電位提升223mV，腐蝕速率下降明顯，耐蝕性能提高。
【主權(quán)項】
1.一種在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:所述的方法為，(1)對金屬基體進行表面預(yù)處理；(2)TiB2噴涂材料的制備；(3)將步驟(2)中得到的TiB2噴涂材料通過等離子噴涂工藝在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的金 屬基體表面預(yù)制備TiB2涂層；(4)采用激光熔覆技術(shù)對步驟(3)中得到的預(yù)制涂層進行重熔處理，獲得TiB2涂層。2.如權(quán)利要求1所述的在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:步驟(1) 中所述的金屬基體為不銹鋼或鈦合金。3.如權(quán)利要求1所述的在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:步驟(1) 中，將金屬基體分別經(jīng)400和800#SiC砂紙打磨處理，并用丙酮清洗干燥，隨后對其表面噴砂 處理5?lOmin，直至金屬表面失去金屬光澤，并用丙酮清洗表面殘留的噴砂顆粒后干燥。4.如權(quán)利要求1所述的在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:步驟(2) 中，將TiB2金屬陶瓷粉末與溶解后的聚乙烯醇混合，干燥后經(jīng)星行球磨機球磨，隨后采用 100#、200#篩逐級篩取，最終選取粒徑為100?200目范圍的TiB2粉末作為噴涂材料。5.如權(quán)利要求1所述的在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:步驟(3) 中，等離子噴涂工藝的具體操作為，設(shè)定噴槍與金屬基體間距離為90?110mm，噴涂功率為 80?85kW，氬氣流速為38?42L/min，氫氣流速為15?18L/min，送粉速率為28g/min。6.如權(quán)利要求1所述的在金屬表面制備硼化鈦涂層的工藝方法，其特征在于:步驟(4) 中，激光熔覆的功率為60?80W/mm2、頻率為5?10Hz、電流脈寬為6?8ys、電流為220A、掃描 速率為3?8mm/s、保護氣體氮氣流速為15L/min。
【文檔編號】C23C4/134GK105986219SQ201610521817
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】潘太軍, 沈杰, 劉衛(wèi)
【申請人】常州大學(xué)