專利名稱：一種用于熱噴涂活塞環涂層的含TiB₂金屬陶瓷復合粉末的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于熱噴涂活塞環涂層的含TiB2金屬陶瓷復合粉末的制備方法， 屬于復合粉體技術領域。
背景技術：
金屬陶瓷復合涂層是一種由高硬度、高耐磨性的陶瓷相和高韌性的金屬基體組成的復合涂層，這種涂層被廣泛應用于汽車(如活塞環)，航空航天(如飛機起落架)，冶金 (如沉沒輥)和造紙(如瓦楞輥)等對表面耐磨和強韌性有較高要求的工業或民用構件的制造和修復中。常規的金屬陶瓷復合涂層材料如WC-Co，Cr3C2-NiCr等由于價格昂貴，密度大等原因近年來在汽車及航空航天等行業的應用前景逐漸黯淡。TiB2具有高硬度，高化學穩定性，低摩擦系數，低密度等諸多特點，其與金屬復合并通過熱噴涂制備的金屬陶瓷復合涂層是繼WC-Co，Cr3C2-NiCr等體系之后極有希望在耐磨領域，尤其是高溫耐磨領域(如活塞環表面)應用的新型金屬陶瓷復合涂層材料體系。研究表明，NiCr合金與TiB2潤濕性最好,且NiCr合金具有很好的防氧抗蝕性能， 是與TiB2匹配的最佳金屬相，而Mo金屬可進一步提高含TiB2金屬陶瓷復合涂層的斷裂韌性和抗擦傷性能。不同配比的含TiB2金屬陶瓷復合粉末可以滿足熱噴涂活塞環表面涂層多種摩擦磨損性能的要求。如今用于制備含TiB2金屬陶瓷復合涂層的復合粉末都是采用機械合金化方法或自蔓延高溫合成(SHS)方法制備，粉末形狀不規則，流動性差，很難達到熱噴涂工藝要求。 經對現有技術的文獻檢索發現，在中國專利公開號為CN101280129A的文獻中，公開了一種針對金屬鈦，鈷和碳化硼混合熱噴涂粉末的制備方法，采用噴霧干燥方法對混合粉末進行噴霧造粒，造粒后進行粉末熱處理，最后篩分得到球形或近球形的團聚型復合粉末。雖然采用這種方法制備的粉末具有較好的流動性，能夠滿足熱噴涂需要，但是這種團聚型粉末孔隙較多，不夠密實，對于密度較小的金屬陶瓷復合粉末(如含TiB2的金屬陶瓷復合粉末)， 在噴涂過程中粉末容易“發飄”，得到的涂層致密度不高。本發明方法制備的含TiB2金屬陶瓷復合團聚型熱噴涂粉末可克服國內外此類粉末形狀不規則，流動性差的缺點，并可進一步提高粉末致密化程度和松裝密度，從而制備出優異耐磨性能的含TiB2金屬陶瓷復合涂層。

發明內容
本發明目的是針對現有純TiB2粉末材料顆粒尺寸小，密度小，脆性大，難以直接用于熱噴涂制備涂層的現狀，提供一種TiB2與多種金屬或合金復合的團聚型熱噴涂粉末制備方法，實現多種金屬或合金與TiB2的復合，并通過熱處理后等離子球化的方法使復合粉末球形度好，致密度高，流動性好，松裝密度高，粒度分布均勻，能適用于熱噴涂并可提高TiB2 沉積率和涂層耐磨性。
本發明一種用于熱噴涂活塞環涂層的含TiB2金屬陶瓷復合粉末的制備方法，具體包括以下步驟(I)首先根據熱噴涂復合粉末成份要求，將TiB2粉、NiCr粉和Mo粉加入球磨罐內， 其中TiB2粉末25 75wt. NiCr合金粉末25 IOwt. %、Mo粉50 15wt. %，同時加入無水乙醇進行混合球磨，抑制TiB2球磨氧化，并使金屬相與TiB2復合均勻，混合粉粒度小于3微米，將濕磨好的粉末烘干，過篩分散后留用；(2)將上述過篩后的混合粉末與聚乙烯醇(PVA)、分散劑及去離子水按一定比例混合制成料漿，其中混合粉末質量為料漿總質量的35 55%，PVA質量為混合粉質量的 1% 5%，分散劑質量為混合粉質量的O. 3 I. 5%，制漿的具體步驟包括首先將混合粉末投入去離子水中充分攪拌并加熱至75°C 85°C之后加入分散劑，持續攪拌10 15分鐘后加入已溶好的PVA水溶液，并持續攪拌使各成分分散均勻,若有氣泡產生,滴加正丁醇消泡劑，得到含TiB2的金屬陶瓷復合粉末料漿；(3)利用噴霧干燥設備對上述料漿進行噴霧干燥制粒，干燥設備進口溫度為 150 250°C，霧化盤頻率為140 190Hz，得到噴霧干燥粉末；(4)利用Ar氣熱處理爐對噴霧干燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為400 700°C， 保溫時間為O. 5-1. 5小時；將熱處理后的粉末通過等離子球化設備噴入去離子水中，等離子球化功率為IOKW 20KW，最后將去離子水中的粉末烘干并進行過篩分級處理，最終得到粒徑分布在65微米 85微米范圍內的復合團聚粉末。上述步驟⑴優選無水乙醇的用量為粉末總質量的100% 120%,球磨時間 10 15小時。上述步驟(I)優選TiB2粉粒度為I 3微米，NiCr粉粒度為20 30微米，Mo粉粒度為I 2微米。上述步驟(2)中為了粉末的更好分散，根據粉末性質，分散劑優選自檸檬酸銨、聚乙二醇或聚丙烯酸銨中的一種或幾種。上述步驟(2)制漿的過程中，優選加入分散劑之后，直到復合粉末料漿制備完成， 溫度一直保持在75°C 85 °C。上述步驟(2)為了分散劑起到更好的分散作用，使料漿不絮凝，加入已溶好的PVA 水溶液后調整PH值為8 11。上述步驟⑷中的熱處理溫度優選500_600°C ;等離子球化功率為12KW 16KW。本發明方法的主要特點是進行后續致密化處理時，先利用Ar氣氛熱處理去除PVA、分散劑等有機物，再利用等離子球化快速使粉末致密化，并通過調控等離子球化參數，在使粉末快速致密化的同時， 減少高溫情況下TiB2與熔融金屬(Ni，Cr，Mo)間的反應，保證粉末中的TiB2含量。通過合適參數下Ar氣熱處理和等離子球化處理，既可以降低粉末中TiB2與金屬Ni ,Cr，Mo反應生成的雜相(包括Ni3B, Cr2B, Mo2B)含量，又可制備出比普通燒結處理更致密，球形度，流動性更好，松裝密度更高的含TiB2的金屬陶瓷復合粉末，在滿足熱噴涂送粉需求的同時，解決由于粉末密度小產生的“發飄”現象，提高粉末沉積效率，制備具有優良耐磨性能的涂層。


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圖I為實施例I產品形貌500倍放大掃描電鏡照片；圖2為實施例I產品中單個粉末1000倍放大掃描電鏡照片。
具體實施例方式以下實施例進一步解釋了本發明，但本發明并不限于以下實施例。實施例I取I 3微米粒度的TiB2粉128. Ig, 20 30微米粒度的NiCr粉25. 6g和I 2 微米粒度的Mo粉46. 3g加入球磨罐內，再加入250g無水乙醇進行混合球磨15小時，將濕磨好的粉末60°C烘干，過篩分散后將小于3微米的混合粉末加入到300g去離子水中充分攪拌并用電爐加熱，加熱至加熱至80°C之后加入O. 4g檸檬酸銨和O. 7g聚乙二醇，然后在保持80°C溫度下，再持續攪拌10分鐘后加入已溶好的PVA含量為3. 2g的水溶液，最后在保持 80°C溫度下，調整PH值為9. 5并持續攪拌60分鐘后得到含TiB2的金屬陶瓷復合粉末料漿。 若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好后，利用噴霧干燥設備對料漿進行噴霧干燥制粒，干燥設備進口溫度為170°C，霧化盤頻率為165Hz，得到噴霧干燥粉末。然后利用Ar氣熱處理爐對噴霧干燥粉末進行低溫熱處理，熱處理溫度為550°C，保溫時間為I小時。將熱處理后的粉末通過等離子球化設備噴入去離子水中，等離子球化功率為12KW。最后將去離子水中的粉末烘干并進行過篩分級處理，最終得到粒徑分布在65微米 85微米范圍內的復合團聚粉末。在掃描電子顯微鏡下觀察其形貌，從圖I中可以看出團聚粉的形狀近似球形，顆粒尺寸分布在45 75微米之間，從圖2可以看到粉末表面金屬相熔化較好，使粉末致密化程度提高，從而提高粉末的松裝密度和流動性，利用標準漏斗法(GB 1479-84)測量團聚型復合粉末的松裝密度和流動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表I。實施例2取I 3微米粒度的TiB2粉108. Ig, 20 30微米粒度的NiCr粉35. 6g和I 2 微米粒度的Mo粉56. 3g加入球磨罐內，再加入250g無水乙醇進行混合球磨13小時，將濕磨好的粉末60°C烘干，過篩分散后將小于3微米的混合粉末加入到250g去離子水中充分攪拌并用電爐加熱，加熱至80°C之后加入O. 2g檸檬酸銨、O. 3g聚丙烯酸銨和Ig聚乙二醇，然后在保持75°C溫度下，再持續攪拌10分鐘后加入已溶好的PVA含量為2. 6g的水溶液，最后在保持75°C溫度下，調整PH值為10. 3并持續攪拌60分鐘后得到含TiB2的金屬陶瓷復合粉末料漿。若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好后，利用噴霧干燥設備對料漿進行噴霧干燥制粒，干燥設備進口溫度為160°C,霧化盤頻率為155Hz，得到噴霧干燥粉末。然后利用Ar氣氛熱處理爐對噴霧干燥粉末進行低溫熱處理，熱處理溫度為500°C，保溫時間為I. 2小時。將熱處理后的粉末通過等離子球化設備噴入去離子水中，等離子球化功率為 HKff0最后將去離子水中的粉末烘干并進行過篩分級處理，最終得到粒徑分布在65微米 85微米范圍內的復合團聚粉末。利用標準漏斗法(GB 1479-84)測量團聚型復合粉末的松裝密度和流動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表I。實施例3取I 3微米粒度的TiB2粉88. Ig, 20 30微米粒度的NiCr粉45. 6g和I 2微米粒度的Mo粉66. 3g加入球磨罐內，再加入250g無水乙醇進行混合球磨11小時，將濕磨好的粉末60°C烘干，過篩分散后將小于3微米的混合粉末加入到200g去離子水中充分攪拌并用電爐加熱，加熱至加熱至80°C之后加入O. 4g聚丙烯酸銨和O. 8g聚乙二醇，然后在保持85°C溫度下，再持續攪拌10分鐘后加入已溶好的PVA含量為2. 2g的水溶液，最后在保持85°C溫度下，調整PH值為8. 6并持續攪拌60分鐘后得到含TiB2的金屬陶瓷復合粉末料漿。若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好后，利用噴霧干燥設備對料漿進行噴霧干燥制粒，干燥設備進口溫度為150°C,霧化盤頻率為145Hz，得到噴霧干燥粉末。然后利用 Ar氣氛熱處理爐對噴霧干燥粉末進行低溫熱處理，熱處理溫度為600°C，保溫時間為O. 8小時。將熱處理后的粉末通過等離子球化設備噴入去離子水中，等離子球化功率為16KW。最后將去離子水中的粉末烘干并進行過篩分級處理，最終得到粒徑分布在65微米 85微米范圍內的復合團聚型粉末。利用標準漏斗法(GB 1479-84)測量團聚型復合粉末的松裝密度和流動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表I。表I實施例1-3制備得到的含TiB2金屬陶瓷復合團聚型粉末物性參數
權利要求
1.本發明一種用于熱噴涂活塞環涂層的含TiB2金屬陶瓷復合粉末的制備方法，具體包括以下步驟(1)首先根據熱噴涂復合粉末成份要求，將TiB2粉、NiCr粉和Mo粉加入球磨罐內，其中TiB2粉末25 75wt. %、NiCr合金粉末25 IOwt. %、Mo粉50 15wt. %，同時加入無水乙醇進行混合球磨，抑制TiB2球磨氧化，并使金屬相與TiB2復合均勻，混合粉粒度小于3 微米，將濕磨好的粉末烘干，過篩分散后留用；(2)將上述過篩后的混合粉末與聚乙烯醇(PVA)、分散劑及去離子水按一定比例混合制成料漿，其中混合粉末質量為料漿總質量的35 55%，PVA質量為混合粉質量的1%
5%，分散劑質量為混合粉質量的O. 3 I. 5 %，制漿的具體步驟包括首先將混合粉末投入去離子水中充分攪拌并加熱至75°C 85°C之后加入分散劑，持續攪拌10 15分鐘后加入已溶好的PVA水溶液，持續攪拌使料漿中各成分分散均勻，若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑，得到含TiB2的金屬陶瓷復合粉末料漿；(3)利用噴霧干燥設備對上述料漿進行噴霧干燥制粒，干燥設備進口溫度為150 250°C，霧化盤頻率為140 190Hz，得到噴霧干燥粉末；(4)利用Ar氣熱處理爐對噴霧干燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為400 700°C，保溫時間為O. 5-1. 5小時；將熱處理后的粉末通過等離子球化設備噴入去離子水中，等離子球化功率為IOKW 20KW，最后將去離子水中的粉末烘干并進行過篩分級處理，最終得到粒徑分布在65微米 85微米范圍內的復合團聚粉末。
2.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟(I)優選無水乙醇的用量為粉末總質量的 100% 120%，球磨時間10 15小時。
3.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟(I)優選TiB2粉粒度為I 3微米，NiCr 粉粒度為20 30微米，Mo粉粒度為I 2微米。
4.按照權利要求I的方法，其特征在于，上述步驟(2)制漿的過程中，優選加入分散劑之后，直到復合粉末料漿制備完成，溫度一直保持在75V 85°C。
5.按照權利要求I的方法，其特征在于，上述步驟(2)分散劑選自檸檬酸銨、聚乙二醇或聚丙烯酸銨中的一種或幾種。
6.按照權利要求I的方法，其特征在于，上述步驟(2)加入已溶好的PVA水溶液后調整 PH值為8 11。
7.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟(4)中熱處理溫度優選500-600°C。8.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟(4)中等離子球化功率為12KW 16KW。全文摘要
一種用于熱噴涂活塞環涂層的含TiB2金屬陶瓷復合粉末的制備方法，屬于復合粉體技術領域。首先通過球磨方法將25～75wt.％TiB2粉末、25～10wt.％NiCr合金粉末、50～15wt.％Mo金屬粉末混合濕磨成小于3微米粒度的混合粉。然后將混合粉與粘結劑PVA、分散劑及去離子水按比例混合制成料漿，通過噴霧干燥設備在150～250℃干燥溫度、140～190Hz霧化盤頻率范圍內對上述料漿進行噴霧造粒；最后通過熱處理和等離子球化技術對粉末進行致密化處理。本發明制備的復合粉末粒度分布均勻，球形度、致密度及流動性好，可提高TiB2沉積效率，制備出具有優良耐磨性能的金屬陶瓷涂層。
文檔編號B22F1/00GK102581292SQ201210065628
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者李輝, 栗卓新, 祝弘濱 申請人:北京工業大學