一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，包括金屬基體、Ni3Al過渡層和TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成。本發明還公開了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料制備方法，包括以下步驟：S1、將重量百分比為9.3%Al粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉混合均勻后制成表面涂層壓坯；S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉混合均勻后制成過渡層壓坯；S3、將金屬粉制成基體壓坯；S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成。
【專利說明】一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及涂層【技術領域】，尤其涉及一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]現代工業工作環境的嚴酷性，迫切需要工件能夠在高溫，耐蝕等工況下工作，對于材料的整體要求越來越高。在保留工件基本構造和成分不變的前提下，只在工件關鍵部位實行涂層防護，既能有效地保護工件，又能節約成本。
[0003]對于涂層，本質是各種鍵的結合，因此如何獲得高的鍵能結合是解決涂層結合強度的根本。特別對于鋼鐵工件而言，目前涂層有效的制備方法主要有熱噴涂、氣相沉積技術、復合鍍層技術和高能束技術等。這些方法利用熱能或化學反應實現在鋼鐵表面涂層的冶金結合或冶金機械結合共存。但是這些方法是在已成型的鋼鐵表面制備涂層，涂層與構件表面匹配性和相容性限制了其發展。主要表現為鋼鐵表面要預處理且涂層在制備過程中的應力狀態和成分要盡量與鋼表面等參數匹配。由于是利用熱能或化學反應來制備冶金涂層，容易產生氣泡和夾雜，難以獲得牢固、干凈的界面結合，且涂層本身的致密度和韌性不高，容易發生開裂、翹曲和脫落，影響涂層的使用和發展前景。
[0004]為了解決這一問題，中國專利ZL200610038185.0公開了一種涂層制備方法，采用鋼液澆注與自蔓延工藝結合制備TiC/Ni3Al金屬間化合物基表面復合涂層。這種涂層能實現與鋼鐵基體的冶金結合，且本身耐蝕耐磨，是一種理想的涂層材料。但是由于熱量來源與澆注鋼液、涂層的合成和界面的狀態不易控制，成品率不高。
[0005]利用粉末冶金工藝的特殊性，采用制備工件與涂層同時成型的整體材料是能解決上述不利影響的有效途徑。且粉末冶金中的壓力能使界面結合良好，涂層本身致密，不存在工件表面要預處理等過程。所以選用一種能原位反應合成的高強、耐磨優質復合材料作為涂層，且本身的放熱有利于涂層的原位合成，并與工件表面匹配形成擴散層是一解決方案。
【發明內容】
[0006]為了解決【背景技術】中存在的技術問題，本發明提出了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料及其制備方法，通過結構設計和制備方法設計，解決了鋼鐵表面制備涂層時易產生氣泡和夾雜，難以獲得牢固、干凈的界面結合，且涂層本身的致密度和韌性不高，容易發生開裂、翹曲和脫落等問題，且能充分利用了熱能和壓力，節約了能源。
[0007]本發明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散而成。
[0008]優選地，所述表面涂層按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合制成。
[0009]優選地，所述表面涂層中TiC顆粒的理論體積分數為30%。[0010]優選地，所述過渡層按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合制成。
[0011]本發明中，上述公開的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料與現有技術相比，具有以下優點:通過設計TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，利用TiC顆粒在Ni3Al中分布良好、結合牢固且TiC顆粒硬度高的優點，獲得高強度的表面；同時設計Ni3Al過渡層，利用Ni3Al與粉末冶金基體結合牢固、界面好且與TiC顆粒結合牢固的優點，將TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層與粉末冶金基體通過過渡層進行結合，從而防止TiC顆粒與粉末冶金基體直接結合，克服TiC顆粒與粉末冶金基體結合不牢固導致易產生氣泡和夾雜的缺陷。
[0012]本發明還提出了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成表面涂層壓坯；
[0014]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯；
[0015]S3、將金屬粉制成基體壓坯；
[0016]S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成。
[0017]優選地，在步驟SI中均勻混合方式為:將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨機上進行混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1。
[0018]優選地，在步驟S2中均勻混合方式為:將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨機上混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1。
[0019]優選地，在步驟S4中熱壓燒結反應及保溫擴散過程中:最高施加壓力30_45MPa，最高燒結溫度1000-1150°C，保溫時間120-180min。
[0020]優選地，在步驟S4中，壓力施加速率與升溫速率同步。
[0021 ] 優選地，在步驟SI中，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2-3mm ;在步驟S2中，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8-1.2mm ;在步驟S3中，在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為12-15mm ;在步驟S4中，在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序將將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中。
[0022]本發明中，上述公開的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法與現有技術相比，具有以下優點:采用粉末冶金工藝，先采用相應粉末混料制成表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯，然后將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成成品，使界面結合良好，涂層本身致密，并能充分利用了熱能和壓力，從而節約能源。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的SEM分析圖；
[0024]圖2為圖1中表面涂層的EDS分析圖；[0025]圖3為圖1中過渡層的EDS分析圖；
[0026]圖4為圖1中金屬基體的EDS分析圖；
[0027]圖5為本發明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法的框圖。【具體實施方式】
[0028]如圖1-5所示，圖1為本發明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的SHM分析圖；圖2為圖1中表面涂層的EDSD分析圖；圖3為圖1中過渡層的EDS分析圖；圖4為圖1中金屬基體的EDS分析圖；圖5為本發明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法的框圖。
[0029]為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合實施例對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發明的保護范圍有任何的限制作用。
[0030]在本發明中，采用的Ni粉、Al粉、Ti粉、C粉和Fe粉的純度分別為99.5%,99.0%、99.5%T1、99.9%和99.0%，顆粒粒度分別為500目、300目、300目、300目和200目。
[0031]實施例1
[0032]請參考圖1-5，本發明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分數為30% ；
[0033]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料可以由以下步驟制得:
[0034]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機上進行混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2mm ；
[0035]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機上混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為1.2mm ；
[0036]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為15mm ；
[0037]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序將將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成，其中，最高施加壓力30MPa，最高燒結溫度1000°C，保溫時間180min且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0038]實施例2
[0039]請參考圖1-5，本發明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分數為30% ；
[0040]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料可以由以下步驟制得:
[0041]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機上進行混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2.5mm ；
[0042]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機上混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為Imm ;
[0043]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為13mm ；
[0044]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序將將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成，其中，最高施加壓力45MPa，最高燒結溫度1150°C，保溫時間120且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0045]實施例3
[0046]請參考圖1-5，本發明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分數為30% ；
[0047]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料可以由以下步驟制得:
[0048]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機上進行混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為3mm ；
[0049]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機上混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8mm ；
[0050]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為14mm ；
[0051]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序將將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成，其中，最高施加壓力40MPa，最高燒結溫度1100°C，保溫時間150min且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0052]在實施例1-3中獲得的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，具有三層結構，分別為基體、過渡層、表面涂層，其SEM分析圖如圖1所示；其中，表面涂層為TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，生成的TiC顆粒的理論體積分數為30%，其EDS分析圖如圖2所示；過渡層為Ni3Al過渡層，其EDS分析圖如圖3所示；金屬基體為鐵基體，其EDS分析圖如圖4所示。
[0053]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，其特征在于，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進行熱壓燒結反應并保溫擴散而成。
2.根據權利要求1所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，其特征在于，所述表面涂層按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合制成。
3.根據權利要求2所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，其特征在于，所述表面涂層中TiC顆粒的理論體積分數為30%。
4.根據權利要求2所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料，其特征在于，所述過渡層按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合制成。
5.一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成表面涂層壓坯； S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯； S3、將金屬粉制成基體壓坯； S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環境下對壓坯進行熱壓燒結反應并保溫擴散制成。
6.根據權利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟SI中均勻混合方式為:將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨機上進行混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1。
7.根據權利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S2中均勻混合方式為:將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨機上混料，混料時間為12小時，球料質量比為3:1。
8.根據權利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S4中熱壓燒結反應及保溫擴散過程中:最高施加壓力30-45MPa，最高燒結溫度1000-1150°C，保溫時間 120-180min。
9.根據權利要求8所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S4中，壓力施加速率與升溫速率同步。
10.根據權利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟SI中，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2-3mm;在步驟S2中，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8-1.2mm ;在步驟S3中，在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為12_15mm ;在步驟S4中，在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序將將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中。
【文檔編號】B22F3/14GK103464764SQ201310383107
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】楊子潤, 蔡杰, 李新星, 王樹奇, 顧茂云 申請人:鹽城工學院