CN101186999A - 一种制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备陶瓷－金属复合材料熔覆层的方法，属于表面处理技术领域。工艺为：对金属构件表面进行清洗除油和喷砂，使其表面毛化；利用电弧喷涂或等离子喷涂方法在金属构件表面制备陶瓷－金属复合材料涂层；利用微束等离子弧枪对涂层进行扫描式重熔，参数：选用直径为0.6－1.3mm的等离子弧枪压缩喷嘴，离子气流量为0.08－0.2升/min，保护气流量为2－3升/min；对于厚度小于600μm的涂层，等离子弧电流为10－30A，而对于厚度为600－1500μm的涂层，等离子弧电流为25－60A；微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为2－5mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为2－8mm/s。优点在于工艺简单、质量稳定、成本低、生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，特别是提供了一种制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的方法。适用于在金属构件表面、特别是火电厂锅炉四管所用钢管外表面制备具有冶金结合的耐磨、耐高温腐蚀熔覆层。
背景技术
通过在金属构件表面制备合金、陶瓷-金属复合材料涂层可以提高金属构件的抗磨、耐高温腐蚀性能，目前已有的技术包括热喷涂、冷喷涂、气相沉积等。气相沉积技术存在的主要问题是：沉积速度慢、涂层薄，一般只能得到几至几十微米的涂层；难以在诸如锅炉四管等大尺寸构件表面制备涂层。电弧喷涂、等离子喷涂、高速氧燃料喷涂(HVOF)等热喷涂技术的特点是喷涂效率高，可以在锅炉四管等大尺寸金属构件外表面制备合金涂层或陶瓷-金属复合材料涂层，涂层厚度可达几百微米至毫米级，但现有热喷涂技术制备的涂层与基体为机械结合或半冶金结合，涂层与基体结合强度远低于基体材料强度，涂层孔隙率一般为1-15％；上述涂层存在的结合强度低、孔隙率高等问题使涂层的耐磨、耐蚀和耐冲击性能受到较大的限制。
近年来，一些研究人员在利用激光重熔处理技术来改善涂层性能方面取得了较大进展，但激光重熔处理技术存在设备昂贵、熔覆层厚度一般仅几百微米以及表面裂纹难以控制等局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的方法，解决了热喷涂法制备的涂层所存在的结合强度低、孔隙率高等问题。
本发明对涂层、重熔层、熔覆层的定义如下：涂层为热喷涂制备的预涂层(未经过微束等离子弧重熔)；重熔层为涂层及部分基体材料在微束等离弧作用下熔化后并由基体自激冷作用而凝固形成的结晶层；熔覆层为涂层在微束等离弧作用下熔化后并由基体自激冷作用而凝固形成的结晶层(不包括经过重熔后的基体材料)，并近似定义熔覆层厚度等于涂层厚度(忽略了重熔后所形成熔覆层的孔隙率低于涂层孔隙率以及熔覆层与基体结合界面处少量陶瓷相向基体扩散的细微影响)。
本发明开发了一种在金属构件表面制备具有冶金结合的耐磨、抗高温腐蚀陶瓷-金属复合材料熔覆层的生产方法，特别是在火电厂锅炉四管所用钢管外表面制备耐磨、抗高温腐蚀熔覆层的方法，其关键技术是通过微束等离子弧对陶瓷-金属复合材料涂层的重熔，使熔覆层与基体达到冶金结合，熔覆层致密、孔隙率为0-0.1％，熔覆层无裂纹缺陷，熔覆层厚度为200-1500μm。如需制备厚度大于1500μm的熔覆层，则可采用与上述方法相同的步骤制备2层及以上的多层熔覆层。
微束等离子弧是等离子弧中的一种，微束等离子焊枪是一种小电流(通常小于30A)熔入型焊接工艺，一般采用小孔径压缩喷嘴及联合型电弧。即焊接时存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧，前者起着引弧和维弧作用，后者用于熔化工件。微束等离子弧温度在10000-20000℃之间，可以熔化所有合金和陶瓷材料。现有微束等离子弧主要用于工件的焊接。
本发明利用微束等离子弧的弧束热量集中、弧柱稳定性好、热影响区小等优点，对涂层进行重熔。对于厚度小于600μm的涂层，等离子弧电流为10-30A，而对于厚度为600-1500μm的涂层，等离子弧电流为25-60A。本发明的优点是：通过调节等离子弧电流和等离子枪与工件相对运动速度，可使熔覆层厚度为200-1500μm；重熔时对基材热影响区小，对于基材厚度大于2mm的构件便可进行涂层的重熔处理；等离子弧长在较大的范围内变化时，也不会断弧，并能保持柱状特征，对基材热影响区小。
与热喷涂制备的涂层相比，微束等离子弧制备的熔覆层的显微结构为快速凝固的结晶型组织，熔覆层与基体达到冶金结合，其结合强度为热喷涂涂层结合强度的4倍以上，而热喷涂法制备的涂层为较高孔隙率的烧结型层状组织。对于同种涂层材料，在三体磨粒磨损的实验条件下，熔覆层的相对耐磨性为热喷涂涂层的2-4倍。
本发明具体包括如下步骤：
1、对金属构件表面(材料可以为碳钢、合金钢、高温合金、变形铝合金等)进行清洗除油和喷砂，使其表面毛化。
2、用电弧喷涂(喷涂材料为粉芯丝)或等离子喷涂(喷涂材料为粉末)制备陶瓷-金属复合材料涂层；喷涂材料中含有至少两种如下的陶瓷粉末，陶瓷粉末具体包括：CrB、Cr3C2、TiC、WC、TiB2、FeB、Fe2B，陶瓷粉末的质量分数为10-50％；喷涂材料中所包含的金属材料可以是铁基合金、镍基合金(如1Cr18Ni9Ti、Ni80Cr20等)。根据对金属构件耐磨、耐腐蚀寿命的需要，涂层厚度可在200-1500μm范围内选取。
3、利用微束等离子弧枪对涂层进行扫描重熔，其工艺参数为：微束等离子弧枪压缩喷嘴直径为0.6-1.3mm，离子气流量为0.08-0.2L(升)/min，保护气流量为2-3L(升)/min；对于厚度小于600μm的涂层，等离子弧电流为10-30A，而对于厚度为600-1500μm的涂层，等离子弧电流为25-60A。微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为2-5mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为2-8mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±(0-2)mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为2-5mm。在等离子弧的作用下，涂层及其与基体结合面处的基体材料达到熔点以上的温度，在等离子弧离开加热区域后，熔体在基体的自激冷作用下凝固而形成结晶组织，使熔覆层与基体达到冶金结合。按上述方法所制备的熔覆层厚度为200-1500μm。
如需制备厚度大于1.5mm的熔覆层，则采用与上述步骤一至步骤三相同的方法制备多次喷涂-熔覆层。即对熔覆层表面进行清洗和喷砂后，在熔覆层表面利用热喷涂法制备涂层，然后利用微束等离子弧熔覆设备对涂层进行扫描式重熔得到下一熔覆层。将上述1～3步骤重复1～5次，获得熔覆层厚度为1.5～6mm。
应用本发明的方法，可以实现对热喷涂制备的陶瓷-金属复合材料涂层的重熔，使熔覆层与基体达到冶金结合，熔覆层为快速凝固后致密的细小结晶组织，孔隙率为0-0.1％，熔覆层无裂纹缺陷。单次熔覆层厚度为200-1500μm，大于激光熔覆层所能达到的厚度。应用本发明的多次喷涂-重熔方法，可制备厚度达6mm的熔覆层。
附图说明
图1为微束等离子弧枪重熔涂层的原理图。其中，金属基体1、重熔层2、等离子弧熔化区3、凝固过渡区4、未重熔的涂层5、基体材料6。
图2为微束等离子弧枪搭接扫描路径示意图。
图3为电弧喷涂涂层横截面的低倍光学显微镜照片。其中，电弧喷涂涂层断面7、涂层与基体结合面8、基体9。
图4为对涂层重熔后重熔层横截面的低倍光学显微镜照片。其中，涂层重熔后低倍组织10、重熔层与未重熔区结合界面11、基体12。
图5为经过化学侵蚀后电弧喷涂涂层横截面的高倍光学显微镜照片。
图6为熔覆层横截面经过化学侵蚀后的高倍光学显微镜照片。
图7为未重熔涂层和熔覆层横截面的显微硬度曲线。
图8为熔覆层与未重熔涂层的磨粒磨损特性对比结果。
具体实施方式
实例1：制备厚度为1000μm的熔覆层(重熔层厚度为1030-1100μm)。金属基体为A3钢平板，其厚度为6mm。喷涂粉芯丝材料为：复合粉末(57％FeB+40％CrB+3％Si)在粉芯丝中的平均质量分数为40％，粉芯丝外皮为Fe。对钢板进行除油、喷砂预处理，利用电弧喷涂在钢板表面制备平均厚度为1000μm的涂层。微束等离子弧重熔参数为：等离子弧枪压缩喷嘴直径1mm，离子气流量为0.1L(升)/min，保护气流量为2L(升)/min；等离子弧电流为40A。微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为4mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为4mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±1mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为4mm。重熔扫描搭接率为30％，图2为微束等离子弧枪搭接扫描路径示意图。图3为电弧喷涂涂层横截面形貌的低倍光学显微镜照片，涂层为层状结构，缺陷较多。图4为对涂层重熔后重熔层横截面的低倍光学显微镜照片，重熔层为细小的结晶组织(约有30-100μm厚度的基体材料被重熔)，无裂纹、孔洞缺陷。图5为电弧喷涂涂层横截面的高倍光学显微镜照片(用4％硝酸酒精溶液侵蚀2s)，可清楚观测到涂层为层状组织，存在裂纹、孔洞等缺陷。图6为对涂层重熔后熔覆层横截面的高倍光学显微镜照片(用氢氟酸、硝酸水溶液侵蚀20s)，熔覆层主要为细小的胞状等轴晶。
未重熔涂层、熔覆层显微硬度对比曲线如图7，从图中可看出熔覆层显微硬度明显高于涂层。熔覆层、未重熔涂层的磨粒磨损特性对比结果见图8，实验所用磨粒磨损试验机型号为MLS-225，实验所用磨料为金刚砂，熔覆层的相对耐磨性为未重熔涂层的3.28倍。
实例2：制备厚度为300μm的熔覆层(重熔层厚度为350-400μm)，其工作温度为800℃。金属基体为0Cr19Ni9钢管，其外径为31mm，厚度为3mm。喷涂粉芯丝材料为：复合粉末(50％CrB+35％Cr3C2+12TiC+3％Si)在粉芯丝中的平均质量分数为35％，粉芯丝外皮为0Cr18Ni9Ti。对钢管进行除油、喷砂预处理，利用电弧喷涂在钢管外表面制备厚度为300μm的涂层。重熔时，微束等离子弧枪固定。利用附加的机械运动装置使管道作螺旋运动，管道运动参数为：轴向移动速度7.5mm/min，管道转速4round/min。微束等离子弧重熔参数为：等离子弧枪压缩喷嘴直径0.8mm，离子气流量为0.12L(升)/min，保护气流量为2.2L(升)/min；等离子弧电流为25A。微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为4mm。
实例3：制备厚度为3mm的熔覆层(重熔层厚度为3.05-3.15mm)。金属基体为12CrMoV钢平板，其厚度为20mm。喷涂粉芯丝材料为：复合粉末(45％FeB+55％CrB)在粉芯丝中的平均质量分数为42％，粉芯丝外皮为Fe。具体工艺分为以下三步：(1)对钢板进行除油、喷砂预处理，利用电弧喷涂在钢板表面制备平均厚度为1000μm的涂层。微束等离子弧重熔参数为：等离子弧枪压缩喷嘴直径1mm，离子气流量为0.15L(升)/min，保护气流量为2.3L(升)/min；等离子弧电流为40A，微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为4mm，等离子弧枪与工件相对运动速度为3.5mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±1mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为4mm。重熔扫描搭接率为30％。从而制备出第一次熔覆层。(2)对第一次熔覆层表面进行除油、喷砂预处理，利用电弧喷涂在第一次熔覆层表面制备平均厚度为1200μm的涂层。微束等离子弧重熔参数为：等离子弧枪压缩喷嘴直径1mm，离子气流量为0.15L(升)/min，保护气流量为2.3L(升)/min；等离子弧电流为45A，微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为4mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为3.5mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±1mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为4mm。重熔扫描搭接率为30％。从而制备出第二次熔覆层。(3)对第二次熔覆层表面进行除油、喷砂预处理，利用电弧喷涂在第二次熔覆层表面制备平均厚度为800μm的涂层。微束等离子弧重熔参数为：等离子弧枪压缩喷嘴直径1mm，离子气流量为0.13L(升)/min，保护气流量为2.2L(升)/min；等离子弧电流为40A。微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为4mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为3.5mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±1mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为4mm。重熔扫描搭接率为30％。从而制备出第三次熔覆层。
通过三次喷涂、三次重熔，得到总厚度为3mm的熔覆层。
Claims (3)
1.一种制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的方法，其特征在于，工艺为：
(1)对金属构件表面进行清洗除油和喷砂，使其表面毛化；
(2)利用电弧喷涂或等离子喷涂方法在金属构件表面制备陶瓷-金属复合材料涂层，涂层厚度为200-1500μm；
(3)利用微束等离子弧枪对涂层进行扫描式重熔，其工艺参数为：选用直径为0.6-1.3mm的等离子弧枪压缩喷嘴，离子气流量为0.08-0.2升/min，保护气流量为2-3升/min；对于厚度小于600μm的涂层，等离子弧电流为10-30A，而对于厚度为600-1500μm的涂层，等离子弧电流为25-60A；微束等离子弧枪头部与涂层表面距离为2-5mm，微束等离子弧枪与工件相对运动速度为2-8mm/s，微束等离子弧枪摆动宽度范围为±(0-2)mm，微束等离子弧枪单道重熔宽度为2-5mm，熔覆层厚度为200-1500μm；
将上述(1)～(3)步骤重复1～5次，获得熔覆层厚度为1.5～6mm，
2.如权利1所述的方法，其特征在于：用于电弧喷涂或等离子喷涂所用的粉芯丝材或粉末喷涂材料中含有至少两种如下的陶瓷粉末，陶瓷粉末包括：CrB、Cr3C2、TiC、WC、TiB2、FeB、Fe2B，陶瓷粉末在喷涂材料中的质量分数为10-50％。
3.如权利1所述的方法，其特征在于：金属构件材料为碳钢、合金钢、高温合金、变形铝合金。
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