專利名稱：等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層材料新的制備方法，更確切地說涉及的是在不銹鋼基體上沉積碳化硼涂層材料的制備方法，屬于涂層材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化硼(B4C)是一種共價鍵極強的非氧化物陶瓷，它具有許多優(yōu)良的性能。利用它的高硬度，可將其粉末制成磨料，經(jīng)燒結(jié)成型制成耐磨噴砂嘴或研磨輪；利用其低密度、高彈性模量等性能可制作輕質(zhì)裝甲；碳化硼具有高的熱中子吸收截面，可以以粉末或芯塊形式裝在不銹鋼包殼中，構(gòu)成核反應堆的控制或屏蔽元件；它更重要的一個用途是利用其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、較好的高溫穩(wěn)定性以及低密度、抗輻照等特點，作為核反應堆的第一壁材料(Valenza，D.，H. Greuner，S.Koetterl and H.Bolt；Development andCharacterization of B4C Coatings for Plamsa Facing Applications of Wendelstein7-X Fusion Experimental Device.Proc.Materials Week(2000)，paper 427)。在國外許多托克馬克中碳化硼涂層已經(jīng)取代傳統(tǒng)的高熔點金屬及其合金，成功應用于核反應堆作為第一壁材料(Bolt，H.，M.Araki，J.Linke，W.Mallener，K.Nakamura，R.W.Steinbrech，and S.Suzuki；Heat Flux Experiments on First WallMock-ups Coated by Plasma Sprayed B4C.J.Nucl.Mater.223-237(1996)，pp.809-813)。
碳化硼涂層在實際使用過程中，無論是作為耐磨涂層還是作為第一壁材料，其能否快速修復都是選擇涂層制備方式的重要標準。而等離子噴涂的一個重要特點就是能很快完成對已破壞或變薄涂層的修復。因此，目前工業(yè)用碳化硼涂層通常采用等離子噴涂的方法。但是碳化硼粉末的高熔點、高比熱和高熔融焓使得它在等離子射流中難以熔化的特性，因此等離子噴涂碳化硼涂層難以制備得到致密的涂層。
1993年D.Stover(Riccardi，A.，and A.Pizzuto；ThermomechanicalCharacterization of B4C Vacuum Plasma Sprayed Coatings on Stainless SteelTubular Substrate.J.Mater.Sci.Letters，15(1996)，Issue 14，pp.1234-1236)及其同事首先嘗試用大氣等離子噴涂的方法制備碳化硼涂層，其結(jié)果表明碳化硼粉末在噴涂過程中發(fā)生了分解和氧化，且涂層的顯微硬度僅為700HV0.1，遠遠低于碳化硼陶瓷材料的顯微硬度。Mallener(鄒從沛等，聚變堆第一壁涂層材料，核動力工程，Vol.12(1991)，p35-37)。等于1995年嘗試采用高能惰性氣體氣氛等離子噴涂設備制備碳化硼涂層，他們的研究結(jié)果表明噴涂壓力越大，涂層的顯微硬度越高，最高可以達到3000HV0.3，接近陶瓷塊體的硬度。2002年J.Matejicek(D.Stover，E.Gauthier，Plasma Sprayed B4CCoatings in Controlled Fusion Reaction；Surface Engineering，1993，Vol.9，No.2，211-214)。采用水下等離子噴涂法也制備出了性能較好的碳化硼涂層。綜上所述，對等離子噴涂碳化硼涂層影響最大的工藝參數(shù)是噴涂壓力和噴涂氣氛。噴涂壓力過小，等離子體射流的能量密度太低，碳化硼粉末的熔融困難，形成的涂層氣孔多，硬度低；在大氣氣氛下噴涂，碳化硼粉末容易氧化分解，也難形成致密涂層。
采用普通大氣噴涂設備制備碳化硼涂層成本低，但性能差，無法滿足使用要求；采用高能惰性氣氛等離子噴涂設備和水下等離子噴涂設備制備的碳化硼涂層性能較好，但成本昂貴。
能否結(jié)合上述大氣噴涂和高能惰性氣氛噴涂兩種設備的特點結(jié)合起來，開發(fā)一種惰性氣氛下大氣噴涂制備致密碳化硼涂層的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員渴望能實現(xiàn)的。遺憾的是，至今在國內(nèi)外尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，它是一種保護氣氛等離子噴涂方法，將粉末噴涂到不銹鋼基體上，形成一種高硬度、高彈性模量、低氣孔率的碳化硼涂層。本發(fā)明提供的制備方法的關(guān)鍵在于惰性氣體保護罩的應用，保護罩的示意圖如圖1所示，由圖中可知，保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其后端將等離子體火焰的前面部分包圍。保護罩內(nèi)通有循環(huán)水，其作用是防止等離子體火焰的高溫將保護罩熔融。保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體將通過保護罩圓柱端面上均勻分布的小孔以一定的壓力噴出，從而使惰性氣體充滿等離子體火焰的較大范圍，起到使等離子體火焰中的粉末處于惰性氣體氣氛下的作用。本發(fā)明的具體工藝過程如下選取顆粒形狀為塊狀、噴涂時可以順利送粉的商業(yè)碳化硼原料，其粒徑范圍為20-50μm。不銹鋼基體的清洗和噴砂是一般等離子噴涂過程中常用的工藝。采用保護罩對碳化硼粉末進行噴涂。所得涂層同起始粉末的XRD結(jié)果表明涂層中氧化硼的含量很少，采用惰性氣體保護罩能很好的避免碳化硼粉末在高溫下的氧化。等離子噴涂碳化硼涂層的顯微硬度采用顯微硬度計測得，其平均顯微硬度為28Gpa，氣孔率采用光學顯微鏡方法測量，結(jié)果為4％；結(jié)合強度用ASM方法測得，約為13Mpa。所用的等離子氣體Ar流量30-50slpm(標準升/分鐘)，H2流量為1-10slpm，粉未載氣(Ar)1-5slpm，送粉速率10-15g/min，噴涂距離70-100mn。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于使用了設計獨特的保護罩，并通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化而制備出了性能優(yōu)良的碳化硼涂層材料，從而大大降低了碳化硼涂層的制備成本。


圖1為本發(fā)明提供的制備方法中使用的惰性氣體保護罩的示意圖。
圖2起始碳化硼粉末和本發(fā)明提供的等離子噴涂碳化硼涂層的XRD圖譜。
圖3為本發(fā)明提供的碳化硼涂層斷面SEM形貌。
圖4為幾種材料在激光沖擊下的質(zhì)量損失。
圖5為輻照前B4C和WC涂層的表面形貌。
圖6為輻照后B4C和WC涂層的表面形貌。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步闡明本發(fā)明的特點和效果。
實施例1利用惰性氣體噴涂技術(shù)，采用如表1所示的噴涂工藝參數(shù)，將20-50μm的碳化硼粉末沉積于已清洗和噴砂的不銹鋼基體上。具體是噴槍與圖1所示的保護罩前端相連，等離子體火焰前面部分為保護罩所包圍保護罩后端循環(huán)冷卻，等離子氣體Ar和H2的混合氣通過氣體入口進入保護罩并通過圓柱面上均勻分布的小孔噴出。在LPX 150KrF準分子激光器上對WC涂層和本發(fā)明提供的碳化硼涂層進行激光輻照實驗。實驗參數(shù)如下激光波長248nm脈寬為23ns；每個脈沖能量為0.2MJ/m2，采用連續(xù)脈沖的轟擊方式。圖4為幾種涂層在激光沖擊下的質(zhì)量損失。由圖中可知，B4C涂層的質(zhì)量損失遠遠小于其他幾種涂層。圖5為輻照前WC和B4C涂層表面形貌，圖6為輻照后兩涂層的表面形貌。由圖中可知，轟擊后WC涂層表面形貌發(fā)生了明顯的變化，幾乎所有涂層顆粒上都出現(xiàn)了微小氣孔，呈針孔狀結(jié)構(gòu)；B4C涂層表面未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變化。激光輻照實驗的結(jié)果表明碳化硼涂層具有優(yōu)異的力學性能和很好的抗激光輻照性能。
表1噴涂工藝參數(shù)等離子體氣體40slpm 送粉速率12g/minAr等離子體氣體5slpm 電流700AH2噴涂距離80mm電壓69V粉末載氣Ar 2.5slpm實施例2碳化硼涂層具有高硬度、耐腐蝕和耐磨損的特性，可噴涂在柱塞表面或機械密封端面，并在酸性條件下較長時間使用。利用惰性氣體噴涂技術(shù)，采用如表1所示的噴涂工藝參數(shù)，將碳化硼粉末沉積于已清洗和噴砂的不銹鋼基體上。將本發(fā)明所提供的碳化硼涂層和其他幾種常見的耐腐蝕涂層在5％HCL和40％HNO3介質(zhì)中，在沸騰條件下實驗6小時。涂層腐蝕速率采用失重法測量。測量結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，在弱酸和較強酸條件下，本發(fā)明提供的碳化硼涂層具有極好的耐腐蝕性。
表2 涂層耐酸腐蝕實驗結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，包括等離子氣體、噴涂距離、粉末載氣；送粉速率的選擇，其特征在于采用保護罩對碳化硼粉末進行噴涂；所述的保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其后端將等離子焰的前面部分包圍，保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體通過保護罩圓柱端面上均勻分布小孔噴出。
2.按權(quán)利要求1所述等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，其特征在于所述的等離子氣體為Ar和H2混合，其流量分別為30-50slpm和1-10slpm。
3.按權(quán)利要求1所述等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，其特征在于所述的粉末載體為Ar，流量為1-5slpm。
4.按權(quán)利要求1所述等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，其特征在于所述的保護罩內(nèi)通有循環(huán)水。
5.按權(quán)利要求1所述等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，其特征在于送粉末速率為10-15g/min。
6.按權(quán)利要求1所述等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，其特征在于噴涂距離70-100mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等離子噴涂碳化硼涂層材料的制備方法，屬于無機涂去材料領(lǐng)域。其特征在于采用保護罩對碳化硼粉末進行噴涂；所述的保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其后端將等離子焰的前面部分包圍，保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體通過保護罩圓柱端面上均勻分布小孔噴出。本發(fā)明創(chuàng)新之外在于使用了獨特設計的保護罩，并通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化而制備出性能優(yōu)異的B
文檔編號C23C4/10GK1554798SQ200310122868
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者曾毅, 丁傳賢, 曾 毅 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所