專利名稱：一種提高真空等離子噴涂碳化硼涂層結(jié)合強度的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種提高真空等離子噴涂碳化硼涂層結(jié)合強度的方法，屬于抗核輻照和耐磨涂層材料領域。
背景技術(shù)：
碳化硼(B4C)是一種共價鍵極強的非氧化物陶瓷，具有高熔點、低密度、高硬度、高彈性模量等特性，可用作耐磨材料和抗核輻照材料。在不銹鋼、低合金鋼等基材表面沉積B4C涂層，可以將金屬基材良好的機械性能和可加工性能與涂層良好的耐磨和抗核輻照性能結(jié)合在一起。制備B4C涂層主要的方法有化學氣相沉積(CVD)、反應-燒結(jié)和等離子噴涂等。其中等離子噴涂由于具有射流溫度高、涂層厚度可控、結(jié)合強度高以及操作方便等特點，被認為是制備B4C涂層的有效方法[1.Bianchi L，Brelivet P，F(xiàn)reslon A.Plasma sprayed boron carbide coatings as first wall materials for laser fusiontarget chamber.Proceedings of the 15thinternational thermal spray conference，25-29 May 1998，Nice，F(xiàn)rance，p945-950]。但是，由于B4C在噴涂過程中存在高溫氧化和氣化等問題，大氣等離子噴涂不能制備出性能良好的B4C涂層。有人發(fā)展了一種特種保護技術(shù)[2.曾毅，張葉方，丁傳賢.等離子噴涂碳化硼涂層熱沖擊性能研究.硅酸鹽學報，1999，27(5)545-550]，在惰性氣體保護下進行等離子噴涂，成功獲得B4C涂層，但是涂層中仍然存在部分氧化產(chǎn)物。
真空等離子噴涂具有噴涂室氣氛可控、射流速度快等特點。所制備的涂層含氧量低、成分與粉末較為接近。采用真空等離子噴涂方法，避免了在大氣噴涂中的氧化現(xiàn)象，可以成功制備不含B2O3的B4C涂層。
但是，B4C涂層與不銹鋼(或低合金鋼)基材間的熱膨脹系數(shù)存在明顯差異。B4C線性熱膨脹系數(shù)僅為5.2×10-6K-1，而不銹鋼(或低合金鋼)線性熱膨脹系數(shù)較大，如304不銹鋼達16.5×10-6K-1。涂層與基材之間的熱膨脹系數(shù)失配，導致噴涂過程中熱應力在二者界面處集中，影響涂層與基材的結(jié)合。有人采用鎳鉻中間層在不銹鋼表面制備真空等離子噴涂B4C涂層，但由于鎳鉻層的熱膨脹系數(shù)(約14×10-6K-1)與不銹鋼基材比較接近，含有鎳鉻中間層的碳化硼涂層的結(jié)合強度仍然不夠理想，僅為30-43Mpa[3.Doring J E，Vaben R，Linke J，et al.Properties of plasma sprayed boron carbideprotective coatings for the first wall in fusion experiments.Journal of NuclearMaterials，2002，307-311121-125]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種提高真空等離子噴涂B4C涂層結(jié)合強度的方法。本發(fā)明在不銹鋼(或低合金鋼)基材上制備B4C涂層時，采用Ti涂層作為中間層。
Ti的線性熱膨脹系數(shù)為8.4×10-6K-1，介于B4C和不銹鋼(或低合金鋼)之間，而且與B4C比較接近。采用Ti層作為二者之間的中間層，可以緩和涂層與基材之間熱膨脹系數(shù)失配問題，減少熱應力，提高涂層的結(jié)合強度。同時，在真空等離子噴涂中，Ti涂層本身在不銹鋼(或低合金鋼)基材上的結(jié)合強度較高，這也為改善涂層與基材之間的結(jié)合提供了保證。
圖1所示的示意圖為本發(fā)明的構(gòu)思。圖中1為不銹鋼(或低合金鋼)基材，2為Ti中間層，3為B4C涂層。噴涂時，將不銹鋼(或低合金鋼)基材進行清洗、噴砂等預處理后，采用真空等離子噴涂一層Ti涂層，然后再進行B4C涂層的噴涂，即可獲得含Ti中間層的B4C涂層。(噴涂參數(shù)詳見表1)
本發(fā)明所述的不銹鋼，如常用的304不銹鋼、321不銹鋼等；低合金鋼，如16Mn鋼、15MnV鋼等。
本發(fā)明所述的不銹鋼(或低合金鋼)與B4C涂層間Ti中間層的厚度為30-100微米，B4C涂層厚度為200-500微米。噴涂時使用的Ti粉粒徑為10-80微米，B4C粉末粒徑為10-70微米。真空等離子噴涂工藝參數(shù)如表1所示。
本發(fā)明中所制備的B4C涂層由于制備工藝的控制，使之具有結(jié)合強度高的特點。其結(jié)合強度與沒有Ti中間層的B4C涂層相比可提高40-60％。
表1真空等離子噴涂參數(shù)范圍Ti中間層 B4C涂層①真空室壓力/帕 10,000-30,000 40,000-90,000②噴涂氣體氬氣流量/升/分 35-50 30-42③噴涂氣體氫氣流量/升/分 8-15 8-17④噴涂距離/毫米 200-300120-250⑤送粉載氣氬氣流量/升/分 2-42-4⑥電流/安培 550-650550-650⑦電壓/伏特 52-63 52-6

圖1含Ti中間層的B4C涂層示意圖圖中1為不銹鋼(或低合金鋼)基材，2為Ti中間層，3為B4C涂層。
圖2為實施例1所制備的含Ti中間層的B4C涂層結(jié)合強度圖中左面方框為不含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍，右面方框為含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍。
圖3含Ti中間層的B4C涂層截面金相照片圖中1為不銹鋼基材，2為Ti中間層，3為B4C涂層。
圖4為實施例2所制備的含Ti中間層的B4C涂層結(jié)合強度圖中左面方框為不含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍，右面方框為含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍。
圖5為實施例3所制備的含Ti中間層的B4C涂層結(jié)合強度圖中左面方框為不含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍，右面方框為含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍。
圖6為實施例4所制備的含Ti中間層的B4C涂層結(jié)合強度圖中左面方框為不含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍，右面方框為含Ti中間層的B4C涂層的結(jié)合強度范圍。
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。絕非限制本發(fā)明。
實施例1采用粒徑為10-80微米的Ti粉末和10-70微米的B4C粉末作為噴涂粉末。以經(jīng)過乙醇超聲清洗、剛玉砂噴砂處理的304不銹鋼作為基材。將真空室的真空度降至0.05mbar以下后，充保護氣體Ar氣至一定的壓力。在表2所示的噴涂參數(shù)下，應用瑞士Sulzer Metco公司的真空等離子噴涂系統(tǒng)先將Ti涂層噴涂于不銹鋼基材上，然后再噴涂B4C涂層。為了比較本發(fā)明的效果，同時制備了不含Ti中間過渡層的B4C涂層。應用ASTMC-633方法測定了涂層的結(jié)合強度，結(jié)果見圖2。從圖中可見，在增加了Ti中間層后，B4C涂層的平均結(jié)合強度從32MPa增大到50MPa。圖3為含Ti中間層的B4C涂層截面金相照片。圖3顯示，Ti中間層與B4C層和不銹鋼基材之間的結(jié)合均良好。
表2真空等離子噴涂參數(shù)Ti中間層B4C涂層真空室壓力/帕10,000 50,000噴涂氣體氬氣流量/升/分 40 38噴涂氣體氫氣流量/升/分 10 10噴涂距離/毫米300 200送粉載氣氬氣流量/升/分 2 3電流/安培600 600電壓/伏特56 57涂層厚度/微米50 400實施例2采用與實施例1相同粒徑的Ti和B4C粉末作為噴涂粉末。在表3所示的噴涂參數(shù)下，于304不銹鋼基材上制備B4C涂層。涂層的結(jié)合強度見圖4。從圖中可見，在增加了Ti中間層后，B4C涂層的平均結(jié)合強度從39MPa增大到55MPa。
表3真空等離子噴涂參數(shù)Ti中間層B4C涂層真空室壓力/帕 10,000 80,000噴涂氣體氬氣流量/升/分38 32噴涂氣體氫氣流量/升/分12 15噴涂距離/毫米 270 170送粉載氣氬氣流量/升/分2 3電流/安培 650 650電壓/伏特 58 60涂層厚度/微米 80 400實施例3采用與實施例1相同粒徑的Ti和B4C粉末作為噴涂粉末。在與實施例1相同的噴涂參數(shù)下，于16Mn鋼基材上制備B4C涂層。涂層的結(jié)合強度見圖5。從圖中可見，在增加了Ti中間層后，B4C涂層的平均結(jié)合強度從33MPa增大到49MPa。
實施例4采用與實施例1相同粒徑的Ti和B4C粉末作為噴涂粉末。在與實施例2相同的噴涂參數(shù)下，于16Mn鋼基材上制備B4C涂層。涂層的結(jié)合強度見圖6。從圖中可見，在增加了Ti中間層后，B4C涂層的平均結(jié)合強度從37MPa增大到54MPa。
權(quán)利要求
1.一種提高真空等離子噴涂B4C涂層結(jié)合強度的方法，其特征在于在B4C涂層與不銹鋼或低合金鋼基材間采用Ti涂層作為中間層。
2.按權(quán)利要求1所述的提高真空等離子噴涂B4C涂層結(jié)合強度的方法，其特征在于所述的Ti中間層的厚度為30-100微米，B4C涂層的厚度為200-500微米。
3.按權(quán)利要求1或2所述的提高真空等離子噴涂B4C涂層結(jié)合強度的方法，其特征在于所述真空等離子噴涂Ti中間層的工藝參數(shù)是真空室壓力10000-30000帕；噴涂氣體氬氣流量35-50升/分，噴涂氣體氫氣流量8-15升/分，噴涂距離200-300毫米，送粉載氣氬氣流量2-4升/分；所使用的Ti粉末粒徑為10-80微米。
4.按權(quán)利要求1或2所述的提高真空等離子噴涂B4C涂層結(jié)合強度的方法，其特征在于所述真空等離子噴涂B4C涂層的工藝參數(shù)是真空室壓力為40000-90000帕；噴涂氣體氬氣流量30-42升/分，噴涂氣體氫氣流量8-17升/分，噴涂距離120-250mm，送粉載氣氬氣流量為2-4升/分；所使用的B4C粉末粒徑為10-70微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高真空等離子噴涂碳化硼涂層結(jié)合強度的方法。其特征在于B
文檔編號C23C24/00GK1651603SQ20051002389
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月6日
發(fā)明者鄭學斌, 季珩, 黃靜琪, 丁傳賢 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所