專利名稱：金屬間化合物涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工、航空航天、冶金、電力、機械、化工等領(lǐng)域，涉及金屬間化合物涂層的制備方法，該方法尤其適合制備高溫、強腐蝕和強磨損條件下或空蝕條件下的高性能金屬間化合物涂層。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對航空航天、化工、電力、冶金等行業(yè)的工業(yè)品提出了更高的要求，要求產(chǎn)品在嚴酷工況條件下進行長期服役，這直接對產(chǎn)品表面性能提出了更高的要求。例如石油化工行業(yè)中，有些設(shè)備的工作溫度高達1000℃，工作環(huán)境為濃硫化氫強腐蝕氣體，高溫腐蝕大大降低了這些設(shè)備的使用壽命；目前國內(nèi)外廣泛采用的火力發(fā)電循環(huán)流化床鍋爐的埋管和水冷壁的使用壽命也僅僅三個月左右，大大影響了電力系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效率，也給安全生產(chǎn)帶來了隱患，在電力、冶金、航空、機械、化工等許多領(lǐng)域急需耐高溫腐蝕和磨損的材料和零部件。在高速流體機械領(lǐng)域，大量的空蝕作用嚴重影響了設(shè)備的正常運行。這些難題目前尚無理想有效的解決方法。
金屬間化合物強度高、抗氧化和抗硫化腐蝕性能優(yōu)良，而其韌性又高于普通的陶瓷材料，被公認為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，可滿足上述需要，但這類材料存在室溫脆性大、斷裂抗力低、制備加工困難等缺點，這限制了其作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。理論分析以及實驗研究表明金屬間化合物晶粒尺寸的減小有助于提高它的室溫塑性，此外，在金屬間化合物基體中加入連續(xù)或非連續(xù)的增強相，如WC、Al2O3、SiC、TiB2等陶瓷或W、Mo、Nb、Zr等難熔金屬，所制備出的金屬間化合物基復(fù)合材料，在一定程度上也可以改善金屬間化合物的室溫脆性，提高其斷裂抗力，同時，可顯著提高高溫強度。所以，將納米材料技術(shù)與復(fù)合強化技術(shù)相結(jié)合(納米復(fù)合強韌化)，研制新型的金屬間化合物基納米復(fù)合材料是解決金屬間化合物性能缺陷的有效途徑。
采用熱噴涂技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料表面噴涂納米結(jié)構(gòu)金屬間化合物基陶瓷復(fù)合材料涂層，既能解決其難以加工成型的問題，又能充分發(fā)揮其優(yōu)異的耐蝕、耐磨性能，因此在實際工業(yè)應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注。目前，熱噴涂領(lǐng)域內(nèi)制備金屬間化合物涂層的常規(guī)方法包括等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂等等。這些傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)的關(guān)鍵是通過某種方式使涂層材料在到達工件表面之前熔化(或半熔化)形成熔滴，并高速撞擊基體，從而在基體上沉積一層組織較致密且結(jié)合強度較高的涂層，但這些技術(shù)都存在噴涂材料在達到工件表面之前由于高溫熔化而發(fā)生氧化、分解、納米晶的長大甚至消失、非晶相的晶化等效應(yīng)，在噴涂粉末的粒子沉積到基體表面之前已經(jīng)成為液態(tài)或部分液態(tài)金屬間化合物，基于熱噴涂制備涂層的特點，形成的涂層為典型的層狀結(jié)構(gòu)涂層。然而，這些粒子層間的結(jié)合并非完全結(jié)合，而是呈現(xiàn)有限結(jié)合狀態(tài)，因此，對涂層的結(jié)合強度、使用壽命等產(chǎn)生不利的影響，不能充分發(fā)揮出金屬間化合物材料自身屬性。其次，當(dāng)采用納米結(jié)構(gòu)粉末進行加熱熔化方式的熱噴涂時，熔化的發(fā)生會使粉末的納米結(jié)構(gòu)消失，從而致使所得涂層不能有效獲得所需要的納米結(jié)構(gòu)。此外，采用冷噴涂的方法有可能避免納米結(jié)構(gòu)消失的問題，然而，由于冷噴涂在較低溫度下沉積涂層而金屬間化合物具有顯著的低溫脆性，因此通常采用冷噴涂無法實現(xiàn)金屬間化合物涂層的制備。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的是提供一種新的金屬間化合物涂層的制備方法，該方法制備出的涂層致密、結(jié)合良好，并且工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、可控性好。
本發(fā)明的總體技術(shù)思路是首先利用機械球磨合金化制備金屬間化合物對應(yīng)的金屬元素構(gòu)成的機械合金粉末，合金的晶粒尺寸可達到納米尺度，采用冷噴涂方法將粉末沉積在基體表面形成涂層，然后進行熱處理，通過熱擴散使合金轉(zhuǎn)化生成金屬間化合物并連接涂層內(nèi)部的粒子間界面，使涂層形成結(jié)合良好、性能優(yōu)異的金屬間化合物涂層。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案得以實現(xiàn)一種金屬間化合物涂層的制備方法，其特征在于，按如下步驟進行1)將兩種或多種金屬粉末按構(gòu)成金屬間化合物的成分進行配比，在惰性氣氛保護、低溫或真空下，通過機械合金化獲得合金粉末即作為噴涂原料粉末，所述的金屬間化合物選自Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al、Ni-Ti組中的一種或幾種；2)對基體進行噴砂預(yù)處理；3)采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備合金涂層；4)對涂層進行熱處理，溫度為300℃～1200℃之間，涂層中合金元素擴散形成金屬間化合物涂層。
本發(fā)明的其它一些特點是機械合金化后的粉末經(jīng)分篩獲得粒度5微米～100微米的粉末，作為噴涂原料粉末。機械合金化后的粉末經(jīng)團聚球化處理后作為冷噴涂的粉末。
預(yù)處理是通過冷噴涂方式進行基體的預(yù)處理，在粉末粒子速度較小而沒有達到臨界速度的時候，粉末不會沉積形成涂層相反只會起到對基體的噴砂粗化預(yù)處理作用。
涂層中的固溶合金轉(zhuǎn)化為金屬間化合物，涂層內(nèi)的粒子間產(chǎn)生合金化連接和擴散連接。
通過在低于金屬間化合物晶粒顯著長大的溫度下得到涂層中的金屬間化合物具有納米結(jié)構(gòu)特征。
在原始金屬粉末配料中含有陶瓷形成元素或添加含有陶瓷形成元素的其他材料，陶瓷形成元素在球磨過程中原位生成或在后續(xù)熱處理中原位生成陶瓷相。
機械合金化的原材料配制中還加入有體積含量為0～80％的金屬間化合物顆?；蝮w積含量為0～80％的陶瓷粉末或兩種粉末。
金屬間化合物顆?；蛱沾煞勰┑牧６葟臄?shù)nm到數(shù)微米。
陶瓷粉末選自硼化物、碳化物、氧化物、氮化物、硫化物、磷化物陶瓷中的一種或幾種。
本發(fā)明的方法制備的金屬間化合物涂層，與傳統(tǒng)熱噴涂層的層狀結(jié)構(gòu)完全不同，具有鑄態(tài)整體材料特征。該方法工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、可控性好、產(chǎn)量高，適合噴涂納米結(jié)構(gòu)粉末及基體材料對溫度較敏感的場合，尤其有助于實現(xiàn)納米材料的工業(yè)化應(yīng)用。


圖1為實施本發(fā)明所涉及的鐵、鋁、碳化鎢粉末的形貌照片，其中(a)為Fe粉，(b)為Al粉，(c)為WC-12Co粉。
圖2為球磨30h后鐵、鋁、碳化鎢復(fù)合粉末的表面形貌照片；圖3為球磨30h后鐵、鋁、碳化鎢復(fù)合粉末的斷面形貌照片；圖4為初始鐵、鋁、碳化鎢混和粉末與球磨30h后的合金粉末的XRD圖譜對比；圖5為鐵鋁金屬間化合物涂層的斷面形貌照片，其中(a)為低倍放大鏡照片，(b)為高倍放大鏡照片；圖6為鐵鋁金屬間化合物涂層與噴涂粉末的XRD圖譜對比；圖7為鐵鋁金屬間化合物涂層經(jīng)熱處理后的XRD圖譜。
圖8為鐵鋁金屬間化合物涂層經(jīng)熱處理后的斷面形貌照片。
圖9為鈦、鋁混和粉末球磨60h后的XRD圖譜；以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發(fā)明的金屬間化合物涂層的制備方法，以兩種或多種金屬粉末按構(gòu)成金屬間化合物的成分進行配比；對混合物進行機械合金化制備出晶粒尺寸細小的合金粉末或機械合金粉末；采用冷噴涂技術(shù)噴涂合金粉末，將其粉末的組織結(jié)構(gòu)移植到涂層中；對冷噴涂層進行擴散熱處理使其發(fā)生合金化而轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物并使涂層內(nèi)部的粒子間界面產(chǎn)生冶金連接，獲得與傳統(tǒng)熱噴涂層的層狀結(jié)構(gòu)完全不同的、具有鑄態(tài)整體材料特征的金屬間化合物涂層。
以下是發(fā)明人給出的具體實施例，需要說明的是，這些實施例是本發(fā)明較優(yōu)的例子，用于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。
在以下的實施例中，所述的預(yù)處理采用傳統(tǒng)噴砂或非傳統(tǒng)噴砂的形式，而通過冷噴涂方式進行基體的預(yù)處理，在粉末粒子速度較小而沒有達到臨界速度的時候，粉末不會沉積形成涂層相反只會起到對基體的噴砂粗化預(yù)處理作用。
制備過程中，對機械合金化后的粉末可進行團聚球化處理，獲得流動性更好的球形團聚粉作為冷噴涂的粉末。
在原始金屬粉末配料中含有陶瓷形成元素或添加含有陶瓷形成元素的其他材料，陶瓷形成元素在球磨過程中原位生成或在后續(xù)熱處理中原位生成陶瓷相。
所述的熱處理過程中，涂層中的固溶合金轉(zhuǎn)化為金屬間化合物，涂層內(nèi)的粒子間產(chǎn)生合金化連接和擴散連接，通過在低于金屬間化合物晶粒顯著長大的溫度下得到涂層中的金屬間化合物具有納米結(jié)構(gòu)特征。
機械合金化的原材料配制中加入體積含量為0～80％的金屬間化合物顆粒，金屬間化合物顆粒的粒度從數(shù)nm到數(shù)微米，這些金屬間化合物在后續(xù)涂層熱處理過程中溫度高低決定其顆粒是否產(chǎn)生長大現(xiàn)象。通過使用納米陶瓷粉末在低于陶瓷晶粒顯著長大的溫度下得到涂層中的陶瓷具有納米結(jié)構(gòu)特征。
實施例1對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的金屬間化合物FeAl，選用鐵粉、鋁粉按摩爾比1∶1進行配比，此處所述的1∶1是理論比例，因為金屬間化合物的成分配比一般是與一定溫度對應(yīng)的一定的范圍內(nèi)，因此該比例的具體準(zhǔn)確值根據(jù)涂層溫度要求和具體金屬間化合物的構(gòu)成比例在一定范圍內(nèi)均可。然后加入5wt％的碳化鎢陶瓷粉末組成初始混和粉末，三種原始粉末如圖1所示。將粉末裝入球磨罐中以氬氣為保護氣氛，球料比5∶1，轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分，球磨30小時后取出粉末，分篩獲得粒度10微米左右的粉末，粉末表面形貌和斷面形貌如圖2、3所示，粉末和原始粉末的XRD圖譜如圖4所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，Al已經(jīng)基本上不存在，而是固溶到Fe的晶格中形成了Fe(Al)固溶體，根據(jù)衍射峰的寬化度，采用謝樂公式進行計算得出此時粉末的晶粒尺寸為27nm。采用冷噴涂沉積涂層，涂層的斷面形貌如圖5所示，可以看出所沉積涂層組織致密，碳化鎢陶瓷顆粒在基體上均勻分布。冷噴涂層與噴涂粉末的XRD圖譜如圖6所示，說明冷噴涂可以將噴涂粉末的相組成及納米結(jié)構(gòu)完全移植到涂層中。在500℃下對涂層進行48小時的熱處理，所得涂層的XRD圖譜如圖7所示，表明涂層在熱處理過程中發(fā)生了相變，F(xiàn)e(Al)固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)镕eAl及AlFe3金屬間化合物，而且此時的涂層依然保持納米結(jié)構(gòu)，從而獲得了具有陶瓷顆粒增強的納米結(jié)構(gòu)鐵鋁金屬間化合物涂層，而且涂層經(jīng)過熱處理后更加致密，如圖8所示。
實施例2對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的金屬間化合物Fe3Al，選取鐵粉、鋁粉按摩爾比3∶1進行配比共300g、NiTi金屬間化合物顆粒100g、氧化鋁陶瓷粉末100g組成初始混和粉末，將其裝入球磨罐中加入乙醇作為過程控制劑，球料比10∶1，轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，球磨25小時后取出粉末，分篩獲得粒度25微米左右的粉末采用冷噴涂沉積涂層，在500℃下對涂層進行25小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)鐵鋁金屬間化合物涂層。
實施例3對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的金屬間化合物TiAl，選取鈦粉、鋁粉按摩爾比1∶1進行配比然后加入15wt％的氮化硼陶瓷粉末組成初始混和粉末，將其裝入球磨罐中加入硬脂酸為過程控制劑，球料比30∶1，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/分，球磨40小時后取出，分篩獲得粒度35微米左右的粉末，采用冷噴涂沉積涂層，在850℃下對涂層進行15小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)鈦鋁金屬間化合物涂層。
實施例4對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的金屬間化合物Ti3Al，按鈦粉和鋁粉按摩爾比3∶1進行配比組成初始混和粉末，將其裝入球磨罐中在-100℃進行低溫球磨，球料比65∶1，轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分，球磨60小時后取出，粉末的XRD圖譜如圖9所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，Al衍射峰強度已經(jīng)大大降低，說明Al已經(jīng)固溶到Ti晶格中形成了Ti(Al)固溶體。分篩獲得粒度45微米左右的粉末，采用冷噴涂沉積涂層，在700℃下對涂層進行10小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)鈦鋁金屬間化合物涂層，1000℃熱處理20小時后又獲得了微米級晶粒的鈦鋁金屬間化合物涂層。
實施例5對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的陶瓷增強金屬間化合物NiAl/TiC，按鎳粉、鋁粉各40g構(gòu)成NiAl金屬間化合物配比，加入Ti粉和碳粉各10g作為TiC陶瓷形成元素。將其裝入球磨罐中以氬氣作為保護氣氛，球料比25∶1，轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分，球磨65小時后取出，分篩獲得粒度45微米左右的粉末，采用冷噴涂沉積涂層，在650℃下對涂層進行5小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)TiC彌散增強的納米結(jié)構(gòu)鎳鋁金屬間化合物涂層。
實施例6對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的復(fù)合金屬間化合物NiAl/FeAl，按鎳粉、鋁粉按摩爾比1∶1進行配比，鐵粉、鋁粉按摩爾比1∶1然后加入15wt％的氮化硼陶瓷粉末組成初始混和粉末，將其裝入球磨罐中以氬氣為保護氣氛，球料比45∶1，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/分，球磨75小時后取出，分篩獲得粒度45微米左右的粉末，采用冷噴涂沉積涂層，在600℃下對涂層進行5小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)鎳鋁/鐵鋁復(fù)合金屬間化合物涂層。
實施例7對基體進行噴砂預(yù)處理后，針對具體的金屬間化合物NiTi，按鎳粉、鈦粉按摩爾比1∶1進行配比，將其裝入球磨罐中實施液氮低溫球磨，球料比15∶1，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/分，球磨10小時后取出，分篩獲得粒度為50微米左右的粉末，采用冷噴涂沉積涂層，在700℃下對涂層進行5小時的熱處理獲得納米結(jié)構(gòu)鎳鈦金屬間化合物涂層，可作為航空應(yīng)用涂層和抗空蝕以及抗復(fù)雜空蝕涂層。
權(quán)利要求
1.金屬間化合物涂層的制備方法，其特征在于按如下步驟進行1)將兩種或多種金屬粉末按構(gòu)成金屬間化合物的成分進行配比，在惰性氣氛保護、低溫或真空下，通過機械合金化獲得合金粉末作為噴涂原料，所述的金屬間化合物選自Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al、Ni-Ti組中的一種或幾種；2)對基體進行噴砂預(yù)處理；3)采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備合金涂層；4)對涂層進行熱處理，溫度為300℃～1200℃之間，涂層中合金元素擴散形成金屬間化合物涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的機械合金化后的粉末經(jīng)分篩獲得粒度5微米～100微米的粉末，作為噴涂原料粉末。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的機械合金化后的粉末經(jīng)團聚球化處理后作為冷噴涂的粉末。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的預(yù)處理是通過冷噴涂方式進行基體的預(yù)處理，即在粉末粒子速度較小而沒有達到臨界速度的時候，粉末不會沉積形成涂層，只會起到對基體的噴砂粗化預(yù)處理作用。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的熱處理過程中，涂層中的固溶合金轉(zhuǎn)化為金屬間化合物，涂層內(nèi)的粒子間產(chǎn)生合金化連接和擴散連接。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過在低于金屬間化合物晶粒顯著長大的溫度下得到涂層中的金屬間化合物具有納米結(jié)構(gòu)特征。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在原始金屬粉末配料中含有陶瓷形成元素或添加含有陶瓷形成元素的其他材料，陶瓷形成元素在球磨過程中原位生成或在后續(xù)熱處理中原位生成陶瓷相。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，機械合金化的原材料配制中還加入有體積含量為0～80％的金屬間化合物顆?；蝮w積含量為0～80％的陶瓷粉末或兩種粉末。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述的金屬間化合物顆?；蛱沾煞勰┑牧６葟臄?shù)nm到數(shù)微米。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的陶瓷粉末選自硼化物、碳化物、氧化物、氮化物、硫化物、磷化物陶瓷中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬間化合物涂層的制備方法，涉及材料加工、航空航天、冶金、電力、機械、化工等領(lǐng)域，該方法以兩種或多種金屬粉末為原料，通過機械合金化方法制備出合金粉末，采用冷噴涂在基體上沉積涂層，并通過熱擴散合金化處理制備出金屬間化合物涂層。采用冷噴涂可將機械合金化所獲粉體的相結(jié)構(gòu)移植到涂層中，再通過對冷噴涂層的適當(dāng)合金化擴散處理可獲得金屬間化合物涂層。該方法工藝簡單，生產(chǎn)成本低廉、可控性好、產(chǎn)量高，可制備出具有耐高溫磨損、耐高溫腐蝕、耐空蝕的高性能金屬間化合物涂層。適合噴涂納米結(jié)構(gòu)粉末及基體材料對溫度較敏感的場合，尤其有助于實現(xiàn)納米材料的工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號C21D1/00GK101058881SQ20071001797
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月4日
發(fā)明者李長久, 楊冠軍, 王洪濤 申請人:西安交通大學(xué)