專(zhuān)利名稱(chēng)：耐熔蝕FeAl金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工、冶金、電力、機(jī)械、化工等領(lǐng)域，涉及耐熔蝕!^Al金屬間化 合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，該方法尤其適合在鋼鐵鍍鋅等行業(yè)中與液態(tài)金屬接觸的 部件表面制備耐熔蝕、耐磨損涂層。
背景技術(shù)：
在鋼鐵鍍鋅、Zn冶金等行業(yè)中，鋅、鋅鋁合金、鋁等經(jīng)常需要處于高溫液態(tài)，此時(shí)， 與高溫液態(tài)金屬直接接觸的裝備部件表面不可避免地受到液態(tài)金屬的強(qiáng)烈的熔蝕，導(dǎo)致部 件表面失效，從而影響整體裝備的連續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。以鋼板連續(xù)鍍鋅為例，含有一定量鋁 的鋅液一般處于450°C以上的高溫狀態(tài)，所有與鋅液直接接觸的部件表面均會(huì)受到鋅液的 熔蝕作用，比如，沉沒(méi)輥及其支撐部件、鋅鍋、加熱元件表面、測(cè)溫等部件表面等。其中，沉沒(méi) 輥是直接影響鋼板表面鍍鋅質(zhì)量的重要部件，一般由不銹鋼材料制造而成，其輥面應(yīng)保持 應(yīng)有的形狀。然而，由于鋅液的強(qiáng)烈熔蝕作用、鋼板表面對(duì)輥面的磨損、鋅渣粘附在輥面等 原因，使用一段時(shí)間后就難以保證鋼板表面的鍍鋅質(zhì)量，需要更換，影響生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定 運(yùn)行，既降低生產(chǎn)效率也造成經(jīng)濟(jì)損失。因而，在其表面制備耐熔蝕耐磨損涂層是十分必要 的。針對(duì)液態(tài)金屬熔蝕的問(wèn)題，已有一些解決方法并獲得了積極的效果。EP603797提 出使用MoSi、MoB等耐熔蝕性能優(yōu)越的陶瓷材料，然而這些材料難以在沉沒(méi)輥表面制備均 勻致密的涂層，其脆性會(huì)導(dǎo)致沉沒(méi)輥浸入鋅鍋和從鋅鍋中取出時(shí)造成裂紋而引發(fā)涂層剝 落，因此，這些陶瓷材料的優(yōu)越的耐熔蝕性能難以得到較好的發(fā)揮。JP8104966提出熱噴 涂具有特殊成分與結(jié)構(gòu)的WC-Co金屬陶瓷涂層，WC具有優(yōu)越的耐磨損性能和耐熔蝕性能， 而以Co為主的粘結(jié)相具有較好的耐熔蝕性能和塑韌性，因此取得了良好的效果。此外， ZL200510042321. 9采用電弧噴涂在含鐵基體表面制備Al涂層，表面用水玻璃和SW2釉料 密封后進(jìn)行高溫處理以生成i^eAl金屬間化合物涂層，然而，由于Fe、Al兩元素構(gòu)成的金屬 間化合物具有多種相結(jié)構(gòu)，該方法難以獲得組織均勻的耐熔蝕性能優(yōu)越的i^eAl化合物涂 層。ZL02155185. 5采用高速火焰噴涂制金屬間化合物底層、FeAl-氧化物陶瓷的混 合層以及氧化物陶瓷層，制備了由三層構(gòu)成的梯度結(jié)構(gòu)涂層，具有較好的耐熔蝕與耐磨損 性能，然而，由于涂層具有本征的層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致涂層內(nèi)存在貫穿性的孔隙或裂紋，金屬液可 能到達(dá)!^Al表面導(dǎo)致!^Al容易被鋅液熔蝕，因此，將引起表面陶瓷層脫落等失效形式。實(shí)際上，F(xiàn)eAl金屬間化合物材料不僅具有優(yōu)越的耐熔蝕性能，而且在400-600°C 呈現(xiàn)出硬度隨溫度升高而升高的反常強(qiáng)化現(xiàn)象，對(duì)于熱鍍鋅工況中的使用而言，尤其是與 傳統(tǒng)金屬合金(比如不銹鋼)硬度隨溫度升高而降低的現(xiàn)象相比而言，還具有較好的耐磨 損性能。采用熱噴涂技術(shù)，可望在沉沒(méi)輥表面噴涂制備具有良好耐熔蝕耐磨損性能的!^Al 金屬間化合物材料涂層。目前，熱噴涂領(lǐng)域內(nèi)制備金屬間化合物涂層的常規(guī)方法有等離子 噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂。這些熱噴涂技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)某種方式使涂層材料在到達(dá)工件表面之前熔化形成熔滴，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(qiáng)度較高的涂層，但這些技術(shù)都存在噴涂材料在達(dá)到工件表面之前由于高溫熔化而發(fā)生 較為嚴(yán)重的氧化等，基于熱噴涂制備涂層的特點(diǎn)，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(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)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的性能。冷噴涂方法可通 過(guò)材料的塑性變形在顯著低于材料熔點(diǎn)的條件下沉積涂層，有望制備出致密的金屬間化合 物涂層，然而，由于金屬間化合物具有顯著的低溫脆性，因此通常以金屬間化合物粉末為原 料采用冷噴涂難以實(shí)現(xiàn)金屬間化合物涂層的有效制備。ZL200710017976.X公開(kāi)了采用球磨 金屬合金粉末冷噴涂并結(jié)合后熱處理制備金屬間化合物及其陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的方法，然 而，采用現(xiàn)有方法所制備的涂層盡管可以獲得較好的顆粒強(qiáng)化效果與耐磨損性能，但涂層 整體呈現(xiàn)以!^Al為連續(xù)相的特征，體相直接與金屬液的接觸仍然對(duì)涂層具有一定的熔蝕 性，因而，如何有效提高涂層的耐熔蝕性仍然有待研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)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耐熔蝕!^Al金 屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，該方法制備出的涂層致密、結(jié)合良好，同時(shí)具有較 高的耐熔蝕性能與耐磨損性能，并與鋅液具有較低的浸潤(rùn)特性。本發(fā)明的總體技術(shù)思路是首先利用機(jī)械球磨制備!^Al金屬間化合物以及陶瓷 顆粒或其對(duì)應(yīng)的元素構(gòu)成的機(jī)械合金粉末，采用冷噴涂方法將粉末沉積在基體表面形成涂 層，然后進(jìn)行熱處理，通過(guò)熱擴(kuò)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。在一定氧分壓條件下使涂層表 面形成一層的均勻致密的α -Al2O3薄膜，當(dāng)該氧化膜厚度不超過(guò)5-20微米時(shí)，使涂層具有 耐熔蝕、低的金屬液浸潤(rùn)以及優(yōu)越的耐磨損等綜合性能，也可以承受冷熱沖擊，此外還有效 避免了常規(guī)氧化鋁涂層中普遍存在的貫穿性孔隙，從而有效保護(hù)了復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層中的 ^ΑΙ 連續(xù)體相不被熔蝕。實(shí)際上，若在平坦的 ^ΑΙ基體表面制備形成一層致密的α-Al2O3薄 膜，則該薄膜很容易由于兩者之間的熱膨脹不匹配而剝落。本技術(shù)方案針對(duì)該問(wèn)題有兩個(gè) 關(guān)鍵點(diǎn)，第一是利用冷噴涂涂層表面呈現(xiàn)高低起伏的特征使表面氧化膜呈現(xiàn)曲面形狀而不 是平面形狀，從而增強(qiáng)氧化膜與基體之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)能力，第二是利用復(fù)合涂層內(nèi)的內(nèi)加 陶瓷顆粒，在表面氧化膜與 ^ΑΙ相的界面區(qū)域構(gòu)成粗糙的結(jié)構(gòu)，與表面氧化膜相連接的內(nèi) 加陶瓷顆粒就像樹(shù)根一樣將表面氧化膜牢固地固定與i^eAl基體相中，從而提高結(jié)合強(qiáng)度、 抗熱沖擊和機(jī)械沖擊性能。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)耐熔蝕!^Al金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，按如下步驟進(jìn)行(1)將狗粉、Al粉以及陶瓷粉末混合成為混合粉末，其中狗粉與Al粉的原子配 比為25 75 75 25，陶瓷粉末的含量為混合粉末總量的0% 80%，在惰性氣氛保護(hù)、 低溫或真空下，通過(guò)球磨獲得分布有顆粒陶瓷的層片狀分布的合金粉末； (2)對(duì)基體進(jìn)行噴砂預(yù)處理；(3)采用上述合金粉末以冷噴涂方法在基體上制備涂層；(4)對(duì)涂層進(jìn)行450°C 1300°C熱處理使合金轉(zhuǎn)化為金屬間化合物；
(5)在0. 01 常壓的氧分壓條件下使步驟(4)處理過(guò)的涂層表面形成一層均勻 致密的α-Al2O3膜。所述的α -Al2O3膜的厚度不小于陶瓷顆粒平均尺寸的三分之一。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。所述的陶瓷粉末為與鋅液或含鋁鋅液不浸潤(rùn)或浸潤(rùn)較差的陶瓷材料。所述的合金涂層的制備過(guò)程中采用狗與Al含量不同的粉末從而得到 ^、Α1含量 呈現(xiàn)臺(tái)階式變化或連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)基體與涂層之間的熱膨脹進(jìn)而增強(qiáng)涂層與 基體的結(jié)合。所述的合金涂層的制備過(guò)程中采用陶瓷顆粒含量不同的粉末從而得到陶瓷含量 呈現(xiàn)臺(tái)階式變化或連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)基體與涂層之間的熱膨脹進(jìn)而增強(qiáng)涂層與 基體的結(jié)合。所述技術(shù)方案的第四步省略，涂層在使用過(guò)程中的450°C 1300°C高溫條件下轉(zhuǎn) 變?yōu)榻饘匍g化合物。所述的第四步后將涂層表面加工成所需的表面質(zhì)量后再形成Al2O3薄膜。所述的制備合金粉末的過(guò)程所添加的陶瓷粉末是以陶瓷前軀體的形式添加，在后 續(xù)熱處理過(guò)程中原位生成陶瓷顆粒。本發(fā)明的方法所制備的金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，與傳統(tǒng)熱噴涂層的層狀結(jié) 構(gòu)完全不同，具有內(nèi)部結(jié)合良好的材料特征，表面氧化膜呈現(xiàn)均勻致密的特性，能夠有效實(shí) 現(xiàn)耐熔蝕的特性。尤其適合于在鋼鐵鍍鋅沉沒(méi)輥表面制備耐熔蝕涂層。


圖1為一種涂層斷面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2為本發(fā)明涂層斷面斷面組織結(jié)構(gòu)的示意圖以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例，需要說(shuō)明的是，這些實(shí)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(shí)施例。實(shí)施例1 以!^Al-Al2O3為例，將Fe、Al按照原子比1 1進(jìn)行配比再加入體積分?jǐn)?shù)為30% 粒度為2. 5 μ m的陶瓷顆粒并球磨25h，獲得的粉末斷面組織如圖1所示，F(xiàn)e與Al形成層 片狀分布并分布有陶瓷顆粒。以冷噴涂在沉沒(méi)輥表面制備厚度為0. 5mm的合金復(fù)合結(jié)構(gòu)涂 層，在Ar氣保護(hù)和600°C條件下對(duì)涂層進(jìn)行他的熱處理，使其轉(zhuǎn)化為!^Al-Al2O3復(fù)合結(jié)構(gòu) 涂層?？刂茪夥罩械难鹾考s為20000Pa，在1050oC條件下保溫16小時(shí)在表面形成一層均 勻致密連續(xù)的α -Al2O3薄膜，斷面組織如圖2所示。實(shí)施例2 以!^Al-Al2O3-M0B為例，將 ^、Α1按照原子比60 40進(jìn)行配比并加入25%粒度 為1 μ m的Al2O3陶瓷顆粒和10%粒度為0. 5 μ m的MoB陶瓷顆粒并球磨證。以冷噴涂在沉沒(méi)輥表面制備厚度為0. 3mm的合金復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，在1000°C條件下對(duì)涂層進(jìn)行池的熱處 理，使其轉(zhuǎn)化為!^Al-Al2O3-M0B復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。在熱處理過(guò)程中，F(xiàn)eAl兩種元素在熱處理 后擴(kuò)散形成了均勻的 ^ΑΙ金屬間化合物基體相?？刂聘邷貤l件的氣氛氧含量不超過(guò)5%， 涂層表面在950oC條件下可形成均勻致密的α-Al2O3薄膜。該條件下，盡管在氧化膜的最 表面層可能存在一些非α型的Al2O3，比如針狀或片狀的θ-Al2O3或Y-Al2O3，但在直接與 i^eAl相接觸的部分仍為α-Al2O3，該部分膜起到耐熔蝕、耐磨損和低浸潤(rùn)的作用。在這種情 況下，由于陶瓷顆粒具有兩種不同的尺度，能夠更加均勻地分散在基體中，從而使氧化鋁膜 A7eAl相的界面粗糙結(jié)構(gòu)變得更加均勻致密，就像粗細(xì)不同的樹(shù)根共同將氧化膜牢固地鎖 定在!^eAl相上。實(shí)施例3 在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將!^e部分或全部更換為Ni，也可以取得良好的效果，由于一 般而言M的成本較狗高，因此，從降低成本的角度考慮，F(xiàn)e為優(yōu)選的元素。但將！^部分 更換為Ni，或者單獨(dú)或同時(shí)添加一些其它元素(沉沒(méi)輥基體合金的各種元素)，可緩解甚至 避免基體合金元素過(guò)度向涂層中擴(kuò)散，有利于輥體的再利用。基于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)方案， 綜合考慮上述技術(shù)問(wèn)題將有利于增強(qiáng)本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施效果并降低綜合成本。實(shí)施例4 在陶瓷含量為零的情況下制備的涂層僅為!^Al涂層，盡管耐磨性會(huì)稍低，但同樣 具有本技術(shù)方案所預(yù)期的良好耐熔蝕效果。將i^e、Al按照原子比55 45進(jìn)行配比并球磨 12h，獲得!^e與Al形成層片狀分布的粉末。以冷噴涂在沉沒(méi)輥表面制備厚度為0. 3mm的涂 層，在氬氣氣氛和950°C條件下對(duì)涂層進(jìn)行4h的熱處理，使其轉(zhuǎn)化為!^Al涂層?？刂茪夥?中的氧含量約為lOOOOPa，在1050oC條件下保溫15小時(shí)在表面形成一層均勻致密連續(xù)的 α -Al2O3 薄膜。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書(shū)確定專(zhuān)利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.耐熔蝕FeΑΙ金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行(1)將狗粉、Al粉以及陶瓷粉末混合成為混合粉末，其中狗粉與Al粉的原子配比為 25 75 75 25，陶瓷粉末的含量為混合粉末總量的0% 80%，在惰性氣氛保護(hù)、低溫 或真空下，通過(guò)球磨獲得分布有顆粒陶瓷的層片狀分布的合金粉末；(2)對(duì)基體進(jìn)行噴砂預(yù)處理；(3)采用上述合金粉末以冷噴涂方法在基體上制備涂層；(4)對(duì)涂層進(jìn)行450°C 1300°C熱處理使合金轉(zhuǎn)化為金屬間化合物；(5)在0.01 常壓的氧分壓條件下使步驟(4)處理過(guò)的涂層表面形成一層均勻致密 的 α-Al2O3 膜。
2.如權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的α-Al2O3膜的厚度不小于陶瓷顆 粒平均尺寸的三分之一。
3.如權(quán)利要求書(shū)1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。
4.如權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末為與鋅液或含鋁鋅液不 浸潤(rùn)或浸潤(rùn)較差的陶瓷材料。
5.如權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的合金涂層的制備過(guò)程中采用狗與 Al含量不同的粉末從而得到 ^、Α1含量呈現(xiàn)臺(tái)階式變化或連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)基 體與涂層之間的熱膨脹進(jìn)而增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合。
6.如權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的合金涂層的制備過(guò)程中采用陶瓷 顆粒含量不同的粉末從而得到陶瓷含量呈現(xiàn)臺(tái)階式變化或連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)基 體與涂層之間的熱膨脹進(jìn)而增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合。
7.如權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)省略，涂層在使用過(guò)程中的 450 0C 1300°C高溫條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(4)后將涂層表面加工成所 需的表面質(zhì)量后再形成Al2O3薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于，所述的制備合金粉末的過(guò)程所添加的 陶瓷粉末是以陶瓷前軀體的形式添加，在后續(xù)熱處理過(guò)程中原位生成陶瓷顆粒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種耐熔蝕FeAl金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，涉及材料加工、冶金、電力、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。該方法以廉價(jià)易得的Fe、Al以及陶瓷顆粒為原料，以球磨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(guò)熱處理制備出FeAl金屬間化合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，在一定氧分壓條件下使其表面形成一層均勻致密的Al2O3薄膜。該方法制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，以FeAl金屬間化合物為基，自身具有較好的高溫耐磨損性能與耐Zn(Al)熔蝕性能，表面均勻致密的Al2O3薄膜是涂層具有優(yōu)異的耐熔蝕性能、較低的金屬液浸潤(rùn)特性以及優(yōu)越的耐磨損性能。該涂層在鋼鐵鍍鋅等行業(yè)中與液態(tài)金屬接觸的部件表面具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C24/04GK102102203SQ201010596519
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者徐建明, 李成新, 李長(zhǎng)久, 楊冠軍, 譚興海, 陳雄偉 申請(qǐng)人:上海寶鋼設(shè)備檢修有限公司, 西安交通大學(xué)