專利名稱：一種制備TiC/Al₃Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬間化合物基表面復(fù)合涂層，特指一種制備TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展迫切需要能在高溫、腐蝕和劇烈磨損工況下工作的構(gòu)件，單一的鋼鐵材料越來(lái)越難以滿足要求。在構(gòu)件的表面或特殊部位獲得特殊性能涂層是最為經(jīng)濟(jì)和有效的措施之一。目前大多數(shù)采用陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料作為鋼鐵材料的涂層，如利用 Ti-C-Al、Ti-C-Fe、Ti-C-Al-Fe、Ti-C-Ni體系在鋼的表面形成TiC/i^e復(fù)合材料。這種鋼基復(fù)合材料具有高的耐磨性，但其耐熱和抗腐蝕性較差。為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)專利ZL200610038185. 0公開(kāi)了一種采用Cast-SHS工藝和Ti-C-Al-Ni體系制備TiC/Ni3Al內(nèi)生陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬間化合物基表面復(fù)合材料。這種涂層不僅具有高的抗磨性，還具有較高的耐熱和抗腐蝕性能，是一種非常理想的涂層材料， 然而在該涂層中含有大量的貴重金屬鎳，增加了涂層的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是選用采用已有無(wú)鎳的Ti-C-Al體系通過(guò)Cast-SHS工藝制備內(nèi)生陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬間化合物基表面復(fù)合材料涂層，即TitVAi3Ti。我們發(fā)現(xiàn)，Al3Ti和Ni3Al作為金屬間化合物，具有類似的高耐熱和抗腐蝕性，而在現(xiàn)有技術(shù)中Ti-C-Al體系被常用于反應(yīng)合成TiC顆粒和鋁，反應(yīng)過(guò)程中Al3Ti作為過(guò)渡相， 而本發(fā)明采用的Ti-C-Al體系中增加了鋁的含量，即按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、 3 :1配比，使Al3Ti和TiC成為最終相，具有高的耐熱、抗腐蝕性和耐磨性，在理論上具有創(chuàng)新性。本發(fā)明采用Ti-C-Al體系和型內(nèi)澆注反應(yīng)合成法在鋼鐵表面制得了 TiC/Al3Ti陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合涂層，避免了一般形成的TiC/i^e復(fù)合涂層的耐熱和抗腐蝕性較差的缺點(diǎn)和TiC/m3Al涂層較高的成本，具有節(jié)能、節(jié)材、成本低、工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)， 可廣泛用于鑄件表面或局部的強(qiáng)化。本發(fā)明的技術(shù)方案為將Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、3 1配比及Ti、C占混合粉末質(zhì)量百分總量的20% 40%進(jìn)行稱量，在行星式球磨機(jī)上混粉 12 Mh，混合均勻后的粉末在壓機(jī)上壓制成2 IOmm厚的坯塊，并在真空狀態(tài)下干燥2 5小時(shí)，采用有機(jī)粘結(jié)劑粘貼預(yù)制塊于空干后的砂型型壁，然后預(yù)熱，澆入溫度為1400 1600°C鐵水或鋼液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得到TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層O本制備方法宜采用以下工藝參數(shù)為佳
將Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、3 :1配比及Ti、C占混合粉末質(zhì)量百分總量的30% 40%進(jìn)行稱量，把混合粉末在行星式球磨機(jī)上混粉Mh，混合均勻后的粉末壓制成2 5mm厚的坯塊，并在150°C真空狀態(tài)下干燥5小時(shí)，采用3%的PVA水溶液粘貼于空干12h的砂型型壁，在400°C的條件下預(yù)熱30 min后，澆入溫度為1400 1600°C的鐵水或鋼液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層。Al3Ti的熔點(diǎn)高、密度低、熱導(dǎo)率大，具有高溫強(qiáng)度好、高溫抗蠕變性能強(qiáng)、抗腐蝕、 抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，TiC陶瓷顆粒密度低、硬度高、高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好，是復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體，TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)Al3Ti基復(fù)合材料可以在保留基體原有性能的同時(shí)，提高復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度，且Al3Ti和TiC之間有良好的界面相容性，Al3Ti合成溫度較低(650°C)， 易于點(diǎn)燃，其放熱足以完成TiC的合成，反應(yīng)完全，TiC放熱大，有利于涂層致密和增強(qiáng)與基體的結(jié)合力，質(zhì)量穩(wěn)定性高。由圖1 一圖7可見(jiàn)，在Al、Ti、C四種粉末元素組成的系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)高溫鐵液弓I發(fā)其發(fā)生SHS反應(yīng)，Al3Ti和TiC是最終穩(wěn)定存在的兩個(gè)相，反應(yīng)合成完全，涂層產(chǎn)物純凈，界面處實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。隨著TiC含量的增加，顆粒尺寸逐漸減小，其形貌由長(zhǎng)條狀向粒狀轉(zhuǎn)化。


圖1鐵基表面復(fù)合涂層X(jué)RD分析； 圖220% TiCAl3Ti界面光鏡圖320% TiCAl3Ti涂層表面掃描電鏡圖430%TiC/Al3Ti界面光鏡圖530%TiC/Al3Ti涂層表面掃描電鏡圖640% TiCAl3Ti界面光鏡圖740% TiCAl3Ti涂層表面掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
制取 TiC (20wt%)/Al3Ti 涂層
采用純度彡99. 8%的Ti粉(500目)、純度彡99. 85%的石墨粉(顆粒度彡30 μ m)、純度彡98%的Al粉(300目)，按Ti、C及Al、Ti分別為摩爾比1 1和3 1配比配料，Ti、C占混合粉末總量的20%，在行星式球磨機(jī)上混粉Mh，球料比為3 1 (磨球?yàn)楝旇?，混合均勻后的粉末在10噸壓機(jī)上壓制成<i)20mmX2mm的坯塊，致密度為55%，并在150°C真空狀態(tài)下干燥5小時(shí)，然后用3%的PVA水溶液粘貼預(yù)制塊于空干12h的砂型型壁，在400°C的條件下預(yù)熱30min后，澆入溫度為1400°C鐵液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得到20wt% TiC/ Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層。實(shí)施例2
制取 TiC (30wt%)/Al3Ti 涂層
采用純度彡99. 8%的Ti粉(300目)、純度彡99. 85%的石墨粉(顆粒度彡30 μ m)、純度彡98%的Al粉(300目)，按Ti、C及Al、Ti分別為摩爾比1 1和3 1配比配料，Ti、C占混合粉末總量的30%，在行星式球磨機(jī)上混粉Mh，球料比為3 1 (磨球?yàn)楝旇?，混合均勻后的粉末在10噸壓機(jī)上壓制成<i)20mmX3mm的坯塊，致密度為58%，并在150°C真空狀態(tài)下干燥5小時(shí)，然后用3%的PVA水溶液粘貼于空干1 的砂型型壁，在400°C的條件下預(yù)熱 30min后，澆入溫度為1400°C鐵液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得到30wt%TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層。
實(shí)施例3
制取 TiC (40wt%)/Al3Ti 涂層
采用純度彡99. 8%的Ti粉(300目)、純度彡99. 85%的石墨粉(顆粒度彡30 μ m)、純度彡98%的Al粉(300目)，按Ti、C及Al、Ti分別為摩爾比1 1和3 1配比配料，Ti、C占混合粉末總量的40%，在行星式球磨機(jī)上混粉Mh，球料比為3 1 (磨球?yàn)楝旇?，混合均勻后的粉末在10噸壓機(jī)上壓制成<i)20mmX8mm的坯塊，致密度為52%，并在150°C真空狀態(tài)下干燥5小時(shí)，然后用3%的PVA水溶液粘貼于空干12h的砂型型壁，在400°C的條件下預(yù)熱30min后，澆入溫度為1600°C鋼液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得到40wt%TiC/Al3Ti 金屬間化合物基表面復(fù)合涂層。
權(quán)利要求
1.一種制備TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法，以Ti-C-Al體系的Al、 Ti、C粉末為原料，混合均勻并壓制得到一定厚度的預(yù)制塊，干燥后采用有機(jī)粘結(jié)劑粘貼于干燥后的鑄型型壁內(nèi)；預(yù)熱鑄型后，澆入鋼或鐵液，冷卻后在鋼或鐵件表面形成金屬間化合物基復(fù)合材料涂層，其特征在于在Ti-C-Al體系中增加鋁的含量，即按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、3 :1配比，Ti、C占混合粉末質(zhì)量百分總量的20% 40%，使得原來(lái)作為過(guò)渡相的Al3Ti和TiC 一起成為最終相。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述方法的具體步驟為將Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、3 1配比及Ti、C占混合粉末質(zhì)量百分總量的20% 40%進(jìn)行稱量，在行星式球磨機(jī)上混粉 12 Mh，混合均勻后的粉末在壓機(jī)上壓制成2 IOmm厚的坯塊，并在真空狀態(tài)下干燥2 5小時(shí)，采用有機(jī)粘結(jié)劑粘貼預(yù)制塊于空干后的砂型型壁，然后預(yù)熱，澆入溫度為1400 1600°C鐵水或鋼液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得到TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層O
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種制備TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法， 其特征在于將Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩爾比分別為1 :1、3 :1配比及Ti、C占混合粉末質(zhì)量百分總量的30% 40%進(jìn)行稱量，把混合粉末在行星式球磨機(jī)上混粉Mh，混合均勻后的粉末壓制成2 5mm厚的坯塊，并在150°C真空狀態(tài)下干燥5小時(shí)，采用3%的PVA 水溶液粘貼于空干12h的砂型型壁，在400°C的條件下預(yù)熱30 min后，澆入溫度為1400 1600°C的鐵水或鋼液，發(fā)生反應(yīng)復(fù)合和致密化，凝固后得TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層ο
全文摘要
一種制備TiC/Al3Ti金屬間化合物基表面復(fù)合涂層的方法，涉及金屬間化合物基表面復(fù)合涂層，本發(fā)明采用Ti-C-Al體系的Al、Ti、C粉末為原料，按TiC的體積分?jǐn)?shù)20－40％混合均勻并壓制得到一定厚度的預(yù)制塊，干燥后采用有機(jī)粘結(jié)劑粘貼于干燥后的鑄型型壁內(nèi)；預(yù)熱鑄型后，澆入鋼或鐵液，冷卻后在鋼或鐵件表面形成TiC/Al3Ti金屬間化合物基復(fù)合材料涂層。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)便、成本低、涂層結(jié)合力強(qiáng)、綜合性能好等特點(diǎn)，可廣泛用于鑄鋼或鑄鐵件的表面強(qiáng)化和抗氧化。
文檔編號(hào)B22D19/08GK102179501SQ201110104730
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者崔向紅, 施偉, 王蘭, 王樹(shù)奇, 趙玉濤, 魏敏先 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)