專利名稱：一種鋼基體表面硼砂鹽浴滲鎢涂層制備方法
技術領域：
本發明屬于表面工程技術領域，特別是提供了 一種鋼基體表面硼 砂鹽浴滲鴒處理技術，可應用于可控核聚變反應堆面向等離子體材料 的防護。
背景技術：
面向等離子體材料(Plasma Facing Materials, PFMs,又稱第一 壁材料)是指在聚變裝置內直接面向高溫等離子體，用來保護聚變裝 置的材料。在熱核聚變裝置中，面向等離子體材料既要承受高熱負荷， 又要承受等離子體破裂時的大功率能量沉積和高能離子束輻照。研究經驗表明，Cr、 W、 V、 Ta、 Mn、 Fe等金屬元素抗輻照性能較 好。特別是鎢，它不僅是熔點最高的金屬，還具有高的濺射閾值和良 好的抗沖蝕性能。采用表面涂層技術，在鋼基體表面形成鴒涂層，利 用其高耐熱性和抗輻照性能，是一種理想的面向等離子體候選材料。文獻和專利報道的鵠涂層方法主要有擴散焊、電子束焊、釬焊、 熱噴涂、等離子噴涂等。不論采用那種技術制備的鎢涂層，涂層的致 密度和涂層與基體的結合強度是首要考慮的兩個關鍵因素，此外，合 理的涂層工藝還需要滿足零件的復雜形狀要求，具有可實施性，現有 方法還難以同時滿足以上要求。表面滲金屬是一種表面強化處理的重要手段，主要有粉末包埋滲、 涂敷滲、鹽浴滲、等離子滲等技術，目前有些方法已進入工業化生產 階段。鹽浴滲金屬工藝是在基鹽中，加入一定比例的供滲劑(金屬粉 末或氧化物粉末)以及活性劑，加熱到熔融狀態，然后將工件浸入其中，保溫一定時間，利用元素擴散使基體表面形成所滲金屬的碳化物、 鉻固溶體、硼化物等的涂層。由熱擴散形成的涂層與基體結合力高， 致密度高，適用于異型零件。鋼基體表面硼砂鹽浴滲鴒技術即為鹽浴 滲的一種。發明內容本發明提供一種硼砂鹽浴滲鎢涂層制備方法，鹽浴滲鴒體系由基 鹽、供鵠劑和活化劑三部分組成。其中，基鹽由硼砂和各種無機鹽組成；供鴒劑為氧化鴒、鎢粉或鎢鐵粉末；還原劑為鋁粉和硅粉；活化 劑為氟化鈉。其原理是在基鹽熔融中，活性鴒原子由供鴒劑提供，并 通過熱擴散在鋼基體表面形成鴒鐵碳復合碳化物涂層。其具體制備工 藝過程為a、 配制基鹽基鹽包含Na孔07、 NaCl、 KC1三種組分，各種組分含量按質量百分 比為Na2B407: 70 ~90% ; NaCl: 5~15% ; KC1: 5 ~ 15%;b、 鋼制工件表面預處理鋼制工件首先經過酸洗、堿洗處理；碳含量低于0. 6%的低碳鋼和 中碳鋼工件事先要進行表面滲碳處理；c、 滲鴒首先將基鹽加熱至4GG ~ 60(TC保溫1 ~ 2小時進行脫水處理，再加 熱至850 ~ 95(TC使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入含鵠當量100 ~ 200克的供鵠劑，按每千克基鹽加入50 ~ 100克還原劑和0 ~ 5%活化劑， 并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫1 ~ 5小時；d、 清洗將滲鵠后的工件在5%NaOH熱溶液中浸泡10~20分鐘，再用清水洗凈工件表面附著物。本發明的另 一個技術方案是上述的供鎢劑為氧化鴒粉末、鎢粉或鴒鐵 粉末。本發明的另 一個技術方案是上述的還原劑為鋁粉和硅粉。 本發明的另 一個技術方案是上述的活化劑為氟化鈉。本發明的優點在于1. 硼砂鹽浴滲鵠工藝制備的鴒涂層是由熱擴散形成的，涂層致密， 并且涂層與基體之間形成冶金結合，結合強度高。2. 基鹽的中加入了 NaCl和KC1，降低了基鹽的腐蝕性和滲鴿溫度， 可以減少工件的熱變形和熱損傷。3. 基鹽的中加入了 NaCl和KC1，降低了基鹽的腐蝕性和滲鴒溫度， 可以減少工件的熱變形和熱損傷。4. 基鹽的中加入了氟化鈉，提高滲劑的活性，可以促進和加速滲 鴒速度。5. 可以處理曲面、內孔等復雜形狀工件。6. 工藝設備簡單、操作方便、成本低廉、無污染。
具體實施方式
實施例1:工件材料2Q號鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2BA: 70%; NaCl: 15%; KC1: 15%。2. 工件首先進行表面滲碳處理，然后經過酸洗除去表面的氧化物。3. 首先將基鹽加熱至45(TC保溫2小時進^f亍脫水處理，再加熱至900。C使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入三氧化鎢粉末100克、 鋁粉70克，并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫4小時。4.將滲鎢后的工件在5y。NaOH熱溶液中浸泡10分鐘，再用清水洗凈 工件表面附著物。最終得到滲鵠涂層厚度為12pm。 實施例2:工件材料20號鋼。 實施步驟1. 同實施例l步驟l、 2。2. 首先將經過脫水處理的基鹽加熱至90(TC使其形成熔融，然后按 每千克基鹽加入三氧化鎢粉末l(.)G克、鋁4分7Q克、氟化鈉50克， 并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫2小時。3. 同實施例1步驟4. 最終得到滲鴒涂層厚度為15拜。實施例3:工件材料45鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2B407: 80%; NaCl: 10%; KC1: 10%。2. 同實施例1步驟2。3. 首先將經過脫水處理的基鹽加熱至850。C使其形成熔融，然后按 每千克基鹽加入鎢粉末7G克、硅粉7Q克、氟化鈉50克，并攪拌 均勻，最后放入經預處理的工件，保溫3小時。4. 同實施例1步驟4最終得到滲鎢涂層厚度為ll|im。 實施例4: 工件材#+: T8鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2B407: 90%; NaCl: 5%; KC1: 5%。2. 工件進行酸洗處理。3. 首先將將經過脫水處理的基鹽加熱至95(TCM吏其形成熔融，然后 按每千克基鹽加入含鎢量為75 %的鎢鐵粉末100克、硅粉40克、 氟化鈉35克，并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫2 小時。4. 將滲鎢后的工件在5，aOH熱溶液中浸泡15分鐘，再用清水洗凈 工件表面附著物。最終得到滲鴒涂層厚度為18,。 實施例5:工件材料20號鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2B407: 70%; NaCl: 15%; KC1: 15%。2. 工件首先進行表面滲碳處理，然后經過酸洗處理。3. 首先將基鹽加熱至45G。C保溫2小時進行脫水處理，再加熱至870 。C使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入三氧化鎢粉末和鎢粉 混合粉末85克，混合比例按鴒含量l: 1、鋁4分70克，并攪拌均 勾，最后放入經預處理的工件，保溫4小時。4. 將滲鵠后的工件在5y。NaOH熱溶液中浸泡10分鐘，再用清水洗凈工件表面附著物。最終得到滲鴒涂層厚度為16(am。 實施例6:工件材:扦20號鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2B407: 70%; NaCl: 15%; KC1: 15%。2. 工件首先進行表面滲碳處理，然后經過酸洗、堿洗處理。3. 首先將基鹽加熱至4Q(TC保溫2小時進行脫水處理，再加熱至870 。C使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入鴒鐵粉末和三氧化鴒 粉混合粉末100克，混合比例按鴒含量l: 1、鋁粉5G克、氟化鈉 50克，并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫4小時。4. 將滲鎢后的工件在5y。NaOH熱溶液中浸泡l()分鐘，再用清水洗凈 工件表面附著物。最終得到滲鎢涂層厚度為16pm。 實施例7:工件材料20號鋼。 實施步驟1. 基鹽各種組分含量按質量百分比為Na2B407: 70%; NaCl: 15%; KC1: 15%。2. 工件首先進行表面滲碳處理，然后經過酸洗處理。3. 首先將基鹽加熱至45(TC保溫2小時進行脫水處理，再加熱至870 。C使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入鴒鐵粉末和鵠粉混合 粉末85克，混合比例按鎢含量l: 1、鋁粉50克、氟化鈉50克， 并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫4小時。4.將滲鵠后的工件在5。/。Na0H熱溶液中浸泡^)分鐘，再用清水洗凈工件表面附著物。最終得到滲鴿涂層厚度為23|im。
權利要求
1、一種鋼基體表面硼砂鹽浴滲鎢涂層制備方法，其特征在于制備工藝為a、配制基鹽基鹽包含Na2B4O7、NaCl、KCl三種組分，各種組分含量按質量百分比為Na2B4O770～90％；NaCl5～15％；KCl5～15％；b、鋼制工件表面預處理鋼制工件首先經過酸洗、堿洗處理；碳含量低于0.4％的低碳鋼和中碳鋼工件事先要進行表面滲碳處理；c、滲鎢首先將基鹽加熱至400～600℃保溫1～2小時進行脫水處理，再加熱至850～950℃使其形成熔融，然后按每千克基鹽加入含鎢當量100～200克的供鎢劑，按每千克基鹽加入50～100克還原劑和0～50克活化劑，并攪拌均勻，最后放入經預處理的工件，保溫1～5小時；d、清洗將滲鎢后的工件在5％NaOH熱溶液中浸泡10～20分鐘，再用清水洗凈工件表面附著物。
2、 如權利要求1所述的一種鋼基體表面硼砂鹽浴滲鴒涂層制備方法， 其特征在于所述的供鵠劑為氧化鴒粉末、鴒粉或鴒4決粉末。
3、 如權利要求1所述的一種鋼基體表面硼砂鹽浴滲鴒涂層制備方法， 其特征在于所述的還原劑為鋁粉或硅粉。
4、 如權利要求1所述的一種鋼基體表面硼砂鹽浴滲鴒涂層制備方法， 其特征在于所述的活化劑為氟化鈉。
全文摘要
本發明提供了一種硼砂鹽浴滲鎢涂層制備方法，屬于表面工程技術領域。以基鹽(硼砂和各種無機鹽組成)、供鎢劑(氧化鎢、鎢粉或鎢鐵粉末)、還原劑(鋁粉或硅粉)和活化劑(氟化鈉)構成鹽浴滲鎢體系，加熱至基鹽熔融狀態，通過活性鎢原子的熱擴散在鋼制工件表面形成鎢鐵碳復合碳化物涂層。本發明的優點在于鎢涂層致密度高，結合強度高；基體熱變形和熱損傷小；適用于異型零件；工藝設備簡單、操作方便、成本低廉、無污染。
文檔編號C23C10/24GK101597739SQ20091008832
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者方哲成, 楊薇薇, 濤 林, 驥 羅, 邵慧萍, 郝俊杰, 敏 郭, 郭志猛 申請人:北京科技大學