專利名稱：一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法
技術領域：
本發明涉及材料加工、冶金、機械、電力、化工等領域，尤其涉及一種既具有高溫耐磨損特性又具有耐腐蝕特性的以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法。
背景技術：
金屬或合金為粘結相與陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷是目前廣泛應用的整體耐磨材料和零件表面強化涂層材料之一，在礦山、石油鉆探等工程機械零部件及各類切削刀具中獲得廣泛應用。但在高溫氧化、腐蝕及磨損條件下，傳統金屬陶瓷存在因其Co、M等粘結相抗腐蝕能力較低，而引起的抗高溫氧化-腐蝕磨損性能不足等問題。金屬間化合物如i^Al、Fe3Al、NiAl、Ni3Al等熔點高、抗氧化、硫化及熔鹽腐蝕能力強，陶瓷材料如WC、TiC、TiB2等具有優異的耐磨損性能，因此，以金屬間化合物為粘結相， 以陶瓷顆粒如WC、TiC等為硬質相制備金屬間化合物基金屬陶瓷涂層，可將金屬間化合物的耐腐蝕、抗氧化性能與陶瓷相的高硬度和耐磨性結合起來，提高傳統金屬陶瓷如WC/Co、 TiC/Ni等的抗氧化、硫化腐蝕性能，同時改善金屬間化合物韌性和高溫蠕變強度不足等問題，將為腐蝕磨損領域中使用的機械設備提供性能優異的涂層材料。目前，制備金屬間化合物復合材料涂層的方法有熱滲鍍、物理氣相沉積、熱噴涂、 激光熔覆等。這些方法各自都有自身的特點，適用于不同的應用場合，同時也存在各自的局限性。熱滲鍍制備金屬間化合物涂層的成分分布受到熱力學與動力學條件限制，物理氣相沉積制備金屬間化合物，其沉積涂層的速度較慢，激光熔覆雖然可以細化組織，但冷卻速度快，凝固過程難以控制，傳統熱噴涂方法由于使用高溫熱源，在制備涂層時不可避免地存在一定程度的氧化、相變、分解及晶粒長大等問題。此外，新型冷噴涂技術由于低溫高速的特征，可以制備出致密無氧化的金屬涂層，但由于金屬間化合物的室溫脆性以及金屬陶瓷粉末中硬質陶瓷相的高體積分數，難以有效沉積涂層，因此，上述方法均難以制備出以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層。
發明內容
本發明其目就在于克服以上缺陷，而提供一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法，具有高耐磨性和高耐腐蝕性，以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層其結構和耐腐蝕磨損性能更加優越，并為制備陶瓷相高體積分數的金屬陶瓷涂層或塊材提供了一種新的手段。本發明為實現上述目的而采用的技術方案為
一種金屬間化合物基金屬陶瓷涂層的制備方法，按以下步驟進行
(1)將兩種或多種金屬粉末按構成金屬間化合物的成分進行配比，并加入體積分數
(40-75Vol. %)的陶瓷硬質相，在惰性氣氛保護、低溫或真空下進行球磨制備亞穩結構金屬/ 陶瓷復合粉末； 對球磨獲得的亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末進行低溫(250-400°C)退火，消除金屬基體由于球磨產生的加工硬化，降低金屬/陶瓷復合粉末的硬度；
(3)采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備亞穩結構金屬/陶瓷復合涂層；
<:4)對涂層進行熱處理，溫度為500-1100°C之間，涂層中的亞穩結構合金相通過原位反
應轉變成金屬間化合物，從而獲得以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層。所述的金屬間化合物選自i^e-Al、Ni-Al、Ti-Al、!^e-Si、Co-Si中的一種或幾種。所述的陶瓷硬質相可以是碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石等陶瓷顆粒的一種或幾種。所述的陶瓷硬質相可以是顆粒也可以是纖維。所述的陶瓷硬質相，其尺寸可以是微米級也可以是納米級，或者是兩者按一定比例的混合物。所述的球磨制備亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末，其高體積分數(40-75VO1. %)陶瓷硬質相具有根據金屬基體性質一次性加入或多次分批加入的特征。所述的以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層具有金屬間化合物粘結相原位生成及陶瓷顆粒硬質相高體積分數(40Vol.%以上)的特征。所述的以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層具有粒子間結合及陶瓷硬質相與粘結相間結合可控的特征。本發明的總體技術思路是將與金屬間化合物對應的多種單質金屬以及陶瓷硬質相按一定比例配比混合，利用機械合金化制備以亞穩結構合金相為粘結相且陶瓷硬質相高體積分數的金屬/陶瓷復合粉末，采用冷噴涂方法將上述復合粉末沉積在基體表面形成金屬/陶瓷復合涂層，然后進行熱處理，通過熱激活使得亞穩結構合金粘結相轉變為金屬間化合物，并同時實現涂層內部粒子間界面及金屬間化合物粘結相與陶瓷硬質相間界面的連接，從而獲得以金屬間化合物為粘結相的高性能金屬陶瓷涂層。與現有技術相比，本發明的優點在于，
具有高耐磨性和高耐腐蝕性，以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層其結構和耐腐蝕磨損性能更加優越，并為制備陶瓷相高體積分數的金屬陶瓷涂層或塊材提供了一種新的手段。
具體實施例方式以下依照本發明的技術方案作出具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明并不局限于這些實例。實例1 JeAl金屬間化合物為粘結相，納米WC為增強相的i^Al_40WC (vol. %)金屬陶瓷涂層制備。選用常規微米級WC粉末(15 45微米)，將粉末裝入球磨罐中以乙醇為過程控制劑進行濕式球磨，球料比20:1，轉速250轉/分，球磨時間分別為72小時，對上述球磨后的 WC粉末進行分篩獲得納米級WC粉末(25-50nm)，然后選取狗粉、Al粉，按照摩爾比1 1配比500 g，并加入40% (體積分數)上述納米WC粉末，混合均勻后在球磨罐中進行球磨，球料比 10:1，轉速180轉/分，球磨時間36小時后獲得以亞穩結構!^e (Al)固溶體為基的！^ (Al) / WC金屬/陶瓷復合粉末。取出粉末在300°C進行熱處理并分篩獲得粒度約15-20微米左右的粉末，并在噴涂氣體為氮氣、壓力2. 5MPa、噴涂溫度650°C、噴涂距離20 mm的條件下冷噴涂沉積亞穩結構！^e(Al)/WC金屬/陶瓷復合涂層，對噴涂后的涂層在550°C進行15小時熱處理實現亞穩結構！^ (Al)固溶體向!^Al金屬間化合物的原位轉變，從而獲得以!^Al金屬間化合物為粘結相的!^AHOWC金屬陶瓷涂層。實例2 =FeAl金屬間化合物為粘結相，微米Al2O3為增強相的i^Al_60Al203 (vol. %) 金屬陶瓷涂層制備。選取!^e粉、Al粉，按照摩爾比1 1配比500 g，并加入20% (體積分數)微米Al2O3 (5-10微米)粉末，混合均勻后在球磨罐中進行球磨，球料比20:1，轉速220轉/分，在球磨 12小時、24小時后，打開球磨罐在分別各加入20% (體積分數)微米Al2O3粉末，繼續球磨至 36小時后，獲得以亞穩結構!^e (Al)固溶體為基的！^ (Al)/Al2O3金屬/陶瓷復合粉末。取出粉末在250°C進行熱處理并分篩獲得粒度約15-25微米左右的粉末，并在噴涂氣體為氮氣、 壓力2. OMPa、噴涂溫度500°C、噴涂距離20 mm的條件下冷噴涂沉積亞穩結構！^e (Al) /Al2O3 金屬/陶瓷復合涂層，對噴涂后的涂層在950°C進行5小時熱處理實現亞穩結構!^e(Al)固溶體向!^Al金屬間化合物的原位轉變，并同時強化涂層中粒子間界面及粘結相與陶瓷硬質相間界面的結合，從而獲得無粒子界面的以I^eAl金屬間化合物為粘結相的 ^Α1-60Α1203 金屬陶瓷涂層。
權利要求
1.本發明涉及一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，該制備方法具體步驟如下T將兩種或多種金屬粉末按構成金屬間化合物的成分進行配比，加入40-75Vol.%體積分數的陶瓷硬質相，在惰性氣氛保護、低溫或真空下進行球磨制備亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末； 對球磨獲得的亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末進行低溫(250-400°C)退火，消除金屬基體由于球磨產生的加工硬化，降低金屬/陶瓷復合粉末的硬度；iS:采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備亞穩結構金屬/陶瓷復合涂層；I對涂層進行熱處理，溫度為500-1100°C之間，涂層中合金元素擴散形成以金屬間化合物為粘結相的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層。
2.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述金屬間化合物基金屬陶瓷的組織結構由金屬間化合物作粘結相與陶瓷硬質相作強化相構成。
3.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物選自i^e-Al、Ni-Al、Ti-Al、Fe-Si、Ni-Ti、Co-Si等中的一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質相為碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石陶瓷顆粒的一種或幾種。
5.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質相為顆粒或纖維。
6.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質相，其尺寸為微米級或納米級或兩者的混合物。
7.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，其球磨制備亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末，其陶瓷硬質相具有根據金屬基體性質一次性加入或多次分批加入的特征。
8.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層具有金屬間化合物粘結相原位生成及陶瓷顆粒硬質相高體積分數(40Vol. %以上)的特征。
9.根據權利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層具有粒子間結合及陶瓷硬質相與粘結相間結合可控的特征。
全文摘要
本發明公開了一種以金屬間化合物為粘結相的金屬陶瓷涂層的結構設計與制備方法，它采用機械合金化工藝制備陶瓷硬質相高體積分數的亞穩結構金屬/陶瓷復合粉末，通過冷噴涂沉涂層，并通過熱處理工藝實現金屬間化合物粘結相的原位生成及控制粒子界面、陶瓷硬質相與粘結相界面結合狀態，獲得界面結合可控的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層。該方法制備的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層，具有陶瓷硬質相高體積分數、分散性好、金屬間化合物粘結相原位生成及粒子界面結合可控的結構特征。
文檔編號B22F1/00GK102296289SQ20111023843
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者王洪濤, 紀崗昌, 陳梟, 陳清宇 申請人:九江學院