一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，屬于抗腐蝕及抗高溫氧化涂層制備及性能【技術領域】。將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末按照質量百分比99.8～96wt%：0.2～4wt%球墨混合均勻，將復合鋁粉、NH4Cl、氧化鋁或粘土充分攪拌混合均勻，然后鐵合金基體、金屬球放入滲劑保溫時間，加熱的同時保持混合物不斷振動或滾動，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。該方法制備的涂層組織致密均勻、性能穩定，使彌散氧化物鐵鋁合金涂層能夠得到更為廣泛的應用。
【專利說明】一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，屬于抗腐蝕及抗高溫氧化涂層制備及性能【技術領域】。
【背景技術】[0002]鐵鋁合金涂層具有良好的抗腐蝕性能，尤其是抗高溫氧化和硫化性能優異，在航空、航天、石油、化工和機械等領域得到了廣泛的應用。鐵鋁合金涂層由于涂層的鋁含量較高，形成致密的C1-Al2O3保護膜，提高了抗腐蝕性能。在高溫環境下，可以使金屬材料的使用溫度提高200°C左右。添加少量的稀土氧化物，形成彌散分布的強化相，能夠顯著地提高氧化膜的抗剝落能力、降低氧化速率，進一步改善涂層的性能。
[0003]1986年，Luthra采用等離子噴涂的方法，通過添加Y2O3粉末，首次獲得彌散氧化物涂層，涂層較為疏松，但其抗高溫氧化能力比相同Y含量的合金涂層提高了一倍。隨后，前蘇聯的Paton焊接研究所采用雙蒸發源EB-PVD方法成功制備了一系列金屬一彌散氧化物涂層，其抗高溫腐蝕性能明顯提高。在國內，周浪采用改進的直流磁控濺射沉積工藝制備型CoCr-Y2O3和CoCr-Cr2O3彌散氧化物涂層。李鐵藩等人采用復合電鍍及熱擴散兩步法制取La2O3彌散氧化物涂層，但是，磁控濺射法效率較低。齊慧濱采用高頻電脈沖沉積制備了Fe20Cr45Al-Y2O3彌散氧化物微晶涂層，完全消除了 Al2O3氧化膜中的凸脊，細化了氧化膜的晶粒，抑制了氧化膜的剝落，大大地提高了氧化膜的致密性和粘附性。但對零件的形狀有一定的要求，難以進一步的推廣應用。
【發明內容】
[0004]為克服現有技術的不足，本發明提供一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，涂層組織致密均勻、性能穩定，使彌散氧化物鐵鋁合金涂層能夠得到更為廣泛的應用。
[0005]本發明彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法按以下步驟進行:
(1)將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末按照質量百分比99.8~96wt%:0.2~4wt% 球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉；
(2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比20~50 wt%:1~10 wt%:60~79 wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑；
(3)將滲劑質量I~20%的鐵合金基體、I~15%的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度5~10°C /分鐘加熱至400~600°C并保溫時間0.5~8小時，加熱的同時保持混合物不斷振動或滾動，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。
[0006]所述純鋁粉的粒度為10~60微米，純度為鋁≥99.5wt%。
[0007]所述超細稀土氧化物包括氧化釔(Y2O3)、氧化鉿(HfO2)或氧化鈰(CeO2)中的一種或幾種任意比例混合物，尺寸為20~100納米。[0008]所述步驟(1)中的球墨為干磨或濕磨，濕磨是將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末至于乙醇或丙酮中球墨，然后干燥即可；球墨時球磨機的均轉速為60~600轉/分鐘，處理時間均為I~6小時。
[0009]所述鐵合金基體為需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵等。
[0010]所述金屬球直徑為I~4毫米，具體材料無限定。
[0011]所述步驟(3)的混合物在加熱的時候是按照頻率為20~50次/秒、振動幅度為10~20毫米振動，滾動的速度為I~10轉/分鐘。
[0012]本發明是在粉末包埋滲鋁工藝的基礎上，將超細的稀土氧化物粉末彌散分布在純鋁粉顆粒內作為滲鋁劑，同時，施加振動或滾動于粉末包埋滲鋁過程，通過添加的金屬球產生的沖擊作用，改變鐵基合金表面的擴散特性，使粘附于基體表面的鋁與基體內的鐵發生互擴散，形成鐵鋁金屬間化合物。這樣，彌散分布在純鋁顆粒內的稀土氧化物，保留在鐵鋁金屬間化合物組織內，從而，形成彌散氧化物鐵鋁合金涂層。另外，金屬球對試樣表面的沖擊，加速了擴散過程，因而使滲鋁涂層形成的溫度大為降低，時間顯著縮短。
[0013]本發明的有益效果是:本發明在400~600°C、0.5~8小時的時間內，制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層，使溫度顯著降低，時間明顯縮短，同時，大大降低了高溫對基體性能的影響。制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層結構致密均勻，性能穩定。用這種方法，可以通過各環節工藝參數的調控，較好地控制彌散氧化物鐵鋁合金涂層組織結構和涂層的厚度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施方式一的2 %Y203 +純鋁粉經2小時球磨后的Y2O3彌散分布SEM形貌；
圖2為本發明實施方式一合金表面涂層的截面形貌；
圖3為本發明實施方式一合金表面涂層XRD分析結果；
圖4為本發明實施方式一合金表面涂層X射線熒光分析結果；
圖5為本發明實施方式二 lCrl8Ni9合金涂層的截面形貌；
圖6為本發明實施方式二 lCrl8Ni9合金涂層的表面形貌；
圖7為本發明實施方式二鐵鋁合金涂層在1000° C氧化實驗結果；
圖8為本發明實施方式三低碳鋼表面涂層的截面形貌；
圖9為本發明實施方式三低碳鋼表面涂層的表面形貌。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明作進一步說明。
[0016]實施方式一:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(1)將粒度為50~60微米的純鋁粉和超細氧化釔粉末((Y2O3，平均粒度約為50納米)按照質量百分比98wt%:2wt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉；球墨為干磨，球墨時球磨機的均轉速為360轉/分鐘，處理時間均為2小時。如圖1所示。
[0017](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比20 wt%:5wt%:75wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑 ；
(3)將滲劑質量15%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料)、10%直徑為I毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度10°C /分鐘加熱至560°C并保溫2小時，加熱的同時保持混合物不斷振動或滾動(按照頻率為30次/秒、振動幅度為15毫米振動的)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。在乙醇溶液中采用超聲波清洗。在lCrl3合金試樣表面獲得彌散氧化物鐵鋁合金涂層。圖2為涂層的截面形貌，形成了約30微米厚的涂層。圖3為涂層XRD分析結果，表明涂層為鐵鋁金屬間化合物。圖4為涂層X熒光分析結果，表明涂層含有Y203。
[0018]將處理后的試樣取出，除去表面殘余的滲劑，然后，在乙醇溶液中采用超聲波清洗。在ICr 13合金試樣表面獲得彌散氧化物鐵鋁合金涂層。圖2為涂層的截面形貌，形成了約30微米厚的涂層。圖3為涂層XRD分析結果，表明涂層為鐵鋁金屬間化合物。圖4為涂層X熒光分析結果，表明涂層含有υ2ο3。
[0019]實施方式二:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(I)將粒度為10~30微米的純鋁粉和超細氧化釔粉末(平均粒度約為50納米))按照質量百分比96wt%: 4wt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉。球墨為干磨，球墨時球磨機的均轉速為400轉/分鐘，處理時間均為3小時。
[0020](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比25 wt%:8 wt%:67 wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑；
(3)將滲劑質量20%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為lCrl8Ni9合金)、15%直徑為2.5毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度8°C /分鐘加熱至600°C并保溫4小時，加熱的同時保持混合物不斷振動(按照頻率為50次/秒、振動幅度為20毫米振動的)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。在乙醇溶液中采用超聲波清洗。在lCrl8Ni9合金試樣表面獲得彌散氧化物鐵鋁合金涂層。圖5為涂層的截面形貌，形成了約40微米厚的涂層。圖6為涂層的表面形貌。
[0021]將制備好涂層的試樣進行高溫氧化實驗:首先，測量記錄試樣的重量，然后，將試樣在管式爐中進行加熱，加熱溫度為1000° C。然后，每10小時將試樣取出，并測量記錄試樣的重量，實驗周期為200小時。然后，計算試樣的單位氧化增重，用以評價其抗高溫氧化性能。同時，lCrl8Ni9合金試樣也進行高溫氧化實驗用于對比分析，圖7為試樣在1000° C氧化時的單位增重的實驗結果。
[0022]實施方式三:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(I)將粒度為30~60微米的純鋁粉和超細氧化釔粉末(尺寸為100納米)按照質量百分比99wt%:lwt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉；球墨為干磨，球墨時球磨機的均轉速為360轉/分鐘，處理時間均為4小時。
[0023](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比20 wt%:5 wt%:75wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑；
(3)將滲劑質量10%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的低碳鋼試樣)、10%直徑為I毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度5°C /分鐘加熱至500°C并保溫3小時，加熱的同時保持混合物不斷(滾動的速度為10轉/分鐘)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。在乙醇溶液中采用超聲波清洗。在試樣表面獲得彌散氧化物鐵鋁合金涂層。圖8為涂層的截面形貌，形成了約50微米厚的涂層。圖9為涂層的表面形貌。
[0024]實施方式四:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(I)將粒度為30~60微米的純鋁粉和超細稀土氧化物粉末按照質量百分比99.8wt%:0.2wt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉；超細稀土氧化物為氧化釔、氧化鉿和氧化鈰的任意比例混合物，尺寸為50~100納米。球墨為濕磨，濕磨是將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末至于丙酮中球墨，然后干燥即可；球墨時球磨機的轉速為600轉/分鐘，處理時間均為I小時。[0025](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比20 wt%:lwt%:79 wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑；
(3)將滲劑質量1%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料)、I %直徑為4毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度6°C /分鐘加熱至400°C并保溫8小時，加熱的同時保持混合物不斷振動(按照頻率為20次/秒、振動幅度為10毫米振動的)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。
[0026]實施方式五:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(I)將粒度為10~20微米的純鋁粉和超細稀土氧化鈰粉末(尺寸為20~40納米)按照質量百分比99.8wt%:0.2wt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉；球墨為濕磨，濕磨是將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末至于乙醇或丙酮中球墨，然后干燥即可。
[0027](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比39wt%: lwt%:60 wt%的比例充分攪拌混合均勻,得到滲劑；
(3)將滲劑質量18%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料)、6%直徑為2.5毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度7V /分鐘加熱至600°C并保溫0.5小時，加熱的同時保持混合物不斷滾動(滾動的速度為6轉/分鐘)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。
[0028]實施方式六:本實施方式的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法為:
(I)將粒度為30~60微米的純鋁粉和超細氧化鉿粉末(尺寸為20~100納米)按照質量百分比96wt%: 4wt%球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁。球墨為干磨，球墨時球磨機的均轉速為60轉/分鐘，處理時間均為6小時。
[0029](2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比30 wt%:10 wt%:60 wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑；
(3)將滲劑質量14%的鐵合金基體(需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料)、13 %直徑為4毫米的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度6°C /分鐘加熱至600°C并保溫I小時，加熱的同時保持混合物不斷滾動(滾動的速度為I轉/分鐘)，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。
[0030]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種 變化。
【權利要求】
1.一種彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于具體步驟包括: (1)將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末按照質量百分比99.8~96wt%:0.2~4wt% 球墨混合均勻，得到稀土氧化物均勻分布在純鋁粉末顆粒中的復合鋁粉； (2)以復合鋁粉作為滲鋁劑，NH4Cl為助滲劑，氧化鋁或粘土為填充劑，將上述三種物質依次按照質量百分比20~50 wt%:1~10 wt%:60~79 wt%的比例充分攪拌混合均勻，得到滲劑； (3)將滲劑質量I~20%的鐵合金基體、I~15%的金屬球放入滲劑中密封，然后將密封的混合物溫度按照加熱速度5~10°C /分鐘加熱至400~600°C并保溫0.5~8小時，加熱的同時保持混合物不斷振動或滾動，反應完成后將混合物冷卻至室溫，取出鐵合金基體，清洗干凈，即在鐵合金基體表面得到彌散氧化物鐵鋁合金涂層。
2.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述純鋁粉的粒度為10~60微米，純度為鋁≥99.5wt%。
3.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述超細稀土氧化物包括氧化釔、氧化鉿或氧化鈰中的一種或幾種任意比例混合物，尺寸為20~100納米。
4.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中的球墨為干磨或濕磨，濕磨是將純鋁粉和超細稀土氧化物粉末至于乙醇或丙酮中球墨，然后干燥即可；球墨時球磨機的均轉速為60~600轉/分鐘,處理時間均為I~6小時。
5.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述鐵合金基體為需要制備彌散氧化物鐵鋁合金涂層的鐵合金試樣或零件，鐵合金基體為工業用鋼鐵材料。
6.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述金屬球直徑為I~4毫米。
7.根據權利要求1所述的彌散氧化物鐵鋁合金涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)的混合物在加熱的時候是按照頻率為20~50次/秒、振動幅度為10~20毫米振動的，滾動的速度為I~10轉/分鐘。
【文檔編號】C23C10/50GK103526155SQ201310471910
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】詹肇麟, 劉忠, 王虎, 吳云霞, 劉建雄 申請人:昆明理工大學