一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发明属于表面改性领域,涉及一种基于等离子熔覆技术制备氧化锆与镍基粉末复合材料涂层的方法。
【背景技术】
[0002]传统的表面改性技术主要包括:堆焊、熔覆、热喷涂和电刷镀技术等,和其他表面改性技术不同,等离子熔覆技术作为一种全新的表面改性技术有着其独有的优点,该技术粉末成分可调节性好,熔覆过程中合金粉末的分布均匀,熔覆层组织致密切细小,组织缺陷较少,和基体结合强度高,此外,其工艺过程简单,污染少,成本低,设备成本仅为激光熔覆的1/5,有研宄表明,等离子熔覆生产效率约为激光熔覆的6-10倍,粉末利用率为激光熔覆的2-3倍,对工作环境要求不高,既可以用于传统材料的表面改性,提升材料的综合性能,又可以用于表面失效零件的修复工作,使得其在电力、煤炭、冶金、机械等诸多领域有着广阔的应用前景。
[0003]等离子熔覆粉末的添加主要有两种方式:预置粉末法和同步送粉法。预置粉末法是用有机溶剂与粉末混合,调成粘稠状,涂覆在待熔基体上,经过烘干后在等离子束热源作用下使预置粉末熔化,冷却后在基体表面形成冶金涂层。同步送粉是通过送粉器将熔覆粉末通过送粉渠道送入熔池中,送粉与熔覆是同步进行。两种方法中,同步送粉的效率较高,预置法难以做到预置层厚度均匀,粘结剂挥发易造成粉末飞剑,甚至形成气孔,影响涂层性會K。
[0004]等离子熔覆粉末主要可以分为自熔性合金粉末和复合粉末两类。自熔性合金粉末是自身能起到熔剂作用的合金,即在熔覆过程中其本身具有脱氧及造渣功能,硼和硅多用于此处。目前国内外主要自熔性合金粉末有铁基、钴基、镍基三大类。铁基自熔性合金分有两种类型:一种是奥氏体不锈钢自熔性合金。其熔层组织由奥氏体和多种碳化物、硼化物等构成。恪覆层有较好的耐磨、耐磨蚀性能,比奥氏体不锈钢(lCrl8Ni9Ti, 2Crl3)耐磨性能优良,加工性能较好。另一种是高碳高铬型自熔性合金,含有较高的碳和铬,经过共晶生铁,熔覆层组织中有较多的碳化物、硼化物,硬度、耐磨性很好,并耐腐蚀,但加工性能较差;镍基自熔性合金末可分为N1-B-Si和N1-Cr-B-Si两个系列:一种是N1-B-Si合金,熔覆层的组织由N1-Si固溶体(Y相)和弥散分布各种硼化物(Y’相)以及Y — Y’共晶相组成。该合金硬度较低,韧性好,抗高温、耐磨、耐腐蚀性能好,易于机械加工。另一种是N1-Cr-B-Si自熔性合金,其熔覆层的金相组织较复杂。由镍一铬固溶体、镍的硼化物、铬的硼化物等Y ‘相和铬的碳化物、硼的碳化物、钨的碳化物等硬质相组成。这类合金在500°C时仍有较高的硬度、耐磨、耐蚀性能好,是采用激光熔覆工艺时常用的粉末材料;钴基自熔性合金粉末它是以Co为基本成分,加入Cr, C以及Mo等元素组成的合金。Cr元素能固溶在Co的面心立方晶体中,对晶体既起固溶作用,又起钝化作用。提高耐蚀性能和抗高温氧化性能,富余的Cr与C,B形成碳化络和硼化络硬质相,提高合金硬度和耐磨性。Cr, Mo, W等元素的加入具有提高耐磨性的功能。Mo,W固溶在Co基体中,能使晶格发生大的畸变,显著强化合金基体,提高基体的高温强度和红硬性。过量的W还能与碳形成碳化钨硬质相,提高耐磨性。钴基的合金的熔覆层组织为C0-Cr的Y相固溶体,弥散析出的铬和钨的碳化物和硼化物。具有耐热、耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等优越性能。一般在600°C以上的使用温度仍具有很尚的红硬性。
[0005]氧化锆陶瓷具有高熔点、低的导热系数、耐高温氧化和高抗热冲击性能,氧化锆的耐高温性能突出,并具有良好的化学稳定性和姣好的耐磨性,其涂层常常用于发动机高温部件中,而氧化锆多用于热喷涂涂层,在等离子熔覆层中应用较少,其优异的高温性能完全可以在熔覆层中得到应用。
[0006]氧化锆纤维是一种多晶型的陶瓷纤维材料,晶粒尺寸在1-1O2纳米范围内,纤维直径1-50 μ m。氧化锆纤维本身是由大量氧化锆晶粒堆积排列而成的,因此它与氧化锆颗粒一样,从室温到高温具有三种不同的晶态。氧化锆纤维有长纤维和短纤维两种,短纤维长度一般可以从微米级变化到厘米级尺寸,而长纤维的长度为大于Im的连续纤维。氧化锆纤维继承了氧化锆陶瓷的优秀特性,高强度、高韧性、抗氧化好,而且目前纤维本身的抗拉强度已经可以达到2.6GPa以上,最高使用温度可达2200°C。
[0007]氧化锆纤维加入镍基涂层中具有增韧效果,纤维增韧的机制主要包括裂纹弯曲和偏转、纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥接,其中纤维桥接为纤维增韧的主要机制,当裂纹扩展到纤维处,裂纹不能穿过纤维继续扩展,纤维链接裂纹两侧,起到桥梁作用阻碍裂纹扩展,因而在断裂过程中吸收了更多的能量,即变现处较高的韧性。由于自身的快冷特点,等离子熔覆层的硬度、耐磨性已经足够高,但是其韧性较差,纤维增韧在其他方向已有应用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决上述存在的问题,针对等离子熔覆方法制备复合材料,提出了在镍基粉末中加入氧化锆纤维的复合材料制备的工艺方法。
[0009]本发明的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,它包括以下步骤:
[0010]步骤一:选择FV520b作为熔覆基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质;
[0011]步骤二:在镍基粉末中加入质量分数5%氧化锆纤维,使用球磨机混合;
[0012]步骤三:将步骤二球磨后的混合粉末放入干燥箱在温度为200°C、干燥2h ;
[0013]步骤四:将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。
[0014]本发明包含以下有益效果:
[0015](I)使用Ni60自熔性合金粉末,自熔性合金粉末中B、Si等造渣剂的存在抑制了熔覆层的气孔倾向,改善熔覆层的组织性能,此外,Ni60涂层具有良好的润湿性、耐蚀性、耐磨性,可以得到性能优异的熔覆层。
[0016](2)由于等离子熔覆快速加热快速冷却的
特点,使其硬度、耐磨性都足够优异,同时也导致其脆性增大,加入氧化锆纤维后形成复合材料涂层,氧化锆纤维在复合涂层中具有一定的增韧效果,从而实现熔覆层的强韧性匹配。
[0017](3)等离子熔覆氧化锆纤维与镍基复合材料涂层,是一种新的工艺方法。
【附图说明】
[0018]图1为熔覆层形貌图;
[0019]图2为氧化锆纤维的SEM ;
[0020]图3为本发明实例I的SEM ;
[0021]图4为本发明实例2的SEM。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一:本实施方式的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,它包括以下步骤:
[0023]步骤一:选择FV520b作为熔覆基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质;
[0024]步骤二:在镍基粉末中加入质量分数5%氧化锆纤维,使用球磨机混合;
[0025]步骤三:将步骤二球磨后的混合粉末放入干燥箱在温度为200°C、干燥2h ;
[0026]步骤四:将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。
[0027]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:等离子熔覆的条件为:电流为90-100A,自动提升6-7mm,熔覆速度为3-4mm/s,送粉量为5.5-7.0g/min。其它与【具体实施方式】一相同。
[0028]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:等离子熔覆的条件为:电流为100A,自动提升6mm,熔覆速度为3mm/s,送粉量为6.5g/min。其它与【具体实施方式】一相同。
[0029]本
【发明内容】
不仅限于上述各实施方式的内容,其中一个或几个【具体实施方式】的组合同样也可以实现发明的目的。
[0030]通过以下实施例验证本发明的有益效果:
[0031]实施例1
[0032]本实施例的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,它包括以下步骤:
[0033](I)选择FV520b作为熔覆的基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质;
[0034](2)在镍基粉末中加入质量分数5%氧化锆纤维,使用球磨机混合;
[0035](3)将球磨后的混合粉末放入干燥箱在温度为200°C、干燥2h ;
[0036](4)将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。
[0037]本实施例的熔覆层形貌如图1所示,图3为涂层截面SEM。图2为氧化锆纤维的SEM0
[0038]实施例2
[0039]本实施例的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,它包括以下步骤:
[0040](I)选择FV520b作为熔覆的基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质;
[0041](2)将球磨后的混合粉末放入干燥箱在温度为200°C、干燥2h ;
[0042](3)将混合后的粉末放入干燥箱进行干燥处理,干燥温度为200 °C,干燥时间2h ;
[0043](4)将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。
[0044]本实施例的熔覆层形貌如图1所示,图4为涂层断口 SEM。图2为氧化锆纤维的SEM0
【主权项】
1.一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,其特征在于它包括以下步骤: 步骤一:选择FV520b作为熔覆基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质; 步骤二:在镍基粉末中加入质量分数5%氧化锆纤维,使用球磨机混合; 步骤三:将步骤二球磨后的混合粉末放入干燥箱在温度为200°C、干燥2h ;步骤四:将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。2.根据权利要求1所述的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,其特征在于等离子熔覆的条件为:电流为90-100A,自动提升6-7mm,熔覆速度为3-4mm/s,送粉量为 5.5-7.0g/min。3.根据权利要求2所述的一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,其特征在于等离子恪覆的条件为:电流为100A,自动提升6mm,恪覆速度为3mm/s,送粉量为6.5g/min0
【专利摘要】一种等离子熔覆镍基/氧化锆纤维复合材料的制备方法,它涉及一种基于等离子熔覆技术制备氧化锆与镍基粉末复合材料涂层的方法。它包括以下步骤:步骤一:选择FV520b作为熔覆的基体,使用砂轮机打磨掉基体表面氧化层,再用超声波清洗,除去表面油污及杂质;步骤二:量取镍基粉末和氧化锆纤维,按比例使用球磨机混合;步骤三:干燥箱进行干燥,温度为200℃,时间2h。步骤四:将步骤三干燥后的混合粉末置入等离子熔覆送粉装置,进行等离子熔覆,等离子熔覆的条件为:电流为80-100A,自动提升6-8mm,熔覆速度为3-5mm/s,送粉量为5.5-7.5g/min,保护气为氩气。
【IPC分类】C23C4/06, C23C4/12
【公开号】CN104894502
【申请号】CN201510305782
【发明人】金国, 李洋, 崔秀芳, 范阳, 高宗鸿
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日