专利名称：一种提高真空等离子喷涂碳化硼涂层结合强度的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高真空等离子喷涂碳化硼涂层结合强度的方法，属于抗核辐照和耐磨涂层材料领域。
背景技术：
碳化硼(B4C)是一种共价键极强的非氧化物陶瓷，具有高熔点、低密度、高硬度、高弹性模量等特性，可用作耐磨材料和抗核辐照材料。在不锈钢、低合金钢等基材表面沉积B4C涂层，可以将金属基材良好的机械性能和可加工性能与涂层良好的耐磨和抗核辐照性能结合在一起。制备B4C涂层主要的方法有化学气相沉积(CVD)、反应-烧结和等离子喷涂等。其中等离子喷涂由于具有射流温度高、涂层厚度可控、结合强度高以及操作方便等特点，被认为是制备B4C涂层的有效方法[1.Bianchi L，Brelivet P，Freslon A.Plasma sprayed boron carbide coatings as first wall materials for laser fusiontarget chamber.Proceedings of the 15thinternational thermal spray conference，25-29 May 1998，Nice，France，p945-950]。但是，由于B4C在喷涂过程中存在高温氧化和气化等问题，大气等离子喷涂不能制备出性能良好的B4C涂层。有人发展了一种特种保护技术[2.曾毅，张叶方，丁传贤.等离子喷涂碳化硼涂层热冲击性能研究.硅酸盐学报，1999，27(5)545-550]，在惰性气体保护下进行等离子喷涂，成功获得B4C涂层，但是涂层中仍然存在部分氧化产物。
真空等离子喷涂具有喷涂室气氛可控、射流速度快等特点。所制备的涂层含氧量低、成分与粉末较为接近。采用真空等离子喷涂方法，避免了在大气喷涂中的氧化现象，可以成功制备不含B2O3的B4C涂层。
但是，B4C涂层与不锈钢(或低合金钢)基材间的热膨胀系数存在明显差异。B4C线性热膨胀系数仅为5.2×10-6K-1，而不锈钢(或低合金钢)线性热膨胀系数较大，如304不锈钢达16.5×10-6K-1。涂层与基材之间的热膨胀系数失配，导致喷涂过程中热应力在二者界面处集中，影响涂层与基材的结合。有人采用镍铬中间层在不锈钢表面制备真空等离子喷涂B4C涂层，但由于镍铬层的热膨胀系数(约14×10-6K-1)与不锈钢基材比较接近，含有镍铬中间层的碳化硼涂层的结合强度仍然不够理想，仅为30-43Mpa[3.Doring J E，Vaben R，Linke J，et al.Properties of plasma sprayed boron carbideprotective coatings for the first wall in fusion experiments.Journal of NuclearMaterials，2002，307-311121-125]。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高真空等离子喷涂B4C涂层结合强度的方法。本发明在不锈钢(或低合金钢)基材上制备B4C涂层时，采用Ti涂层作为中间层。
Ti的线性热膨胀系数为8.4×10-6K-1，介于B4C和不锈钢(或低合金钢)之间，而且与B4C比较接近。采用Ti层作为二者之间的中间层，可以缓和涂层与基材之间热膨胀系数失配问题，减少热应力，提高涂层的结合强度。同时，在真空等离子喷涂中，Ti涂层本身在不锈钢(或低合金钢)基材上的结合强度较高，这也为改善涂层与基材之间的结合提供了保证。
图1所示的示意图为本发明的构思。图中1为不锈钢(或低合金钢)基材，2为Ti中间层，3为B4C涂层。喷涂时，将不锈钢(或低合金钢)基材进行清洗、喷砂等预处理后，采用真空等离子喷涂一层Ti涂层，然后再进行B4C涂层的喷涂，即可获得含Ti中间层的B4C涂层。(喷涂参数详见表1)
本发明所述的不锈钢，如常用的304不锈钢、321不锈钢等；低合金钢，如16Mn钢、15MnV钢等。
本发明所述的不锈钢(或低合金钢)与B4C涂层间Ti中间层的厚度为30-100微米，B4C涂层厚度为200-500微米。喷涂时使用的Ti粉粒径为10-80微米，B4C粉末粒径为10-70微米。真空等离子喷涂工艺参数如表1所示。
本发明中所制备的B4C涂层由于制备工艺的控制，使之具有结合强度高的特点。其结合强度与没有Ti中间层的B4C涂层相比可提高40-60％。
表1真空等离子喷涂参数范围Ti中间层 B4C涂层①真空室压力/帕 10,000-30,000 40,000-90,000②喷涂气体氩气流量/升/分 35-50 30-42③喷涂气体氢气流量/升/分 8-15 8-17④喷涂距离/毫米 200-300120-250⑤送粉载气氩气流量/升/分 2-42-4⑥电流/安培 550-650550-650⑦电压/伏特 52-63 52-6
图1含Ti中间层的B4C涂层示意图图中1为不锈钢(或低合金钢)基材，2为Ti中间层，3为B4C涂层。
图2为实施例1所制备的含Ti中间层的B4C涂层结合强度图中左面方框为不含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围，右面方框为含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围。
图3含Ti中间层的B4C涂层截面金相照片图中1为不锈钢基材，2为Ti中间层，3为B4C涂层。
图4为实施例2所制备的含Ti中间层的B4C涂层结合强度图中左面方框为不含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围，右面方框为含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围。
图5为实施例3所制备的含Ti中间层的B4C涂层结合强度图中左面方框为不含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围，右面方框为含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围。
图6为实施例4所制备的含Ti中间层的B4C涂层结合强度图中左面方框为不含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围，右面方框为含Ti中间层的B4C涂层的结合强度范围。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的特点和效果。绝非限制本发明。
实施例1采用粒径为10-80微米的Ti粉末和10-70微米的B4C粉末作为喷涂粉末。以经过乙醇超声清洗、刚玉砂喷砂处理的304不锈钢作为基材。将真空室的真空度降至0.05mbar以下后，充保护气体Ar气至一定的压力。在表2所示的喷涂参数下，应用瑞士Sulzer Metco公司的真空等离子喷涂系统先将Ti涂层喷涂于不锈钢基材上，然后再喷涂B4C涂层。为了比较本发明的效果，同时制备了不含Ti中间过渡层的B4C涂层。应用ASTMC-633方法测定了涂层的结合强度，结果见图2。从图中可见，在增加了Ti中间层后，B4C涂层的平均结合强度从32MPa增大到50MPa。图3为含Ti中间层的B4C涂层截面金相照片。图3显示，Ti中间层与B4C层和不锈钢基材之间的结合均良好。
表2真空等离子喷涂参数Ti中间层B4C涂层真空室压力/帕10,000 50,000喷涂气体氩气流量/升/分 40 38喷涂气体氢气流量/升/分 10 10喷涂距离/毫米300 200送粉载气氩气流量/升/分 2 3电流/安培600 600电压/伏特56 57涂层厚度/微米50 400实施例2采用与实施例1相同粒径的Ti和B4C粉末作为喷涂粉末。在表3所示的喷涂参数下，于304不锈钢基材上制备B4C涂层。涂层的结合强度见图4。从图中可见，在增加了Ti中间层后，B4C涂层的平均结合强度从39MPa增大到55MPa。
表3真空等离子喷涂参数Ti中间层B4C涂层真空室压力/帕 10,000 80,000喷涂气体氩气流量/升/分38 32喷涂气体氢气流量/升/分12 15喷涂距离/毫米 270 170送粉载气氩气流量/升/分2 3电流/安培 650 650电压/伏特 58 60涂层厚度/微米 80 400实施例3采用与实施例1相同粒径的Ti和B4C粉末作为喷涂粉末。在与实施例1相同的喷涂参数下，于16Mn钢基材上制备B4C涂层。涂层的结合强度见图5。从图中可见，在增加了Ti中间层后，B4C涂层的平均结合强度从33MPa增大到49MPa。
实施例4采用与实施例1相同粒径的Ti和B4C粉末作为喷涂粉末。在与实施例2相同的喷涂参数下，于16Mn钢基材上制备B4C涂层。涂层的结合强度见图6。从图中可见，在增加了Ti中间层后，B4C涂层的平均结合强度从37MPa增大到54MPa。
权利要求
1.一种提高真空等离子喷涂B4C涂层结合强度的方法，其特征在于在B4C涂层与不锈钢或低合金钢基材间采用Ti涂层作为中间层。
2.按权利要求1所述的提高真空等离子喷涂B4C涂层结合强度的方法，其特征在于所述的Ti中间层的厚度为30-100微米，B4C涂层的厚度为200-500微米。
3.按权利要求1或2所述的提高真空等离子喷涂B4C涂层结合强度的方法，其特征在于所述真空等离子喷涂Ti中间层的工艺参数是真空室压力10000-30000帕；喷涂气体氩气流量35-50升/分，喷涂气体氢气流量8-15升/分，喷涂距离200-300毫米，送粉载气氩气流量2-4升/分；所使用的Ti粉末粒径为10-80微米。
4.按权利要求1或2所述的提高真空等离子喷涂B4C涂层结合强度的方法，其特征在于所述真空等离子喷涂B4C涂层的工艺参数是真空室压力为40000-90000帕；喷涂气体氩气流量30-42升/分，喷涂气体氢气流量8-17升/分，喷涂距离120-250mm，送粉载气氩气流量为2-4升/分；所使用的B4C粉末粒径为10-70微米。
全文摘要
本发明涉及一种提高真空等离子喷涂碳化硼涂层结合强度的方法。其特征在于B
文档编号C23C24/00GK1651603SQ20051002389
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月6日 优先权日2005年2月6日
发明者郑学斌, 季珩, 黄静琪, 丁传贤 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所