一种新型复合热喷涂粉末及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型复合热喷涂粉末及制备方法，所述粉末中所包含的主要成分为：2～7wt.％的铝Al、40～75wt.％的铬Cr、0.1～0.3wt.％的硼B、3～8wt.％的碳C、余量为镍Ni；且所述粉末的粒度为：5～125μm，主体粒度为15～75μm；所述主体粒度指该粒度范围内粉末占60％以上。该粉末球形度高、成分均匀、氧含量低，制备流程可控，粉末中碳化铬含量高，且以原位自生方式呈长条状析出。
【专利说明】
一种新型复合热喷涂粉末及制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及粉体加工和金属涂层材料技术领域，尤其涉及一种新型复合热喷涂粉 末及制备方法。
【背景技术】
[0002] 现代工业零部件的失效往往发生在零部件的使用表面，因此，采用先进的表面处 理技术(如热喷涂)在零部件表面制备关键涂层或对失效表面进行涂层修复，将在很大程度 上满足零部件对不同工况的使用要求，提高零部件的使用寿命。但随着现代制造业的进一 步发展，工业零部件的应用工况也日益苛刻，采用单一结构的金属或合金材料所制备的涂 层已很难满足日益复杂的耐磨耐蚀需求。采用陶瓷相对金属相进行强化的陶瓷-金属复合 材料因同时复合了陶瓷相高硬度、高熔点、抗腐蚀的和金属相高韧性、易加工的的特点，因 此被广泛应用于汽车(如活塞环）、航空航天(如飞机起落架）、冶金(如沉没辊)和造纸(如瓦 楞辊)等对表面耐磨耐蚀有较高要求的工业或民用构件中。常用的陶瓷增强金属复合材料 有WC-Co，Cr 3C2-NiCr等，但由于WC类陶瓷在550 °C以上工况条件会氧化分解，无法用于中高 温场合，而O3C2虽然在800 °C以下能够保持性能稳定，但金属相NiCr的性能却会随着温度升 高而明显下降。因此，针对目前部分零部件，如大型重载船用柴油发动机的曲轴、排气阀、活 塞环等在中高温条件下对耐磨耐蚀性能的需求，亟需制备出一种新型的金属-陶瓷复合材 料及相应涂层来满足其使用要求，提高其使用寿命。
[0003] 现有技术在制备陶瓷增强金属复合涂层所采用的复合粉末中，陶瓷相往往采用外 添加方式加入，一般直接将陶瓷颗粒和金属颗粒混合或将两者混合后进行团聚烧结，这类 陶瓷相外添加的复合粉末成分不均匀，陶瓷相和金属相之间的结合较差，陶瓷相容易在喷 涂过程中飞散或降解，造成喷涂沉积率低、涂层性能差等问题。并且，由于外添加的陶瓷相 往往采用具有多边棱角的陶瓷颗粒，沉积到涂层中在后续磨损过程中往往容易造成对磨材 料的过度磨损。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种新型复合热喷涂粉末及制备方法，该粉末球形度高、成 分均匀、氧含量低，制备流程可控，粉末中碳化铬含量高，且以原位自生方式呈长条状析出。
[0005] -种新型复合热喷涂粉末，所述粉末中所包含的主要成分为：
[0006] 2~7wt. % 的铝Al、40~75wt. % 的铬Cr、0.1 ~0.3wt·% 的硼B、3~8wt. % 的碳C、 余量为镍Ni;
[0007] 且所述粉末的粒度为:5~125μπι，主体粒度为15~75μπι;所述主体粒度指该粒度范 围内粉末占60%以上。
[0008] -种新型复合热喷涂粉末的制备方法，所述制备方法包括：
[0009] 首先按设定的质量比提取原料;其中，所提取的原料中包含:2~7wt. %的铝Al、40 ~75wt. %的络Cr、0.1~0.3wt. %的硼Β、3~8wt. %的碳C、余量为镍Ni;
[0010] 将所提取的原料放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化的方式 获得碳化铬原位自生增强的Ni3Al基合金粉末；
[0011] 对所得到的合金粉末进行震动筛分或气流分级处理，制备得到碳化铬原位自生增 强Ni3Al基合金的热喷涂粉末。
[0012] 所获得的原位自生碳化铬的含量为35~85vol. % ;
[0013] 且结构为Cr7C3、Cr3C2、Cr23C6中的一种或几种复合而成，形状为长条状。
[0014] 所述原料中的硼为镍硼合金、铬硼合金或两者的混合物;且合金中硼的含量为18 ~21wt · % 〇
[0015] 所述真空感应熔炼-惰性气体雾化的方式具体为：
[0016] 首先利用中频感应炉对原料进行加热精炼，炉内真空度彡10Pa，升温速率为5~20 °C/min，待升温至1360°C后将升温速率降至5~10°C/min，并持续加热至1600°C~1700°C， 随后进行保温处理，保温时间为30~90min，在保温过程中同时进行电磁搅拌，电磁搅拌器 频率3000~5000Hz，待原料合金液均匀后经中间包和漏嘴进入雾化罐中；
[0017]然后采用惰性气体雾化的方式使合金液雾化凝固，同时使碳化铬原位自生析出， 获得碳化铬原位自生增强的Nl3Al基合金粉末。
[0018] 所述漏嘴的直径为2~8mm，所采用的惰性雾化气体为氩气或氮气；
[0019] 雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化锥角为40~80°，雾化压力为2.5~5MPa。
[0020] 所述方法还包括：
[0021] 进一步采用所得到的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的热喷涂粉末来制备复合 涂层，所采用的热喷涂方法包括但不限于等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺，其中： [0022] 在等离子喷涂工艺中：喷涂功率30~50Kw，氩气流量35~501/min，氢气流量5~ 91/111；[11，送粉率30~65〖/111；[11，喷涂距离100~140111111;
[0023] 在超音速火焰喷涂工艺中：煤油流量22~301/h，氧气流量800~10001/h，送粉率 45 ~80g/min，喷涂距离 350 ~400mm。
[0024] 所制备的复合涂层的厚度为0.1~1mm，显微硬度范围为Hvo.3500~Hvo.31100,结合 强度范围为30~85MPa。
[0025] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，该粉末的球形度高、成分均匀、氧含量 低，制备流程可控，粉末中碳化铬含量高，且以原位自生方式呈长条状析出；并能使得制备 出的涂层结合优良，在25°C~700°C范围内具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性好、耐腐蚀抗冲 蚀性能优良等特点。
【附图说明】
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0027] 图1为本发明实施例所提供新型复合热喷涂粉末的制备方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0029] 本发明实施例提供了一种新型复合热喷涂粉末，该粉末中所包含的主要成分为：
[0030] 2~7wt. % 的铝Al、40~75wt. % 的铬Cr、0.1 ~0.3wt·% 的硼B、3~8wt. % 的碳C、 余量为镍Ni;
[0031] 且所述粉末的粒度为：5~125μπι，主体粒度为15~75μπι;这里，主体粒度是指该粒 度范围内粉末占60%以上。
[0032] 本发明实施例还提供了一种新型复合热喷涂粉末的制备方法，如图1所示为本发 明实施例所提供制备方法的流程示意图，所述制备方法包括：
[0033] 步骤11:首先按设定的质量比提取原料；
[0034] 在该步骤中，所提取的原料中包含:2~7wt·%的铝Al、40~75wt·%的铬Cr、0.1~ 0.3wt. %的硼B、3~8wt. %的碳C、余量为镍Ni;
[0035] 所述原料中的硼为镍硼合金、铬硼合金或两者的混合物;且合金中硼的含量为18 ~21wt · % 〇
[0036] 步骤12:将所提取的原料放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化 的方式获得碳化铬原位自生增强的Ni3Al基合金粉末；
[0037]在该步骤中，所获得的原位自生碳化铬的含量为35~85vol. % ;且结构为Cr7C3、 Cr3C2、Cr23C6中的一种或几种复合而成，形状为长条状。
[0038]这里，上述真空感应熔炼-惰性气体雾化的方式具体为：
[0039]首先利用中频感应炉对原料进行加热精炼，炉内真空度< 10Pa，升温速率为5~20 °C/min，待升温至1360°C后将升温速率降至5~10°C/min，并持续加热至1600°C~1700°C， 随后进行保温处理，保温时间为30~90min，在保温过程中同时进行电磁搅拌，电磁搅拌器 频率3000~5000Hz，待原料合金液均匀后经中间包和漏嘴进入雾化罐中；
[0040] 然后采用惰性气体雾化的方式使合金液雾化凝固，同时使碳化铬原位自生析出， 获得碳化铬原位自生增强的Nl3Al基合金粉末。
[0041] 具体实现过程中，上述漏嘴的直径可以为2~8mm，所采用的惰性雾化气体可以为 氩气或氮气;雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化锥角为40~80°，雾化压力为2.5~5MPa。
[0042] 步骤13:对所得到的合金粉末进行震动筛分或气流分级处理，制备得到碳化铬原 位自生增强Ni3Al基合金的热喷涂粉末。
[0043]另外，在得到上述碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的热喷涂粉末之后，进一步还 可以采用所得到的热喷涂粉末来制备复合涂层，所采用的热喷涂方法包括但不限于等离子 喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺，其中：
[0044] 在等离子喷涂工艺中：喷涂功率30~50Kw，氩气流量35~501/min，氢气流量5~ 91/111；[11，送粉率30~65〖/111；[11，喷涂距离100~140111111;
[0045] 在超音速火焰喷涂工艺中：煤油流量22~301/h，氧气流量800~10001/h，送粉率 45 ~80g/min，喷涂距离 350 ~400mm。
[0046] 最终所得到的复合涂层的厚度可以为0.1~1mm，显微硬度范围可以为Hvq.3500~ Hv〇.31100,结合强度范围可以为30~85MPa。
[0047]下面结合具体实例对上述热喷涂粉末和复合涂层的制备过程进行详细描述：
[0048] 实例1、首先按以下质量比取原料，铝A1 :5.2wt. %，铬Cr:55.3wt. %，硼B: 0.21 wt. %，碳C: 5. Owt. %，镍Ni :余量;并向真空熔炼坩埚中依次放入镍板、镍硼合金块、铬 块、石墨块。
[0049] 然后采用中频感应炉对原料进行加热精炼，炉内真空度9.6Pa，升温速率为15 °C / min，升温至1360°C后将升温速率降至7°C/min，并持续加热至1650°C，随后进行保温处理， 保温时间为45min，电磁搅拌器频率4000Hz，期间分步加入铝块进行熔炼；
[0050] 所得到的合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行高压氩气雾化，漏嘴直径为 4mm，雾化锥角为60°，雾化压力为3.5MPa。对雾化后粉末进行气流分级处理，得到碳化铬原 位自生增强Ni 3Al基合金的新型复合热喷涂粉末，且该粉末的粒径分布为：10~105μπι。
[00511所得粉末球形度高，氧含量低，为400ppm，粉末内碳化铬为长条状，分布均匀，含量 为63vol · %。
[0052]进一步的，采用超音速火焰喷涂上述所制得的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金 的复合粉末，制备出碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的复合涂层，具体喷涂工艺参数为： 煤油流量261/h，氧气流量9001/h，送粉率50g/min，喷涂距离380mm。
[0053] 最终所制备的涂层组织均匀致密，涂层室温显微硬度为Hvo. 31011.1，结合强度 80 · 24MPa，700 °C 下显微硬度 Ηνι755 · 6。
[0054] 实例2、首先按以下质量比取原料，铝A1 :3.8wt. %，铬Cr:66.8wt. %，硼Β: 0.23wt. %，碳C: 6. Owt. %，镍Ni :余量;并向真空熔炼坩埚中依次放入镍板、镍硼合金块、铬 块、石墨块。
[0055] 然后采用中频感应炉对原料进行加热精炼，炉内真空度9.7Pa，升温速率为15 °C/ min，升温至1360°C后将升温速率降至7°C/min，并持续加热至1670°C，保温时间20分钟，电 磁搅拌器频率5000Hz，期间分步加入铝块进行熔炼；
[0056] 所得到的合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行高压氩气雾化，漏嘴直径为 5mm，雾化锥角为65°，雾化压力为4.OMPa。对雾化后粉末进行震动过筛分级处理，得到碳化 铬原位自生增强Ni 3Al基合金的新型复合热喷涂粉末，且粉末粒径分布为：15~115μπι。
[0057] 所得粉末球形度高，氧含量低，为450ppm，粉末内碳化铬为长条状，分布均匀，含量 为76vol·%。
[0058]进一步的，采用超音速火焰喷涂上述所制得的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金 的复合粉末，制备出碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的复合涂层，具体喷涂工艺参数为： 煤油流量281/h，氧气流量9501/h，送粉率45g/min，喷涂距离370mm。
[0059] 最终所制备的涂层组织均匀致密，涂层室温显微硬度为Hvo. 31031.4,结合强度 79 · 76MPa，700 °C 下显微硬度 Ηνι799 · 6。
[0060] 如下表1所示为实例1、2所制备的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的新型复合涂 层与现有商用Cr 3C2-NiCr涂层在25~700°C范围内显微硬度(HV1)对比：
[0061] 表 1
[00621
[0063] 如下表2所示为实例1、2所制备的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的新型复合涂 层与现有商用Cr 3C2-NiCr涂层在摩擦系数和耐磨性(包括自身磨损量和对磨件的磨损量)方 面的对比：
[0064] 表 2
[0065]
[0066] 其中，摩擦磨损测试采用德国SRy' IV高温往复式摩擦磨损试验机，涂层为恒动上 试样，对磨件为静止下试样，试验载荷为100N，频率为50Hz，冲程为2mm，磨损时间为30min， 温度分别为常温，300°C，600°C。常温和300°C测试对磨件为灰铸铁，600°C测试对磨件为304 不锈钢。
[0067]由上述对比可知:这种涂层的显微硬度范围为Hvo.3500~Hvo.31100,结合强度范围 为30~85MPa，具有优良的减摩、耐磨、耐蚀和抗冲刷性能，可用于25~800°C范围内减摩、耐 磨、耐蚀、抗冲刷等场合。
[0068] 综上所述，本发明实施例所述粉末的球形度高、成分均匀、氧含量低，制备流程可 控，粉末中碳化铬含量高，且以原位自生方式呈长条状析出；并能使得制备出的涂层结合优 良，在25°C~700°C范围内具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性好、耐腐蚀抗冲蚀性能优良等特 点。
[0069] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种新型复合热喷涂粉末，其特征在于，所述粉末中所包含的主要成分为： 2~7wt · %的错Al、40~75wt · %的络Cr、0 · 1~O · 3wt · %的硼B、3~8wt · %的碳C、余量 为镍Ni; 且所述粉末的粒度为:5~125μπι，主体粒度为15~75μπι;所述主体粒度指该粒度范围内 粉末占60%以上。2. -种新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括： 首先按设定的质量比提取原料；其中，所提取的原料中包含：2~7wt. %的铝Al、40~ 75wt. %的络Cr、0.1~0.3wt. %的硼B、3~8wt. %的碳C、余量为镍Ni; 将所提取的原料放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化的方式获得 碳化铬原位自生增强的Ni3Al基合金粉末； 对所得到的合金粉末进行震动筛分或气流分级处理，制备得到碳化铬原位自生增强 Ni3Al基合金的热喷涂粉末。3. 如权利要求2所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于， 所获得的原位自生碳化铬的含量为35~85vol. % ; 且结构为Cr7C3、Cr3C2、Cr23C6中的一种或几种复合而成，形状为长条状。4. 如权利要求2所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于， 所述原料中的硼为镍硼合金、铬硼合金或两者的混合物；且合金中硼的含量为18~ 21wt · % 〇5. 如权利要求2所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于，所述真空感应熔 炼-惰性气体雾化的方式具体为： 首先利用中频感应炉对原料进行加热精炼，炉内真空度< IOPa，升温速率为5~20 °C/ min，待升温至1360°C后将升温速率降至5~10°C/min，并持续加热至1600°C~1700°C，随后 进行保温处理，保温时间为30~90min，在保温过程中同时进行电磁搅拌，电磁搅拌器频率 3000~5000Hz，待原料合金液均匀后经中间包和漏嘴进入雾化罐中； 然后采用惰性气体雾化的方式使合金液雾化凝固，同时使碳化铬原位自生析出，获得 碳化铬原位自生增强的Ni3Al基合金粉末。6. 如权利要求5所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于， 所述漏嘴的直径为2~8mm，所采用的惰性雾化气体为氩气或氮气； 雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化锥角为40~80°，雾化压力为2.5~5MPa。7. 如权利要求2所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于，所述方法还包括： 进一步采用所得到的碳化铬原位自生增强Ni3Al基合金的热喷涂粉末来制备复合涂层， 所采用的热喷涂方法包括但不限于等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺，其中： 在等离子喷涂工艺中：喷涂功率30~50Kw，氩气流量35~501/min，氢气流量5~91/ min，送粉率30~65g/min，喷涂距离100~140mm; 在超音速火焰喷涂工艺中：煤油流量22~301/h，氧气流量800~10001/h，送粉率45~ 80g/min，喷涂距离 350 ~400mm。8. 如权利要求7所述新型复合热喷涂粉末的制备方法，其特征在于， 所制备的复合涂层的厚度为0.1~1mm，显微硬度范围为HVq.3500~HVq. 31100,结合强度 范围为30~85MPa。
【文档编号】B22F1/00GK105908018SQ201610319105
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】祝弘滨, 于月光, 沈婕, 高峰, 马尧, 李长海
【申请人】北京矿冶研究总院