CN102581292A - 一种用于热喷涂活塞环涂层的含TiB2金属陶瓷复合粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于热喷涂活塞环涂层的含TiB2金属陶瓷复合粉末的制备方法，属于复合粉体技术领域。首先通过球磨方法将25～75wt.％TiB2粉末、25～10wt.％NiCr合金粉末、50～15wt.％Mo金属粉末混合湿磨成小于3微米粒度的混合粉。然后将混合粉与粘结剂PVA、分散剂及去离子水按比例混合制成料浆，通过喷雾干燥设备在150～250℃干燥温度、140～190Hz雾化盘频率范围内对上述料浆进行喷雾造粒；最后通过热处理和等离子球化技术对粉末进行致密化处理。本发明制备的复合粉末粒度分布均匀，球形度、致密度及流动性好，可提高TiB2沉积效率，制备出具有优良耐磨性能的金属陶瓷涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于热喷涂活塞环涂层的含TiB2金属陶瓷复合粉末的制备方法，属于复合粉体技术领域。
背景技术
金属陶瓷复合涂层是一种由高硬度、高耐磨性的陶瓷相和高韧性的金属基体组成的复合涂层，这种涂层被广泛应用于汽车(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)等对表面耐磨和强韧性有较高要求的工业或民用构件的制造和修复中。常规的金属陶瓷复合涂层材料如WC-Co，Cr3C2-NiCr等由于价格昂贵，密度大等原因近年来在汽车及航空航天等行业的应用前景逐渐黯淡。
TiB2具有高硬度，高化学稳定性，低摩擦系数，低密度等诸多特点，其与金属复合并通过热喷涂制备的金属陶瓷复合涂层是继WC-Co，Cr3C2-NiCr等体系之后极有希望在耐磨领域，尤其是高温耐磨领域(如活塞环表面)应用的新型金属陶瓷复合涂层材料体系。
研究表明，NiCr合金与TiB2润湿性最好，且NiCr合金具有很好的防氧抗蚀性能，是与TiB2匹配的最佳金属相，而Mo金属可进一步提高含TiB2金属陶瓷复合涂层的断裂韧性和抗擦伤性能。不同配比的含TiB2金属陶瓷复合粉末可以满足热喷涂活塞环表面涂层多种摩擦磨损性能的要求。
如今用于制备含TiB2金属陶瓷复合涂层的复合粉末都是采用机械合金化方法或自蔓延高温合成(SHS)方法制备，粉末形状不规则，流动性差，很难达到热喷涂工艺要求。经对现有技术的文献检索发现，在中国专利公开号为CN101280129A的文献中，公开了一种针对金属钛，钴和碳化硼混合热喷涂粉末的制备方法，采用喷雾干燥方法对混合粉末进行喷雾造粒，造粒后进行粉末热处理，最后筛分得到球形或近球形的团聚型复合粉末。虽然采用这种方法制备的粉末具有较好的流动性，能够满足热喷涂需要，但是这种团聚型粉末孔隙较多，不够密实，对于密度较小的金属陶瓷复合粉末(如含TiB2的金属陶瓷复合粉末)，在喷涂过程中粉末容易“发飘”，得到的涂层致密度不高。
本发明方法制备的含TiB2金属陶瓷复合团聚型热喷涂粉末可克服国内外此类粉末形状不规则，流动性差的缺点，并可进一步提高粉末致密化程度和松装密度，从而制备出优异耐磨性能的含TiB2金属陶瓷复合涂层。
发明内容
本发明目的是针对现有纯TiB2粉末材料颗粒尺寸小，密度小，脆性大，难以直接用于热喷涂制备涂层的现状，提供一种TiB2与多种金属或合金复合的团聚型热喷涂粉末制备方法，实现多种金属或合金与TiB2的复合，并通过热处理后等离子球化的方法使复合粉末球形度好，致密度高，流动性好，松装密度高，粒度分布均匀，能适用于热喷涂并可提高TiB2沉积率和涂层耐磨性。
本发明一种用于热喷涂活塞环涂层的含TiB2金属陶瓷复合粉末的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)首先根据热喷涂复合粉末成份要求，将TiB2粉、NiCr粉和Mo粉加入球磨罐内，其中TiB2粉末25～75wt.％、NiCr合金粉末25～10wt.％、Mo粉50～15wt.％，同时加入无水乙醇进行混合球磨，抑制TiB2球磨氧化，并使金属相与TiB2复合均匀，混合粉粒度小于3微米，将湿磨好的粉末烘干，过筛分散后留用；
(2)将上述过筛后的混合粉末与聚乙烯醇(PVA)、分散剂及去离子水按一定比例混合制成料浆，其中混合粉末质量为料浆总质量的35～55％，PVA质量为混合粉质量的1％～5％，分散剂质量为混合粉质量的0.3～1.5％，制浆的具体步骤包括：首先将混合粉末投入去离子水中充分搅拌并加热至75℃～85℃之后加入分散剂，持续搅拌10～15分钟后加入已溶好的PVA水溶液，并持续搅拌使各成分分散均匀，若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂，得到含TiB2的金属陶瓷复合粉末料浆；
(3)利用喷雾干燥设备对上述料浆进行喷雾干燥制粒，干燥设备进口温度为150～250℃，雾化盘频率为140～190Hz，得到喷雾干燥粉末；
(4)利用Ar气热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为400～700℃，保温时间为0.5-1.5小时；将热处理后的粉末通过等离子球化设备喷入去离子水中，等离子球化功率为10KW～20KW，最后将去离子水中的粉末烘干并进行过筛分级处理，最终得到粒径分布在65微米～85微米范围内的复合团聚粉末。
上述步骤(1)优选无水乙醇的用量为粉末总质量的100％～120％，球磨时间10～15小时。
上述步骤(1)优选TiB2粉粒度为1～3微米，NiCr粉粒度为20～30微米，Mo粉粒度为1～2微米。
上述步骤(2)中为了粉末的更好分散，根据粉末性质，分散剂优选自柠檬酸铵、聚乙二醇或聚丙烯酸铵中的一种或几种。
上述步骤(2)制浆的过程中，优选加入分散剂之后，直到复合粉末料浆制备完成，温度一直保持在75℃～85℃。
上述步骤(2)为了分散剂起到更好的分散作用，使料浆不絮凝，加入已溶好的PVA水溶液后调整PH值为8～11。
上述步骤(4)中的热处理温度优选500-600℃；等离子球化功率为12KW～16KW。
本发明方法的主要特点是：
进行后续致密化处理时，先利用Ar气氛热处理去除PVA、分散剂等有机物，再利用等离子球化快速使粉末致密化，并通过调控等离子球化参数，在使粉末快速致密化的同时，减少高温情况下TiB2与熔融金属(Ni，Cr，Mo)间的反应，保证粉末中的TiB2含量。通过合适参数下Ar气热处理和等离子球化处理，既可以降低粉末中TiB2与金属Ni，Cr，Mo反应生成的杂相(包括Ni3B，Cr2B，Mo2B)含量，又可制备出比普通烧结处理更致密，球形度，流动性更好，松装密度更高的含TiB2的金属陶瓷复合粉末，在满足热喷涂送粉需求的同时，解决由于粉末密度小产生的“发飘”现象，提高粉末沉积效率，制备具有优良耐磨性能的涂层。
附图说明
图1为实施例1产品形貌500倍放大扫描电镜照片；
图2为实施例1产品中单个粉末1000倍放大扫描电镜照片。
具体实施方式
以下实施例进一步解释了本发明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
取1～3微米粒度的TiB2粉128.1g，20～30微米粒度的NiCr粉25.6g和1～2微米粒度的Mo粉46.3g加入球磨罐内，再加入250g无水乙醇进行混合球磨15小时，将湿磨好的粉末60℃烘干，过筛分散后将小于3微米的混合粉末加入到300g去离子水中充分搅拌并用电炉加热，加热至加热至80℃之后加入0.4g柠檬酸铵和0.7g聚乙二醇，然后在保持80℃温度下，再持续搅拌10分钟后加入已溶好的PVA含量为3.2g的水溶液，最后在保持80℃温度下，调整PH值为9.5并持续搅拌60分钟后得到含TiB2的金属陶瓷复合粉末料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用喷雾干燥设备对料浆进行喷雾干燥制粒，干燥设备进口温度为170℃，雾化盘频率为165Hz，得到喷雾干燥粉末。然后利用Ar气热处理炉对喷雾干燥粉末进行低温热处理，热处理温度为550℃，保温时间为1小时。将热处理后的粉末通过等离子球化设备喷入去离子水中，等离子球化功率为12KW。最后将去离子水中的粉末烘干并进行过筛分级处理，最终得到粒径分布在65微米～85微米范围内的复合团聚粉末。
在扫描电子显微镜下观察其形貌，从图1中可以看出团聚粉的形状近似球形，颗粒尺寸分布在45～75微米之间，从图2可以看到粉末表面金属相熔化较好，使粉末致密化程度提高，从而提高粉末的松装密度和流动性，利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量团聚型复合粉末的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1。
实施例2
取1～3微米粒度的TiB2粉108.1g，20～30微米粒度的NiCr粉35.6g和1～2微米粒度的Mo粉56.3g加入球磨罐内，再加入250g无水乙醇进行混合球磨13小时，将湿磨好的粉末60℃烘干，过筛分散后将小于3微米的混合粉末加入到250g去离子水中充分搅拌并用电炉加热，加热至80℃之后加入0.2g柠檬酸铵、0.3g聚丙烯酸铵和1g聚乙二醇，然后在保持75℃温度下，再持续搅拌10分钟后加入已溶好的PVA含量为2.6g的水溶液，最后在保持75℃温度下，调整PH值为10.3并持续搅拌60分钟后得到含TiB2的金属陶瓷复合粉末料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用喷雾干燥设备对料浆进行喷雾干燥制粒，干燥设备进口温度为160℃，雾化盘频率为155Hz，得到喷雾干燥粉末。然后利用Ar气氛热处理炉对喷雾干燥粉末进行低温热处理，热处理温度为500℃，保温时间为1.2小时。将热处理后的粉末通过等离子球化设备喷入去离子水中，等离子球化功率为14KW。最后将去离子水中的粉末烘干并进行过筛分级处理，最终得到粒径分布在65微米～85微米范围内的复合团聚粉末。
利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量团聚型复合粉末的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1。
实施例3
取1～3微米粒度的TiB2粉88.1g，20～30微米粒度的NiCr粉45.6g和1～2微米粒度的Mo粉66.3g加入球磨罐内，再加入250g无水乙醇进行混合球磨11小时，将湿磨好的粉末60℃烘干，过筛分散后将小于3微米的混合粉末加入到200g去离子水中充分搅拌并用电炉加热，加热至加热至80℃之后加入0.4g聚丙烯酸铵和0.8g聚乙二醇，然后在保持85℃温度下，再持续搅拌10分钟后加入已溶好的PVA含量为2.2g的水溶液，最后在保持85℃温度下，调整PH值为8.6并持续搅拌60分钟后得到含TiB2的金属陶瓷复合粉末料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用喷雾干燥设备对料浆进行喷雾干燥制粒，干燥设备进口温度为150℃，雾化盘频率为145Hz，得到喷雾干燥粉末。然后利用Ar气氛热处理炉对喷雾干燥粉末进行低温热处理，热处理温度为600℃，保温时间为0.8小时。将热处理后的粉末通过等离子球化设备喷入去离子水中，等离子球化功率为16KW。最后将去离子水中的粉末烘干并进行过筛分级处理，最终得到粒径分布在65微米～85微米范围内的复合团聚型粉末。
利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量团聚型复合粉末的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1。
表1实施例1-3制备得到的含TiB2金属陶瓷复合团聚型粉末物性参数
Claims (8)
1.本发明一种用于热喷涂活塞环涂层的含TiB2金属陶瓷复合粉末的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)首先根据热喷涂复合粉末成份要求，将TiB2粉、NiCr粉和Mo粉加入球磨罐内，其中TiB2粉末25～75wt.％、NiCr合金粉末25～10wt.％、Mo粉50～15wt.％，同时加入无水乙醇进行混合球磨，抑制TiB2球磨氧化，并使金属相与TiB2复合均匀，混合粉粒度小于3微米，将湿磨好的粉末烘干，过筛分散后留用；
(2)将上述过筛后的混合粉末与聚乙烯醇(PVA)、分散剂及去离子水按一定比例混合制成料浆，其中混合粉末质量为料浆总质量的35～55％，PVA质量为混合粉质量的1％～5％，分散剂质量为混合粉质量的0.3～1.5％，制浆的具体步骤包括：首先将混合粉末投入去离子水中充分搅拌并加热至75℃～85℃之后加入分散剂，持续搅拌10～15分钟后加入已溶好的PVA水溶液，持续搅拌使料浆中各成分分散均匀，若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂，得到含TiB2的金属陶瓷复合粉末料浆；
(3)利用喷雾干燥设备对上述料浆进行喷雾干燥制粒，干燥设备进口温度为150～250℃，雾化盘频率为140～190Hz，得到喷雾干燥粉末；
(4)利用Ar气热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为400～700℃，保温时间为0.5-1.5小时；将热处理后的粉末通过等离子球化设备喷入去离子水中，等离子球化功率为10KW～20KW，最后将去离子水中的粉末烘干并进行过筛分级处理，最终得到粒径分布在65微米～85微米范围内的复合团聚粉末。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)优选无水乙醇的用量为粉末总质量的100％～120％，球磨时间10～15小时。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)优选TiB2粉粒度为1～3微米，NiCr粉粒度为20～30微米，Mo粉粒度为1～2微米。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述步骤(2)制浆的过程中，优选加入分散剂之后，直到复合粉末料浆制备完成，温度一直保持在75℃～85℃。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述步骤(2)分散剂选自柠檬酸铵、聚乙二醇或聚丙烯酸铵中的一种或几种。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述步骤(2)加入已溶好的PVA水溶液后调整PH值为8～11。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(4)中热处理温度优选500-600℃。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(4)中等离子球化功率为12KW～16KW。
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