專利名稱：一種熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱噴涂用粉末材料(復(fù)合物)制造領(lǐng)域，特別是提供了一種熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法及粉末材料，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的熱噴涂用復(fù)合粉主要包括WC/Co，Cr3C2/NiCr等，采用的耐磨硬質(zhì)顆粒為 WC、Cr3C2等，一般采用機(jī)械混合法、燒結(jié)破碎法、造粒等離子球化法US Patent :5126104] 以及造粒燒結(jié)法ZL 200510020875. 9等方法生產(chǎn)。WC基復(fù)合粉只適用于500°C以下的環(huán)境中，若溫度過(guò)高，則WC會(huì)發(fā)生氧化分解，其硬度、耐磨性均下降，導(dǎo)致熱噴涂涂層的耐磨性顯著降低。Cr3C2的硬度和熔點(diǎn)都較低，耐磨性相對(duì)不足，價(jià)格昂貴。而以TiC增強(qiáng)的金屬?gòu)?fù)合涂層的耐磨性穩(wěn)定，即使到高溫1100°C也不會(huì)發(fā)生分解，熱穩(wěn)定性好。同時(shí)TiC還具有低密度、高硬度(HW400 3800)、摩擦系數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，是一種工業(yè)上常見(jiàn)的高硬度耐磨材料。工業(yè)上制備碳化鈦粉末的方法主要是采用 TiO2和碳黑為原料，高溫管式爐碳化制得，制得的粉末粒度較細(xì)，難以直接滿足熱噴涂粉末對(duì)粒度的要求，同時(shí)粉末顆粒表面“鈍化”，與金屬潤(rùn)濕性差，即使通過(guò)造粒也難以滿足熱噴涂粉末的需要。自蔓延高溫合成技術(shù)是一種利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制備材料的新技術(shù)，其最顯著的特點(diǎn)就是充分利用元素間形成化合物時(shí)的高能放熱反應(yīng)，除了引發(fā)合成反應(yīng)所必須的少量外加能量，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程主要依靠物料自身的放熱來(lái)維持。SHS另一優(yōu)點(diǎn)是合成時(shí)間極短，合成產(chǎn)物晶粒細(xì)小，通過(guò)控制后續(xù)破碎工序，粉末顆粒度可控，可以制備滿足熱噴涂需要的粉末粒度范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法及粉末材料。本發(fā)明碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料主要成分為TiC和金屬(包括Fe、Co、Ni、Cr、 Mo、V、W等)，將原料粉末鈦粉、石墨粉/碳黑以及其它金屬組分按照比例球磨混料后，壓制成坯塊，然后在氬氣或真空條件下進(jìn)行自蔓延高溫合成反應(yīng)，發(fā)生如下反應(yīng)Ti + C — TiC。 同時(shí)利用原料組元間反應(yīng)放熱實(shí)現(xiàn)金屬組元包覆TiC顆粒，隨爐冷卻后，產(chǎn)物為疏松多孔狀塊體，清除表面污染物，破碎、球磨控制粉末顆粒大小，得到熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料，具體工藝為
(1)原料粉末的均勻混合與壓塊
按照TiC -M (M為金屬組元)的組成，采用鈦粉，石墨粉/碳黑，其它金屬組元(包括 Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W等)配置原料粉末，其中鈦粉和石墨粉/碳黑的重量比為4:1，其它金屬組元占0. 5 80wt%，針對(duì)不同的使用用途，不同的熱噴涂方式，選擇合適的金屬組元比例。將上述配置的原料粉末裝入球磨罐進(jìn)行球磨混料，具體的球磨參數(shù)為球料比1 1 1 3，轉(zhuǎn)速30 80rpm，球磨時(shí)間1 證，裝料系數(shù)1/2 3/4，球磨方式為滾動(dòng)球磨、行星球磨、三維搖臂混料以及攪拌球磨等方法的一種?；炝贤瓿珊?，將混合料壓制成塊。(2)自蔓延高溫合成碳化鈦基金屬陶瓷材料
將混合料坯塊置于自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，以0. 3 2L/min的流量通入氬氣5 20分鐘，排除反應(yīng)器中的空氣，給點(diǎn)火器鎢絲通電點(diǎn)燃?jí)簤K，引燃整個(gè)壓塊自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)完成后開(kāi)啟機(jī)械泵抽真空，使反應(yīng)器真空度保持<30Pa，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金屬陶瓷塊體。( 3 )反應(yīng)產(chǎn)物的破碎、篩分
將合成的塊體材料取出，去除表面與反應(yīng)容器粘結(jié)造成的污染物，以及與點(diǎn)火鎢絲接觸的產(chǎn)物。然后將剩余產(chǎn)物電磁粉碎或球磨破碎成不同粒度的金屬陶瓷粉末，針對(duì)不同的熱噴涂方式，通過(guò)振動(dòng)篩分得到適合于熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料。本發(fā)明采用的其它金屬組元為Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W等中的任何一種或它們的復(fù)合，總添加量0. 5 80wt%，以單質(zhì)金屬的形式加入。所述采用的原料粉末粒度均為0. 1 30 μ m。所述的其它金屬組元的最終存在形式為包覆碳化鈦顆粒表面，提高碳化鈦顆粒與金屬相之間的潤(rùn)濕性，以及后續(xù)熱噴涂涂層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度。所述的其它金屬組元中包含的Cr、Mo、V、W元素與鈦粉、石墨粉/碳黑等反應(yīng)生成復(fù)式碳化物，改善硬質(zhì)顆粒強(qiáng)度性能，進(jìn)而提高碳化鈦基金屬陶瓷粉末噴涂涂層的室溫、高溫強(qiáng)度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1.相比傳統(tǒng)熱噴涂粉末，發(fā)明了一種碳化鈦基金屬陶瓷噴涂粉末，原料價(jià)格較低，成本大大降低，相對(duì)WC基噴涂粉末使用溫度提高，相對(duì)Cr3C2基噴涂粉末耐磨性提高，摩擦系數(shù)降低，有望成為一種新型的熱噴涂用粉末材料。2.采用自蔓延高溫合成技術(shù)制備碳化鈦基粉末，相比傳統(tǒng)高溫碳化技術(shù)，具有合成時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保、粉末顆粒大小可控、粉末表面無(wú)鈍化膜、氧含量低等特點(diǎn)。3.各種金屬組元以單質(zhì)元素加入，自蔓延反應(yīng)過(guò)程中與碳化鈦顆粒粘結(jié)，以表面包覆的形式存在，與其它添加方式相比，可以保持碳化鈦顆粒潔凈表面，提高碳化鈦與金屬組元潤(rùn)濕性，進(jìn)而提高粉末材料與噴涂基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。4.金屬組元中含有Cr、Mo、V、W等元素，自蔓延反應(yīng)過(guò)程中與Ti、C形成碳化物固溶體，提高粉末顆粒自身強(qiáng)度，進(jìn)而改善后續(xù)熱噴涂涂層的室溫和高溫強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:
稱取鈦粉640g，石墨粉160g，鐵粉60g，鎳粉80g，鉬粉40g，鎢粉20g，釩粉20g，放入球磨罐中，加入2000g鋼球，利用滾動(dòng)球磨機(jī)進(jìn)行球磨混料，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速50rpm，裝料系數(shù)0. 7， 球磨時(shí)間池?；炝贤瓿珊罄梅勰┏尚蛪簷C(jī)將混合料壓制成直徑IOOmm的壓塊，將坯塊置于自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，以0. 5L/min的流量通入氬氣10分鐘，排除反應(yīng)器中的空氣， 給點(diǎn)火器鎢絲通電點(diǎn)燃?jí)簤K，引燃整個(gè)壓塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)完成后開(kāi)啟機(jī)械泵抽真空，使反應(yīng)器真空度保持10 20Pa，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金
4屬陶瓷塊體。取出后去除表面與反應(yīng)容器粘結(jié)造成的污染物，以及與點(diǎn)火鎢絲接觸的產(chǎn)物。 然后將剩余產(chǎn)物球磨破碎，通過(guò)振動(dòng)篩分得到40 80 μ m粒級(jí)碳化鈦基金屬陶瓷粉末，適合于高速火焰噴涂、普通火焰噴涂，同時(shí)利用該粉末制成粉芯絲材，用于電弧噴涂。實(shí)施例2:
稱取鈦粉640g，石墨粉160g，鎳粉1 IOg,鈷粉20g，鉻粉70g，放入球磨罐中，加入1500g 鋼球，利用滾動(dòng)球磨機(jī)進(jìn)行球磨混料，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速60rpm，裝料系數(shù)0. 6，球磨時(shí)間4h。混料完成后利用粉末成型壓機(jī)將混合料壓制成直徑80mm的壓塊，將坯塊置于自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，以0. 8L/min的流量通入氬氣8分鐘，排除反應(yīng)器中的空氣，給點(diǎn)火器鎢絲通電點(diǎn)燃?jí)簤K，引燃整個(gè)壓塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)完成后開(kāi)啟機(jī)械泵抽真空，使反應(yīng)器真空度保持10 20 ，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金屬陶瓷塊體。取出后去除表面與反應(yīng)容器粘結(jié)造成的污染物，以及與點(diǎn)火鎢絲接觸的產(chǎn)物。然后將剩余產(chǎn)物球磨破碎，通過(guò)振動(dòng)篩分得到20 44 μ m粒級(jí)碳化鈦基金屬陶瓷粉末，適合于真空等離子噴涂、 大氣等離子噴涂、超音速噴涂。實(shí)施例3:
稱取鈦粉720g，石墨粉180g，鎳粉30g，鎢粉70g，放入球磨罐中，加入2500g鋼球，利用滾動(dòng)球磨機(jī)進(jìn)行球磨混料，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速45rpm，裝料系數(shù)0. 75，球磨時(shí)間3.證?；炝贤瓿珊罄梅勰┏尚蛪簷C(jī)將混合料壓制成直徑85mm的壓塊，將坯塊置于自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，以0. 7L/min的流量通入氬氣17分鐘，排除反應(yīng)器中的空氣，給點(diǎn)火器鎢絲通電點(diǎn)燃?jí)簤K，引燃整個(gè)壓塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)完成后開(kāi)啟機(jī)械泵抽真空，使反應(yīng)器真空度保持 10 20Pa，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金屬陶瓷塊體。取出后去除表面與反應(yīng)容器粘結(jié)造成的污染物，以及與點(diǎn)火鎢絲接觸的產(chǎn)物。然后將剩余產(chǎn)物球磨破碎，通過(guò)振動(dòng)篩分得到40 80 μ m粒級(jí)碳化鈦基金屬陶瓷粉末，適合于爆炸噴涂。
權(quán)利要求
1.一種熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法，其特征在于步驟一原料粉末的均勻混合與壓塊采用鈦粉、石墨粉、其它金屬組元配置原料粉末，其中鈦粉和石墨粉的重量比為4:1，其它金屬組元占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0. 5 80% ；將上述配置的原料粉末進(jìn)行球磨混料，具體的球磨參數(shù)為球料比1:1 1:3，轉(zhuǎn)速30 80rpm，球磨時(shí)間1 5h，裝料系數(shù)1/2 3/4 ；混料完成后，將混合料壓制成塊；步驟二 自蔓延高溫合成碳化鈦基金屬陶瓷材料將混合料坯塊置于自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，以0. 3 2升/分鐘的流量通入氬氣 5 20分鐘，排除反應(yīng)器中的空氣，引燃整個(gè)壓塊自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)完成后將反應(yīng)中抽真空，使反應(yīng)器真空度保持<30Pa，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金屬陶瓷塊體；步驟三反應(yīng)產(chǎn)物的破碎、篩分將步驟二得到的陶瓷塊體材料取出，去除表面污染物，然后將剩余產(chǎn)物進(jìn)行電磁粉碎或球磨破碎成不同粒度的金屬陶瓷粉末，通過(guò)振動(dòng)篩分得到適合于熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料。
2.如權(quán)利要求1所述的熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法，其特征在于所述的其它金屬組元為Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W中的一種或多種，并且其它金屬組元以單質(zhì)形式加入。
3.如權(quán)利要求1所述的熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法，其特征在于所述的原料粉末粒度均為0. 1 30 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法，其特征在于所述的球磨混料的方式為滾動(dòng)球磨、行星球磨、三維搖臂混料以及攪拌球磨方式中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末材料的制備方法，屬于熱噴涂用粉末材料制造領(lǐng)域。首先按照比例稱取鈦粉、石墨粉/碳黑、其它金屬組元配置原料粉末；將混合粉放入球磨罐中球磨，混料完成后將混合料壓塊，放入自蔓延高溫合成反應(yīng)器中，排除反應(yīng)器中的空氣后，點(diǎn)燃?jí)簤K，引燃整個(gè)壓塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)。反應(yīng)完成后開(kāi)啟機(jī)械泵抽真空，反應(yīng)產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，得到疏松多孔碳化鈦基金屬陶瓷塊體。取出后去除表面污染物，然后將剩余產(chǎn)物破碎、篩分得到不同粒級(jí)的熱噴涂用碳化鈦基金屬陶瓷粉末。本發(fā)明制備方法具有合成時(shí)間短，節(jié)能環(huán)保，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C4/10GK102166652SQ201110078330
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者劉祥慶, 吳旭, 林濤, 溫芳, 郭志猛 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)