一種Ti₂AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及陶瓷涂層及表面工程領(lǐng)域，具體為一種Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法。該方法可應(yīng)用于能無壓燒結(jié)合成的MAX相材料體系，具體以一種Ti2AlC陶瓷涂層的制備方法說明。首先將用于燒結(jié)制備涂層的原料粉體按所需比例混合，然后加入有機(jī)溶劑和粘接劑濕法球磨為料漿。用噴霧干燥造粒法將漿料干燥成球形原料粉末。將原料粉末用冷氣動(dòng)力噴涂裝置沉積在所需制備涂層的基材上，將沉積的基材和涂層在真空氣氛下燒結(jié)就能得到原位生成的MAX相陶瓷涂層。本發(fā)明通過冷噴涂原位生成制備MAX相涂層的方法具有制備的涂層厚度高質(zhì)量好，粉體沉積速度快，過程無MAX相分解反應(yīng)發(fā)生，使用方便適合大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)。
【專利說明】
一種T i 2AIC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷涂層及表面工程領(lǐng)域，具體為一種Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MAX相是一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的三元可加工陶瓷，這種陶瓷同時(shí)具有共價(jià)鍵、金屬鍵、離子鍵，因而兼具陶瓷和金屬的性質(zhì)。如:陶瓷材料的高熔點(diǎn)、抗氧化和抗腐蝕能力、金屬的導(dǎo)電性、可加工性、損傷容抗、抗熱沖擊等性能，上述特點(diǎn)使得MAX相涂層有望在高溫服役部件、保護(hù)性涂層、導(dǎo)電元件等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。然而要想將MAX相的膜結(jié)構(gòu)材料用作保護(hù)性涂層，則涂層必須有較好的質(zhì)量同時(shí)兼具合適的厚度。
[0003]現(xiàn)有的通過物理氣相沉積獲得MAX相涂層的方法不僅對(duì)設(shè)備要求高，涂層沉積時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，同時(shí)受氣相沉積設(shè)備尺寸限制無法在大尺寸部件上制備涂層，而且這種方法獲得的涂層厚度有限。MAX相優(yōu)異的抗氧化性主要來源于A層元素整體向外擴(kuò)散形成連續(xù)致密的氧化膜。氣相沉積法制的MAX相涂層厚度有限，在高溫條件下服役，涂層中的A層元素會(huì)被迅速的消耗而失去保護(hù)性。除上述方法外，國(guó)際上另外一種MAX相涂層制備方法是通過超音速火焰噴涂法獲得厚度可達(dá)數(shù)百微米的涂層，但由于MAX相是一種亞穩(wěn)態(tài)相，在熱噴涂的高溫下極易產(chǎn)生其他分解產(chǎn)物。對(duì)Ti2AlC相而言，熱噴涂涂層中會(huì)含有TiC和TixAly和Ti3AlC2等Ti2AlC相的分解產(chǎn)物，破壞致密連續(xù)的氧化膜造成抗氧化性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，為了解決現(xiàn)有氣相沉積法制備Ti2AlC涂層存在設(shè)備要求高，生產(chǎn)效率低，保護(hù)的部件尺寸受限，涂層厚度有限的問題。以及超音速火焰噴涂法制備的Ti2AlC涂層存在熱分解和涂層致密性低，涂層與基材結(jié)合性不好的問題。本發(fā)明制備的涂層不含Ti2AlC相的分解產(chǎn)物，涂層厚度可達(dá)數(shù)百微米，涂層致密且與基材結(jié)合良好。涂層沉積速度快，生產(chǎn)效率高，方法簡(jiǎn)便，不受部件尺寸限制，易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，采用冷氣動(dòng)力噴涂裝置在基材上沉積用于制備MAX相的原料粉體，原料粉體采用TiH2、Al和TiC。
[0007 ]所述的T i 2AIC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，原料粉體T i H2、AI和T i C的粒度分別為:TiH2 0.05?50微米，Al 0.05?50微米，TiC 0.04?50微米。
[0008]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，原料粉體TiH2、A1和TiC的if#KSn(TiH2):n(Al):n(TiC) = (l?3):(l?5):l。
[0009]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，用于冷噴涂制備涂層的原料粉體需添加粘接劑和有機(jī)溶劑通過球磨或其他方法制備成混合均勻成原料漿料。
[0010]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，粘接劑為聚乙二醇或聚乙烯醇，有機(jī)溶劑為乙醇、甲醇或丙酮，粘接劑和有機(jī)溶劑的重量比為1: (20?200)。
[0011]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，用于冷噴涂的原料粉體是由原料漿料噴霧干燥制備的球形復(fù)合粉體，球形復(fù)合粉體的粒度為5?150微米。
[0012]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，采用高壓大氣冷氣噴涂裝置在基材上進(jìn)行粉體沉積，其工藝參數(shù)范圍如下:噴涂氣壓I?5MPa，氣體溫度100?1000°C，噴涂5?50道次后獲得厚度為5?300微米的原料涂層。
[0013]所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，在真空或有惰性氣體保護(hù)的條件下進(jìn)行Ti2AlC相陶瓷涂層的燒結(jié)，其工藝參數(shù)范圍如下:燒結(jié)溫度500?1500°C，燒結(jié)時(shí)間20?120min，獲得厚度5?300微米的Ti2AlC涂層。
[0014]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是:
[0015]與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明冷噴涂法通過加熱氣體，使氣體達(dá)到非常高的氣壓帶動(dòng)粉體顆粒通過噴嘴。這種噴涂方法粉體顆粒受到的加熱時(shí)間短，不會(huì)對(duì)粉體產(chǎn)生明顯熱影響。同時(shí)氣流可將噴涂顆粒加速到數(shù)倍音速，粉體沉積和涂層制備速度快。通過冷噴涂的方法將能無壓燒結(jié)合成MAX相的原料粉體沉積在基材上，通過顆粒超音速轟擊基材就能獲得充分塑性變形且跟基材結(jié)合良好的原料涂層，該原料涂層在真空或保護(hù)性氣氛下燒結(jié)即可獲得跟基材結(jié)合良好，致密且無其他雜質(zhì)的MAX相涂層。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0017]1.本發(fā)明采用冷噴涂的方法制備MAX相涂層，MAX相成分無需受到達(dá)到熱分解的高溫，制備的Ti2AlC涂層不含TiC和TixAly等分解產(chǎn)物，獲得的涂層質(zhì)量好，抗氧化和抗腐蝕性會(huì)K胃1? O
[0018]2.本發(fā)明采用噴霧干燥制備球形原料粉體，該粉體流動(dòng)性好，噴涂性能優(yōu)異，且該復(fù)合粉體在冷噴涂過程中成份分離不顯著。粉體原料在基材表面經(jīng)過充分塑性變形，獲得的原料涂層致密且和基材的結(jié)合良好。
[0019]3.本發(fā)明采用原位燒結(jié)的方法在基材上制備MAX相涂層，燒結(jié)后的涂層跟基材產(chǎn)生的是冶金結(jié)合，界面無孔隙和有害雜質(zhì)，涂層與基材結(jié)合性好，抗熱循環(huán)和熱沖擊性好。
[0020]4.采用本發(fā)明制備的涂層可突破氣相沉積法的涂層厚度限制，可制備出厚度達(dá)數(shù)百微米的致密涂層，涂層中的抗氧化性元素更充足，能夠延長(zhǎng)涂層對(duì)基材的有效保護(hù)時(shí)間，并能形成更致密、連續(xù)的保護(hù)性氧化膜。
[0021]5.采用本發(fā)明制備MAX相涂層具有沉積速度快，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，且方法簡(jiǎn)便易于掌握和推廣。該方法制備MAX相涂層可不受部件尺寸限制，能滿足大尺寸部件和大表面的噴涂要求，易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022]圖1為實(shí)施例1噴霧造粒后獲得的原料粉體的X-射線衍射圖譜。圖中，橫坐標(biāo)2Theta為衍射角(deg.)，縱坐標(biāo)Intensity為強(qiáng)度。
[0023]圖2為實(shí)施例1在TiAl合金基材上冷噴涂沉積的原料涂層后表面的X-射線衍射圖譜。圖中，橫坐標(biāo)2Theta為衍射角(deg.)，縱坐標(biāo)Intensity為強(qiáng)度。
[0024]圖3為實(shí)施例2在TiAl合金基材上冷噴涂沉積的原料涂層后表面的X-射線衍射圖譜。圖中，橫坐標(biāo)2Theta為衍射角(deg.)，縱坐標(biāo)Intensity為強(qiáng)度。
[0025]圖4為實(shí)施例1在TiAl合金基材上冷噴涂沉積的原料涂層真空燒結(jié)后的表面的X-射線衍射圖譜。圖中，橫坐標(biāo)2Theta為衍射角(deg.)，縱坐標(biāo)Intensity為強(qiáng)度。
[0026]圖5為實(shí)施例1噴霧造粒后獲得的球狀原料粉體的電子掃描照片。
[0027]圖6為實(shí)施例2在TiAl合金基材上冷噴涂沉積的原料涂層的表面電子掃描照片。
[0028]圖7為實(shí)施例1在TiAl合金基材上真空燒結(jié)后形成的Ti2AlC涂層的截面電子掃描照片。
【具體實(shí)施方式】
[0029]在具體實(shí)施過程中，本發(fā)明方法可應(yīng)用于能無壓燒結(jié)合成的MAX相材料體系，具體以一種Ti2AlC陶瓷涂層的制備方法說明。首先將用于燒結(jié)制備涂層的原料粉體按所需比例混合，然后加入有機(jī)溶劑和粘接劑濕法球磨為料漿。用噴霧干燥造粒法將漿料干燥成球形原料粉末。將原料粉末用冷氣動(dòng)力噴涂裝置沉積在所需制備涂層的基材上，將沉積的基材和涂層在真空氣氛下燒結(jié)就能得到原位生成的MAX相陶瓷涂層。
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不限定本發(fā)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]將TiH2、Al、TiC粉體原料按摩爾比為n(TiH2):n(Al):n(TiC) = 1:1.1:1比例配料。TiH2粉體平均粒徑800nm，純度99.9wt %，Al粉平均粒徑I微米，純度99.9wt%, TiC平均粒徑500nm，純度99.8wt %，原料重量共計(jì)IKg，用攪拌機(jī)攪拌30min混合均勾。
[0033]將15g聚乙二醇加入進(jìn)1.5Kg無水乙醇，水浴加熱并攪拌形成混合溶液。將混合均勻的粉體加入無水乙醇-聚乙二醇溶液，裝入3L的攪拌球磨裝置。球磨混料階段攪拌轉(zhuǎn)速300r/min，時(shí)間30min。造粒階段去除磨球，調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速為50r/min，維持至霧化造粒工藝停止。用具有惰性氣體封閉循環(huán)功能的有機(jī)溶劑型實(shí)驗(yàn)室噴霧干燥機(jī)將漿料霧化干燥為10微米左右的球狀復(fù)合粉末。如圖1所示，噴霧造粒后獲得的原料粉體的X-射線衍射圖譜，可以看出經(jīng)過噴霧干燥過程粉體成分未發(fā)生改變。圖5所示為該球狀粉顆粒的電子掃描圖像照片，可以看出粉體呈球狀由亞微米的原料組成。
[0034]將牌號(hào)為11-4541-2恥-2111的合金切成20\10\3臟的小試樣塊，經(jīng)80目的氧化鋁砂表面噴砂處理。采用高壓大氣冷氣噴涂裝置在基材上進(jìn)行粉體沉積，噴涂氣壓1.2MPa，氣體溫度250°C，噴涂10道次后獲得厚度為5微米的原料涂層。如圖2所示，表面有原料涂層的TiAl試樣X-射線衍射圖譜，由于該原料圖層較薄，圖譜中可見基材TiAl合金峰譜，同時(shí)不同原料粉體在基材上的沉積能力也有差異，脆而硬的材料如TiH2沉積性較差。將該試樣密封入通入氬氣保護(hù)的石英管內(nèi)管，將石英管在馬弗爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度1200°C，燒結(jié)時(shí)間60min。如圖4所示，最終獲得的涂層X-射線衍射圖譜，X-射線衍射穿透了涂層，所以除Ti2AlC涂層外，衍射圖譜還有基材峰譜，除此之外在石英管內(nèi)燒結(jié)還有少量Ti5Si3生成。圖7為該涂層與基材的截面電子掃描圖像照片，由圖片可知涂層與基材冶金結(jié)合，結(jié)合性非常好。
[0035]實(shí)施例2
[0036]將TiH2、Al、TiC粉體原料按摩爾比為n(TiH2):n(Al):n(TiC) = 1:1.1:1比例配料。TiH2粉體平均粒徑800nm，純度99.9wt %，Al粉平均粒徑I微米，純度99.9wt%, TiC平均粒徑500nm，純度99.8wt %，原料重量共計(jì)IKg，用攪拌機(jī)攪拌30min混合均勾。
[0037]將1g聚乙二醇加入進(jìn)1.5Kg無水乙醇，水浴加熱并攪拌形成混合溶液。將混合均勻的粉體加入無水乙醇-聚乙二醇溶液，裝入3L的振動(dòng)球磨裝置，振動(dòng)頻率50Hz，振幅5mm，球磨時(shí)間3 O分鐘。將球磨后的楽料倒出裝入5 L的燒杯同時(shí)用攪拌機(jī)攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速5 O r /min，維持至霧化造粒工藝停止。用具有封閉循環(huán)功能的離心霧化干燥機(jī)將漿料干燥，采用離心霧化噴頭，霧化盤直徑50mm，霧化器轉(zhuǎn)速20000r/min進(jìn)風(fēng)口溫度設(shè)置為150°C，出風(fēng)溫度控制90°C。蠕動(dòng)栗轉(zhuǎn)速30r/min，加熱功率9KW。
[0038]將牌號(hào)為11-4541-2恥-2111的合金切成20\10\3臟的小試樣塊，經(jīng)80目的氧化鋁砂表面噴砂處理。采用高壓大氣冷氣噴涂裝置在基材上進(jìn)行粉體沉積，噴涂氣壓1.SMPa，氣體溫度400°C，噴涂20道次后獲得厚度為150微米的原料涂層。如圖3所示，沉積有原料涂層的TiAl試樣表面X-射線衍射圖譜，由于原料涂層較厚X-射線衍射未能穿透涂層，涂層中不含基材峰譜。如圖6所示，表面有原料涂層的TiAl試樣的電子掃描圖像照片，由圖片可知在冷噴涂過程中粉體原料在基材表面沉積時(shí)受沖擊作用產(chǎn)生明顯的塑性變形。將該試樣裝入氧化鋁坩禍在真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度1200 0C，燒結(jié)時(shí)間60min，可獲得厚度達(dá)150微米的Ti2AlC 涂層。
[0039]實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明通過冷噴涂原位生成制備MAX相涂層的方法，以冷噴涂法沉積粉體原料，原位燒結(jié)制備MAX相陶瓷涂層，具有制備的涂層厚度高質(zhì)量好，粉體沉積速度快，過程無MAX相分解反應(yīng)發(fā)生，使用方便適合大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，采用冷氣動(dòng)力噴涂裝置在基材上沉積用于制備MAX相的原料粉體，原料粉體采用TiH2、Al和TiC。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，原料粉體TiH2、A1和TiC的粒度分別為= TiH2 0.05?50微米，Al 0.05?50微米，TiC 0.04-50微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，原料粉體11!12^1和11(:的摩爾比為11(1^2):1101):11(110 = (1?3):(1?5):1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，用于冷噴涂制備涂層的原料粉體需添加粘接劑和有機(jī)溶劑通過球磨或其他方法制備成混合均勻成原料漿料。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，粘接劑為聚乙二醇或聚乙烯醇，有機(jī)溶劑為乙醇、甲醇或丙酮，粘接劑和有機(jī)溶劑的重量比為1:(20?200)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，用于冷噴涂的原料粉體是由原料漿料噴霧干燥制備的球形復(fù)合粉體，球形復(fù)合粉體的粒度為5?150微米。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，采用高壓大氣冷氣噴涂裝置在基材上進(jìn)行粉體沉積，其工藝參數(shù)范圍如下:噴涂氣壓I?5MPa，氣體溫度100?1000°C，噴涂5?50道次后獲得厚度為5?300微米的原料涂層。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti2AlC相陶瓷涂層的冷噴涂原位生成制備方法，其特征在于，在真空或有惰性氣體保護(hù)的條件下進(jìn)行Ti2AlC相陶瓷涂層的燒結(jié)，其工藝參數(shù)范圍如下:燒結(jié)溫度500?1500 °C，燒結(jié)時(shí)間20?120min，獲得厚度5?300微米的Ti2AlC涂層。
【文檔編號(hào)】C23C24/04GK106048596SQ201610210730
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日 公開號(hào)201610210730.3, CN 106048596 A, CN 106048596A, CN 201610210730, CN-A-106048596, CN106048596 A, CN106048596A, CN201610210730, CN201610210730.3
【發(fā)明人】柏春光, 謝曦, 崔玉友, 李鐵藩, 熊天英, 楊銳
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院金屬研究所