[发明专利]金属间化合物涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工、航空航天、冶金、电力、机械、化工等领域，涉及金属间化合物涂层的制备方法，该方法尤其适合制备高温、强腐蚀和强磨损条件下或空蚀条件下的高性能金属间化合物涂层。

背景技术

现代工业的发展对航空航天、化工、电力、冶金等行业的工业品提出了更高的要求，要求产品在严酷工况条件下进行长期服役，这直接对产品表面性能提出了更高的要求。例如：石油化工行业中，有些设备的工作温度高达1000℃，工作环境为浓硫化氢强腐蚀气体，高温腐蚀大大降低了这些设备的使用寿命；目前国内外广泛采用的火力发电循环流化床锅炉的埋管和水冷壁的使用寿命也仅仅三个月左右，大大影响了电力系统的生产效率和经济效率，也给安全生产带来了隐患，在电力、冶金、航空、机械、化工等许多领域急需耐高温腐蚀和磨损的材料和零部件。在高速流体机械领域，大量的空蚀作用严重影响了设备的正常运行。这些难题目前尚无理想有效的解决方法。

金属间化合物强度高、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优良，而其韧性又高于普通的陶瓷材料，被公认为理想的高温结构材料，可满足上述需要，但这类材料存在室温脆性大、断裂抗力低、制备加工困难等缺点，这限制了其作为结构材料在工业生产中的应用。理论分析以及实验研究表明：金属间化合物晶粒尺寸的减小有助于提高它的室温塑性，此外，在金属间化合物基体中加入连续或非连续的增强相，如WC、Al₂O₃、SiC、TiB₂等陶瓷或W、Mo、Nb、Zr等难熔金属，所制备出的金属间化合物基复合材料，在一定程度上也可以改善金属间化合物的室温脆性，提高其断裂抗力，同时，可显著提高高温强度。所以，将纳米材料技术与复合强化技术相结合(纳米复合强韧化)，研制新型的金属间化合物基纳米复合材料是解决金属间化合物性能缺陷的有效途径。

采用热喷涂技术在结构材料表面喷涂纳米结构金属间化合物基陶瓷复合材料涂层，既能解决其难以加工成型的问题，又能充分发挥其优异的耐蚀、耐磨性能，因此在实际工业应用中受到了广泛的关注。目前，热喷涂领域内制备金属间化合物涂层的常规方法包括：等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂等等。这些传统热喷涂技术的关键是通过某种方式使涂层材料在到达工件表面之前熔化(或半熔化)形成熔滴，并高速撞击基体，从而在基体上沉积一层组织较致密且结合强度较高的涂层，但这些技术都存在喷涂材料在达到工件表面之前由于高温熔化而发生氧化、分解、纳米晶的长大甚至消失、非晶相的晶化等效应，在喷涂粉末的粒子沉积到基体表面之前已经成为液态或部分液态金属间化合物，基于热喷涂制备涂层的特点，形成的涂层为典型的层状结构涂层。然而，这些粒子层间的结合并非完全结合，而是呈现有限结合状态，因此，对涂层的结合强度、使用寿命等产生不利的影响，不能充分发挥出金属间化合物材料自身属性。其次，当采用纳米结构粉末进行加热熔化方式的热喷涂时，熔化的发生会使粉末的纳米结构消失，从而致使所得涂层不能有效获得所需要的纳米结构。此外，采用冷喷涂的方法有可能避免纳米结构消失的问题，然而，由于冷喷涂在较低温度下沉积涂层而金属间化合物具有显著的低温脆性，因此通常采用冷喷涂无法实现金属间化合物涂层的制备。

发明内容

针对上述技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是：提供一种新的金属间化合物涂层的制备方法，该方法制备出的涂层致密、结合良好，并且工艺简单、生产成本低廉、可控性好。

本发明的总体技术思路是：首先利用机械球磨合金化制备金属间化合物对应的金属元素构成的机械合金粉末，合金的晶粒尺寸可达到纳米尺度，采用冷喷涂方法将粉末沉积在基体表面形成涂层，然后进行热处理，通过热扩散使合金转化生成金属间化合物并连接涂层内部的粒子间界面，使涂层形成结合良好、性能优异的金属间化合物涂层。

本发明是通过下述技术方案得以实现：

一种金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

1)将两种或多种金属粉末按构成金属间化合物的成分进行配比，在惰性气氛保护、低温或真空下，通过机械合金化获得合金粉末即作为喷涂原料粉末，所述的金属间化合物选自Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al、Ni-Ti组中的一种或几种；

2)对基体进行喷砂预处理；

3)采用冷喷涂方法喷涂上述粉末，在基体上制备合金涂层；

4)对涂层进行热处理，温度为300℃～1200℃之间，涂层中合金元素扩散形成金属间化合物涂层。

本发明的其它一些特点是：