[发明专利]一种复相陶瓷涂层的自反应电弧喷涂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复相陶瓷涂层的反应合成制备技术，特别适用于金属零部件表面耐磨损防护涂层的制备。

背景技术

电弧喷涂技术是热喷涂技术中成本最低、最适宜大面积推广的一种。然而，电弧喷涂的原理决定了其最初只能用来喷涂可导电的低熔点金属丝材，而难以直接获得具有高熔点、高硬度、高耐磨、不导电等特性的高性能陶瓷涂层。20世纪70年代末，粉芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。与实芯丝材相比，电弧喷涂粉芯丝材兼具外皮与内芯两种材料的优点，既克服了高合金或金属间化合物成分难以拔丝的困难，又能使不导电的陶瓷颗粒材料填充到粉芯丝材中，使电弧喷涂技术成功应用于陶瓷、金属陶瓷及金属间化合物涂层的制备，拓宽了电弧喷涂涂层材料的应用领域，推动了电弧喷涂技术的快速发展。

然而，目前电弧喷涂陶瓷涂层多采用直接在粉芯丝材内填充喷涂陶瓷材料的方法制备，喷涂过程中存在陶瓷材料难以完全熔化、陶瓷相分布不均匀、涂层层间结合弱等突出问题，使涂层性能受到重要的不利影响；或者在金属、合金中添加少量反应组元，喷涂过程中通过反应合成陶瓷相来获得硬质相颗粒增强金属基复合涂层，以提高涂层的耐磨、耐高温等性能，但由于陶瓷相含量较少，涂层的综合性能，尤其是耐高温磨损性能仍无法与以陶瓷为主体的陶瓷基复合涂层相媲美。

自蔓延高温合成技术是利用反应原料自身燃烧反应放出的热量使化学反应过程自发持续进行，以获得具有指定成分与结构产物的一种新型材料合成技术。它具有工艺、设备简单，成本低；能耗和原材料消耗少；反应温度高，产物纯度高；能够充分利用原位复合等优点，特别适于制备陶瓷、金属陶瓷及陶瓷基复合材料等具有高熔点、高硬度、高强度特征的材料。

本发明通过制备自反应型复合粉芯丝材，将自蔓延高温合成技术与电弧喷涂技术相结合，创立自反应电弧喷涂技术，利用低成本电弧喷涂设备和廉价原材料制备高性能复相陶瓷涂层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是创立一种利用低成本设备与廉价原材料获得高性能复相陶瓷涂层的涂层制备技术。其具体思想是，选择适宜的金属外皮材料，其内包裹一种SHS体系的反应型药芯，制备粉芯丝材用以自反应电弧喷涂，喷涂过程中通过电弧引燃喷涂体系的高放热SHS反应，在快速生成目标陶瓷相的同时，利用电弧能量与SHS反应放热获得高温陶瓷熔体，并在高压雾化气体作用下铺展于金属基体表面，利用高温陶瓷熔体的快速凝固特征，获得具有微纳米晶结构特征的高性能复相陶瓷涂层。

本发明的关键是通过制备自反应型粉芯丝材，将自蔓延高温合成这一低成本陶瓷合成技术与电弧喷涂这一传统热喷涂技术相结合，创立了自反应电弧喷涂复相陶瓷涂层技术，使陶瓷材料的原位合成与陶瓷涂层的制备在一个连续、完整的工序中完成。

本发明在复相陶瓷涂层的制备过程中，充分利用了自蔓延高温合成技术的优点，通过电弧热能引燃喷涂体系中各组元间的高放热化学反应，使其SHS反应持续进行，反应绝热燃烧温度高，并能获得高熔点陶瓷液相；所制备的陶瓷涂层是原位合成的，在成分与相结构上与原始材料完全不同，从而实现利用低成本设备与廉价原材料制备高性能复相陶瓷涂层。

利用该方法制备的复相陶瓷涂层致密度高，强度、硬度高，耐磨损、耐高温和耐腐蚀性好。此外，本发明设备、工艺简单，成本低，适用面广。本发明所涉及的方法可应用于军事和民用工业装备中承受磨损、腐蚀和高温环境的装备零部件表面强化与防护。

具体实施方式

本发明用于制备复相陶瓷涂层的工艺流程为：确定喷涂体系成分配比→反应物料的预处理→自反应型粉芯丝材的制备→待喷涂基体表面预处理→自反应电弧喷涂工艺参数设定→自反应电弧喷涂→获得复相陶瓷涂层→后处理。

下面以制备TiC-TiB₂复相陶瓷涂层为例说明本发明的具体实施方法：选用平均粒径小于20μm的化学纯Ti粉、平均粒径小于5μm的B₄C粉为反应原料，以平均粒径小于43μm的化学纯Ni粉为金属添加剂，将三者按一定比例置于砂磨机中，在酒精介质中湿磨24小时，混合均匀后在100℃温度下干燥，以铝合金为金属外皮，制备直径3mm的自反应型粉芯丝材。利用CMD-AS-3000电弧喷涂设备进行自反应电弧喷涂，试验时工艺参数为：喷涂电压28V，喷涂电流180A，空气压力0.5MPa，喷涂距离160mm。本发明制备的复相陶瓷涂层的相组成和性能如下：涂层由TiC、Ti(C，N)、TiB₂、Al₂O₃、(AlNi)及(Ti，Al)等多相组成；陶瓷涂层的孔隙率为4.2％，平均维氏显微硬度为Hv_0.21680，MM-200型磨损试验机测试磨损率为8.53×10^-6g/kgf·千转。