硼化鋯基涂層的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)硼化鋯基涂層的制備方法，涉及用硼化物對(duì)材料的鍍覆，采用原位合成出硼化鋯基涂層的方法，步驟是：配制用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉；基體材料預(yù)處理；采用熱噴涂的方法，將配制出的用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉噴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體材料表面，從而形成硼化鋯基涂層。本發(fā)明專利技術(shù)方法克服了現(xiàn)有技術(shù)制得的硼化鋯基涂層的涂層孔隙率高、涂層均勻性差、涂層組織粗化、涂層韌性低、涂層厚度小、涂層與基體結(jié)合力差、涂層容易開裂、涂層抗熱震性差；現(xiàn)有技術(shù)制備工藝復(fù)雜、工藝成本高、沉積效率低、原料成本高、能耗大、效率低和不適合在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的缺陷。

Method for preparing zirconium boride based coating

The invention relates to a preparation method of zirconium diboride based coatings, relates to the use of boride on materials coated by in situ synthesis method of zirconium boride coatings on the following steps: preparing for zirconia / thermal spraying boron carbide / aluminum matrix composite powder; pretreatment; using the method of thermal spray compounding for the zirconia / thermal spraying boron carbide / aluminum composite powder is sprayed on the surface of the base material after pretreatment, thus forming zirconium boride based coating. The method of the invention overcomes the existing porosity of coating technology is made of zirconium diboride based coating, coating uniformity, coating microstructure coarsening, coating toughness, coating thickness, coating adhesion between the substrate and the coating is poor, easy cracking, coating thermal shock resistance is poor; the existing technology preparation defects of complex process, process high cost, low deposition efficiency, high cost, high energy consumption, low efficiency and not suitable for large-scale industrial production in the.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)的技術(shù)方案涉及用硼化物對(duì)材料的鍍覆，具體地說(shuō)是硼化鋯基涂層的制備方法。
技術(shù)介紹
隨著宇航、航空、原子能和冶煉新技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫高性能結(jié)構(gòu)材料提出了越來(lái)越苛刻的要求，要求材料具有良好的抗高溫性能以適應(yīng)苛刻的作業(yè)環(huán)境，如抗熱沖擊、高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗氧化性。硼化鋯(ZrB2)具有高熔點(diǎn)(3245℃)、高硬度(22GPa)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、良好的阻燃性、耐熱性、好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性、耐腐蝕性以及良好的中子控制能力的特點(diǎn)，因而在航空航天的超高溫結(jié)構(gòu)部件、耐火材料、冶煉金屬的電極材料、核控制材料、硬質(zhì)工具材料、磨料以及耐磨部件領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。但是，硼化鋯塊體材料的制備工藝復(fù)雜，由于熔點(diǎn)較高，不僅燒結(jié)溫度較高、周期較長(zhǎng)，且存在難以獲得致密的大尺寸部件的難題；同時(shí)其強(qiáng)度和韌性相對(duì)較低、抗熱震性能不足，限制了它在苛刻作業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。利用先進(jìn)的表面涂層技術(shù)可將硼化鋯沉積于基體材料，如：鋼、鑄鐵、鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金和金屬間化合物等金屬材料的表面，以及石墨、C/C復(fù)合材料和C/SiC復(fù)合材料等無(wú)機(jī)非金屬材料的表面，即制備沉積于基體材料表面的硼化鋯涂層材料，不僅可以提高基體材料的抗磨損、抗腐蝕、抗氧化和抗燒蝕性能，還可保持部件的力學(xué)性能和/或整體的輕重量。目前，制備硼化鋯涂層的技術(shù)主要包括：包埋法、刷涂法、化學(xué)氣相沉積法、熔覆法和熱噴涂法等。(1)包埋法：也稱固滲法，它的沉積機(jī)理是將涂層原料粉末或含有目標(biāo)涂層成分的混合粉末放在基體材料周圍并在一定溫度下保溫，涂層原料粉末之間或者原料粉末與基體之間發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，從而形成涂層的一種方法。包埋法制得的ZrB2復(fù)合陶瓷涂層厚度一般為幾微米～幾十微米。CN201410001380.0公開了一種ZrB2-SiC/SiC陶瓷涂層的制備方法，其采用包埋法依次制備中間層SiC和面層ZrB2-SiC/SiC陶瓷涂層。中間層SiC的制備步驟中需在保護(hù)氣氛下將包埋混合粉的基體構(gòu)件加熱到溫度為1600℃～2000℃，而陶瓷面層ZrB2-SiC/SiC的制備步驟中需在保護(hù)氣氛下將包埋混合粉的基體構(gòu)件加熱到溫度為2000℃～3000℃。但是，包埋過(guò)程通常需將基體材料置于高溫環(huán)境中保溫(2000℃～3000℃)，因此存在對(duì)基體熱損傷大且成本高的缺點(diǎn)；同時(shí)，由于不同元素沉積和擴(kuò)散的速度不同，無(wú)法控制硼化鋯涂層厚度以及保證涂層中成分的均勻性；另外，受限于坩堝尺寸以及熱源的影響，包埋技術(shù)難以滿足在大尺寸零件上制備涂層。(2)刷涂法：也稱涂刷燒結(jié)法，是指將原料按一定比例混合成漿料，再將漿料刷涂于基體材料表面，然后通過(guò)燒結(jié)使?jié){料在基體上固化形成涂層。通過(guò)此方法制備的涂層厚度大約為幾十微米。但該方法制備的硼化鋯涂層材料具有涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低、抗熱震性差、燒結(jié)溫度高等缺點(diǎn)。(3)化學(xué)氣相沉積法：CVD法，是借助空間氣相化學(xué)反應(yīng)在基體表面沉積固態(tài)薄膜的工藝技術(shù)。首先將含有構(gòu)成涂層元素的化合物、單質(zhì)等原料以一定方式注入到放置有基底的反應(yīng)室內(nèi)，然后在一定條件下原料發(fā)生分解、合成、擴(kuò)散、吸附等過(guò)程，最終在基體表面形成薄膜。反應(yīng)的類型主要包括：熱分解、氫還原、金屬還原、化學(xué)傳輸、氧化等。CVD工藝的原料可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。CN201410005289.6公布了一種二硼化鋯涂層的制備方法，其使用雙溫區(qū)加熱方式，以ZrCl4、BCl3和H2作為源氣體、Ar氣或N2作為載氣和保護(hù)性氣體，采用化學(xué)氣相沉積法制備二硼化鋯涂層，該技術(shù)的缺陷是設(shè)備投入大、生產(chǎn)成本高、生長(zhǎng)過(guò)程很慢、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，涂層厚度較小、成分單一、無(wú)法制備硼化鋯復(fù)合材料膜層。(4)熔覆法：包括激光熔覆和等離子熔覆，其原理是運(yùn)用不同的填料方式將涂層粉末置于基體材料表面，再利用高能激光束或高能等離子束輻射基體材料表面，使涂層材料與基體材料表面層同時(shí)融化，凝固后形成表面涂層。文獻(xiàn)【張盼盼.ZrB2/Fe復(fù)合涂層原位合成的研究[D].天津大學(xué),2012.】指出，用等離子轉(zhuǎn)移弧熔覆或高能激光束熔覆的方法均可在鋼基體表面原位合成出ZrB2陶瓷涂層，但ZrB2陶瓷涂層的表面成型不良，且涂層與基體結(jié)合不好。其原因主要有以下幾個(gè)方面：(1)熔覆材料選用的是Zr屑和B4C粉末，兩者粒度相差太大，難以實(shí)現(xiàn)均勻混合；在熔覆過(guò)程中，預(yù)置涂層內(nèi)Zr和B4C受熱不均勻、反應(yīng)不充分；(2)B4C和ZrB2均具有極高的熔點(diǎn)，并且同F(xiàn)e基金屬的潤(rùn)濕性很差；在熔覆過(guò)程中，熔融的B4C和ZrB2具有團(tuán)聚的特性，不利于熔覆層的表面成型；(3)ZrB2陶瓷涂層結(jié)晶凝固過(guò)程采取的是熔覆層上下先凝固、中間后凝固的方式，這種方式致使熔覆層中形成大量氣孔、夾雜以及裂紋等缺陷；(4)對(duì)Zr+B4C的粉末配方而言，熔覆方法及其工藝參數(shù)的選擇至關(guān)重要；熔覆熱輸入過(guò)高，則鐵基體對(duì)涂層的稀釋變大，熔覆層組織和性能會(huì)受影響；熱輸入過(guò)低，則預(yù)置粉末難以充分熔化，涂層與基體結(jié)合不牢、極易脫落。(5)熱噴涂法：是利用特定熱源，如電弧、氧乙炔火焰或等離子焰流，將絲材或粉末態(tài)的涂層材料快速加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴涂到基體表面形成硼化鋯涂層的方法。熱噴涂技術(shù)制備ZrB2涂層的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，基體選擇范圍大，涂層厚度變化范圍大，沉積率高，并容易形成復(fù)合涂層。然而，從熱噴涂ZrB2涂層的研究歷史來(lái)看，現(xiàn)有技術(shù)常采用直接噴涂法制備ZrB2涂層，即直接噴涂ZrB2粉或ZrB2粉與其他粉末，如SiC、ZrC或/和ZrO2粉末組成的復(fù)合粉制備ZrB2基涂層。CN201310364496.6公布了一種二硼化鋯-碳化硅高溫抗氧化涂層的制備方法，首先通過(guò)噴涂干燥法制備ZrB2-SiC包覆型復(fù)合粉末，然后通過(guò)超低壓等離子噴涂技術(shù)制備ZrB2-SiC復(fù)合涂層。CN201410695915.9公布了一種抗燒蝕復(fù)合涂層及其制備方法，該抗燒蝕層由粘結(jié)層與復(fù)合陶瓷抗燒蝕層組成，復(fù)合陶瓷抗燒蝕層由ZrB2-ZrC-SiC-ZrO2復(fù)相陶瓷經(jīng)等離子噴涂沉積制得。直接噴涂法的缺點(diǎn)是：第一，高純ZrB2、ZrC等原料價(jià)格昂貴，導(dǎo)致成本高；第二，ZrB2-SiC復(fù)合粉的制備過(guò)程燒結(jié)溫度為1800℃～2200℃，保溫2小時(shí)，燒結(jié)溫度高，工藝成本高；第三，由于原料ZrB2、ZrC的熔點(diǎn)很高，在噴涂過(guò)程中熔化程度較低，不易形成鋪展，導(dǎo)致沉積效率低，涂層孔隙率高，且與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，抗熱震性差。以上這些不利因素明顯影響到直接噴涂法所制備的硼化鋯涂層的質(zhì)量和應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供硼化鋯基涂層的制備方法，采用原位合成出硼化鋯基涂層的方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)制備硼化鋯基涂層的熱噴涂法的直接噴涂法的原料成本高、工藝成本高、沉積效率低、涂層孔隙率高、涂層均勻性差、涂層組織粗化、涂層韌性低、涂層與基體結(jié)合力差和涂層抗熱震性差的缺陷以及其他方法的制備工藝復(fù)雜、能耗大、效率低、涂層厚度小、涂層孔隙率高、涂層均勻性差、涂層與基體結(jié)合力差、涂層韌性低、涂層容易開裂和不適合在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的缺陷。本專利技術(shù)解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：硼化鋯基涂層的制備方法，采用原位合成出硼化鋯基涂層的方法，步驟如下：第一步，配制用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉：將粒度范圍在0.5微本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
硼化鋯基涂層的制備方法，其特征在于：采用原位合成出硼化鋯基涂層的方法，步驟如下：第一步，配制用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉：將粒度范圍在0.5微米～10微米之間的鋁粉、粒度范圍在0.001微米～10微米之間的氧化鋯粉和粒度范圍在0.001微米～10微米之間的碳化硼粉均勻混合成復(fù)合粉，其中，碳化硼粉占該三種原料粉總質(zhì)量的重量百分比為5～20%，鋁粉加氧化鋯粉占該三種原料粉總質(zhì)量的重量百分比為80～95%，氧化鋯粉和鋁粉之間的重量比例則為60～90:?40～10，再均勻混合入粘結(jié)劑,該粘結(jié)劑用量是，重量比為上述復(fù)合粉∶粘結(jié)劑=100:0.1～3，由此配制成用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉；第二步，基體材料預(yù)處理：對(duì)所需涂層的基體材料表面進(jìn)行預(yù)處理，任選以下兩種情況中的一種：1）當(dāng)基體材料為金屬材料基體時(shí)，預(yù)處理方式采用噴砂處理，隨后在噴砂處理后的金屬基體材料表面噴涂粘結(jié)底層，待用；2）當(dāng)基體材料為無(wú)機(jī)非金屬材料基體時(shí)，預(yù)處理方式采用噴砂處理或砂紙打磨處理，待用；第三步，硼化鋯基涂層的制備：采用熱噴涂的方法，將第一步中配制出的用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉噴涂在第二步中經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體材料表面，從而形成硼化鋯基涂層。...

【技術(shù)特征摘要】
1.硼化鋯基涂層的制備方法，其特征在于：采用原位合成出硼化鋯基涂層的方法，步驟如下：第一步，配制用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉：將粒度范圍在0.5微米～10微米之間的鋁粉、粒度范圍在0.001微米～10微米之間的氧化鋯粉和粒度范圍在0.001微米～10微米之間的碳化硼粉均勻混合成復(fù)合粉，其中，碳化硼粉占該三種原料粉總質(zhì)量的重量百分比為5～20%，鋁粉加氧化鋯粉占該三種原料粉總質(zhì)量的重量百分比為80～95%，氧化鋯粉和鋁粉之間的重量比例則為60～90:40～10，再均勻混合入粘結(jié)劑,該粘結(jié)劑用量是，重量比為上述復(fù)合粉∶粘結(jié)劑=100:0.1～3，由此配制成用于熱噴涂的氧化鋯/碳化硼/鋁復(fù)合粉；第二步，基體材料預(yù)處理：對(duì)所需涂層的基體材料表面進(jìn)行預(yù)處理，任選以下兩種情況中的一種：1）當(dāng)基體材料為金屬材料基體時(shí)，預(yù)處理方式采用噴砂處理，隨后在噴砂處理后的金屬基體材料表面噴涂粘結(jié)底層，待用；2）當(dāng)基體材料為無(wú)機(jī)非金屬材料基體時(shí)，預(yù)處理方式采用噴砂處理或砂紙打磨處理，待用；第三步，硼化鋯基涂層的制備：...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊勇，閻殿然，張建新，董艷春，褚振華，陳學(xué)廣，王磊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12