【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于粉末冶金和表面工程，特別涉及一種陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層、制備方法及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、具有高cr、高ni含量的奧氏體不銹鋼，擁有優(yōu)良的抗氧化性和耐蝕性，多用于高溫耐熱零部件，比如球團(tuán)礦生產(chǎn)主要設(shè)備鏈篦機(jī)中的篦板材料，不僅長時間在高溫環(huán)境下服役(約800℃)，由于篦板在高溫和低溫區(qū)間的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，還要經(jīng)受熱沖擊的考驗。不銹鋼雖然抗高溫氧化性能優(yōu)異，但是也具有硬度低、耐磨性差等缺點。為了提高不銹鋼的表面硬度，減少磨損，常常采用在不銹鋼表面增加涂層的方法，比如在其表面制備出一層硬質(zhì)陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋼鐵基復(fù)合材料涂層，雖然這種方法能夠大幅提升不銹鋼表面硬度，改善耐磨性，但是卻常常忽略掉涂層在熱沖擊條件下的服役壽命問題。常用的硬質(zhì)陶瓷顆粒多為碳化物顆粒，比如碳化鈮、碳化鎢等。該類碳化物的熱導(dǎo)率低，僅為14-29w/(m·k)，不利于熱量的快速傳導(dǎo)，且熱膨脹系數(shù)與不銹鋼差異巨大，常常導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，誘導(dǎo)裂紋的出現(xiàn)，從而造成基體剝落，急劇降低使用壽命。
2、aln陶瓷熱導(dǎo)率高達(dá)320w/(m·k)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他陶瓷，具有良好的耐熱沖擊性和優(yōu)異的抗熱震性能。此外，細(xì)小顆粒由于其小尺寸效應(yīng)，能在基體中形成高效的熱傳導(dǎo)路徑，這些路徑有助于熱量在基體中的快速傳播，從而提高整體材料的熱導(dǎo)率。
3、現(xiàn)有技術(shù)常采用陶瓷顆粒直接外加法和元素粉末混合法進(jìn)行陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層的制備，陶瓷顆粒外加法，容易出現(xiàn)顆粒與基體的界面結(jié)合不良，形成熱阻，阻礙熱量的有效傳遞。熱量無法有效傳遞會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)熱變形
4、元素粉末混合法常常由于兩種粉末或多種粉末密度的差異，造成元素分布的不均勻，而這種不均勻會傳遞到最終的涂層材料中，引發(fā)陶瓷顆粒分布的不均勻，會形成“熱島效應(yīng)”，導(dǎo)致熱量在團(tuán)聚區(qū)域積累而無法有效散發(fā)，同樣不利于抗熱沖擊性能的改善。
5、針對于aln陶瓷顆粒，如果是成品顆粒外加，還面臨成本昂貴的難題，因為純aln顆粒的大規(guī)模制備難度極大。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層的方法使材料性能不好的技術(shù)問題，提供一種復(fù)合涂層材料、制備方法及應(yīng)用。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
3、一種陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，包括陶瓷組分和合金組分，所述陶瓷組分包括aln，所述合金組分為鐵基合金，所述鐵基合金中包括金屬鋁，所述復(fù)合涂層材料通過對含氮的預(yù)合金粉末進(jìn)行激光熔覆得到。
4、本專利技術(shù)的技術(shù)方案中，采用激光熔覆原位生成陶瓷顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層，有效提高了不銹鋼表面涂層的硬度，采用aln作為硬質(zhì)陶瓷顆粒，且通過原位生成的方式獲得細(xì)小彌散aln沉淀增強(qiáng)的fe基復(fù)合材料涂層。因為aln的理論熱導(dǎo)率高達(dá)320w/(m·k)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他陶瓷，具有良好的耐熱沖擊性和優(yōu)異的抗熱震性能。此外，細(xì)小顆粒由于其小尺寸效應(yīng)，能在基體中形成高效的熱傳導(dǎo)路徑，這些路徑有助于熱量在集基體中的快速傳播，從而提高整體材料的熱導(dǎo)率，緩解由于熱沖擊帶來的界面開裂或涂層開裂。本專利技術(shù)的涂層材料中，使用含固溶n元素的鐵基預(yù)合金粉末，通過激光熔覆法高溫快速加熱及快速冷卻，原位反應(yīng)生成了aln沉淀增強(qiáng)的fe基復(fù)合材料涂層，aln主要起到增加熱導(dǎo)率，提升抗熱沖擊性能及提升服役壽命的作用。
5、作為本專利技術(shù)的優(yōu)選技術(shù)方案，所述aln在所述鐵基復(fù)合涂層中的質(zhì)量占比為0.15-0.5％。
6、aln的比例太少，對于涂層的硬度和導(dǎo)熱性能起不到太大的提升作用，占比太多，容易出現(xiàn)大尺寸的aln顆粒，造成表面積減小，既不利于形成高效的熱傳導(dǎo)路徑，aln陶瓷本身也容易在熱沖擊下形成裂紋。
7、較優(yōu)選的，所述鐵基合金組分中，包括鉻元素、鋁元素、鎳元素和鐵元素，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為14％-19％、所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為4％-7％、所述鎳元素的質(zhì)量百分含量為9％-14％，余量為鐵。其中鎳元素是激光熔覆過程中，從不銹鋼中熔進(jìn)涂層。
8、較優(yōu)選的，所述含氮的預(yù)合金粉末中，固溶氮元素的質(zhì)量含量范圍為0.05％-0.1％，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為5％-10％，所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為8-15％，余量為鐵。
9、cr主要起到固溶強(qiáng)化作用，鉻具有很高的硬度，可以提高鐵制品的硬度和耐磨性，使其對摩擦、刮擦和撞擊等物理損傷有更好的抵抗能力；al主要起到高溫形成氧化鋁膜，增加抗氧化能力以及作為aln的合成原料。
10、鉻含量過高，會導(dǎo)致最后生成的涂層硬度太高，容易開裂，因為cr元素和fe元素在高溫條件下極易生成sigma相等脆性相，嚴(yán)重降低材料的塑性和韌性。含量過低會導(dǎo)致含氮量降低。因為在cr與n有較好的親和力，cr的增加有助于提高水霧化粉末中的n含量。
11、優(yōu)選的，所述aln的粒徑范圍是0.2μm-2μm。
12、一種復(fù)合涂層材料的制備方法，包括如下步驟：
13、步驟s1、將制備原料按照重量比例混合，在氮?dú)獗Ｗo(hù)作用下，通過水霧化法制備得到含氮的預(yù)合金粉末備用；
14、步驟s2、通過激光熔覆法將所述含氮的預(yù)合金粉末熔覆于奧氏體不銹鋼基體上，形成陶瓷顆粒復(fù)合涂層。
15、本專利技術(shù)的制備方法中，通過水霧化法將氮摻入涂層制備原料中，形成含氮的預(yù)合金粉末，再將含氮的預(yù)合金粉末通過激光直接熔覆于不銹鋼基體上，形成復(fù)合涂層。該方法能夠保證涂層含有大量原位反應(yīng)生成的亞微米尺寸的aln顆粒，與基體界面結(jié)合良好，且相界面干凈。因為aln的理論熱導(dǎo)率高達(dá)320w/(m·k)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他陶瓷，具有良好的耐熱沖擊性和優(yōu)異的抗熱震性能。通過激光熔覆法原位生成細(xì)小彌散aln沉淀增強(qiáng)的fe基復(fù)合材料涂層。細(xì)小顆粒由于其小尺寸效應(yīng)，能在基體中形成高效的熱傳導(dǎo)路徑，這些路徑有助于熱量在基體中的快速傳播，從而提高整體材料的熱導(dǎo)率。
16、作為較優(yōu)選的實施方式，所述預(yù)合金粉末的粒徑為100μm-200μm。
17、粉末粒度太小，容易被熔覆氣流吹走，造成損失；粒度太大，不利于制粉過程中n的固溶進(jìn)入粉末。
18、作為較優(yōu)選的實施方式，所述激光的功率范圍為500-1000w。
19、作為較優(yōu)選的實施方式，所述激光的掃描速度為5mm/s-15mm/s。
20、作為較優(yōu)選的實施方式，在惰性氣體下進(jìn)行激光熔覆，所述惰性氣體為氬氣，所述氬氣的流量為5-20l/min，送粉氬氣的流量為3-8l/min。
21、優(yōu)選的，制備原料包括鋁塊、鉻塊和鐵塊；
22、或者，制備原料包括鋁塊和鐵鉻合金塊。鋁塊純度97％以上,尺寸50-100mm，鐵鉻合金塊粒徑約為5mm-10mm,含cr元素60-70％，純度96％以上。
23、本專利技術(shù)的涂層主要應(yīng)用于不銹鋼基體為奧氏體不銹鋼，其化學(xué)組成為：24.05％cr、19.05％ni、1.26％mn、0.46％si、0.08％c、p<0.03％、s&l本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，包括陶瓷組分和合金組分，所述陶瓷組分包括AlN，所述合金組分為鐵基合金，所述鐵基合金中包括鋁元素，所述復(fù)合涂層材料通過對含氮的預(yù)合金粉末進(jìn)行激光熔覆得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述AlN在所述鐵基復(fù)合涂層中的質(zhì)量占比為0.15-0.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述鐵基合金組分中，包括鉻元素、鋁元素、鎳元素和鐵元素，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為14％-19％、所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為4％-7％、所述鎳元素的質(zhì)量百分含量為9％-14％，余量為鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述含氮的預(yù)合金粉末中，氮含量百分比為0.05％-0.1％，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為5％-10％，所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為8-15％，余量為鐵。
5.一種權(quán)利要求1-4任一項所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)合金
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述復(fù)合涂層的厚度為0.5mm-1.5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述激光的功率范圍為500W-1000W，所述激光的掃描速度為5mm/s-15mm/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在惰性氣體下進(jìn)行激光熔覆，所述惰性氣體為氬氣，所述氬氣的流量為5-20L/min，送粉氬氣的流量為3-8L/min。
10.一種不銹鋼產(chǎn)品，包括奧氏體不銹鋼基體，其特征在于，還包括如權(quán)利要求1-4任一項所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，或者，如權(quán)利要求6-9任一項所述的制備方法制得的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，包括陶瓷組分和合金組分，所述陶瓷組分包括aln，所述合金組分為鐵基合金，所述鐵基合金中包括鋁元素，所述復(fù)合涂層材料通過對含氮的預(yù)合金粉末進(jìn)行激光熔覆得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述aln在所述鐵基復(fù)合涂層中的質(zhì)量占比為0.15-0.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述鐵基合金組分中，包括鉻元素、鋁元素、鎳元素和鐵元素，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為14％-19％、所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為4％-7％、所述鎳元素的質(zhì)量百分含量為9％-14％，余量為鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強(qiáng)的鐵基復(fù)合涂層，其特征在于，所述含氮的預(yù)合金粉末中，氮含量百分比為0.05％-0.1％，所述鉻元素的質(zhì)量百分含量為5％-10％，所述鋁元素的質(zhì)量百分含量為8-15％，余量為鐵。
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙朝鄧，冷強(qiáng)，鮮勇，
申請(專利權(quán))人：成都大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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