[发明专利]一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法

说明书

本发明提供了一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材，包括芯粉和外皮，芯粉的粒度为160～170目，外皮材料为304L不锈钢，芯粉的成分按质量百分比计为：碳化钛15～35％，硼铁6～18％，金属钼粉0.1～2％，五氧化二钒0.3～5％，二氧化硅1～5％，氧化铝0.5～6％，碳粉5～20％，稀土氧化物0.1～3％，余量为铁，本发明还提供了上述丝材的制备方法。根据本发明配方制备得到的丝材，导电性能良好，融化充分，喷涂工艺稳定，喷涂得到的涂层质量良好，没有明显晶界，具备超高硬度及优异的耐磨粒磨损性能，相对耐磨性高于YG8硬质合金，可广泛应用于1100℃以下摩擦磨损和冲蚀磨损环境。

技术领域

本发明属于复相陶瓷技术领域，具体涉及一种原位生成碳硼复相陶瓷的热喷涂丝材及制备方法。

背景技术

碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度(30GPa)是其他材料无可比拟的，是超硬材料家族中的重要成员。在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合(90％)，具有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52g/cm³)、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力，较低的膨胀系数(5.0×10^-6/K)和热电性能(140S/m，室温)，故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。但由于碳化硼本身具有较低的断裂韧性、过高的烧结温度、抗氧化能力较差、以及对金属的稳定性较差等缺点，限制了其在工业上的进一步应用。所以国内外的科研工作者对改善碳化硼陶瓷的性能进行了大量研究，并提出了碳化硼复相陶瓷的概念。碳化硼粉末的工业制取方法主要有电弧喷涂法、碳管炉及电弧炉碳热还原法、高温自蔓延合成法、激光化学气相反应法和溶胶-凝胶碳热还原法等。

电弧喷涂技术具有高效、低成本、适合现场和大面积施工等优点，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。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。

CN102877018A公开了一种复相陶瓷涂层的原位反应合成制备方法，首先选择适宜的金属外皮材料，在外皮内包裹一种自蔓延高温合成体系的反应型药芯，制备粉芯丝材，利用电弧喷涂设备进行自反应电弧喷涂，喷涂过程中通过电弧引燃喷涂体系的高放热自蔓延反应，在快速生成目标陶瓷相的同时，利用电弧能量与自蔓延反应放热获得高温陶瓷熔体，并以高压雾化气体使其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，发明设备简单，成本低，适用面广，可应用于军事和民用工业装备中承受磨损、腐蚀和高温环境的零部件表面强化与防护，然而该发明所提供的方法稳定性不够理想，自蔓延反应速度难以控制。CN1730713公开了一种循环流化床锅炉用高强耐磨电弧喷涂丝材，以304L不锈钢带或不锈钢带为丝材外皮，丝芯中添加有CrB₂和B₄C的混合物粉末，该发明所述电弧喷涂丝材应用于循环流化床锅炉受热面防磨效果很好，是市场上一般耐磨丝材制作的涂层寿命的2-3倍，然而该发明的施工难易未见报道。