[發明專利]一種NiAl-TiB2復合梯度涂層及其制備方法

無效

• 申請號: 201110418372.2
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN102560315A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 侯世香;劉宗德
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: C23C4/04
• 分類號: C23C4/04;C23C4/12
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于涂層制備技術領域，具體涉及一種NiAl-TiB₂復合梯度涂層及其制備方法。

背景技術

金屬間化合物NiAl具有較好的高溫抗氧化性，較高的熔點(1640℃)，較高的彈性模量(294GPa)，較高的熱膨脹系數(12.6×10^-6K^-1)和高的熱導率。然而其室溫塑性差及高溫強度低等制約了其應用。NiAl主要作為高溫涂層材料保護其基體免于氧化、腐蝕和磨損，NiAl涂層已用于Ni基和Co基高溫合金。

提高NiAl室溫韌性及高溫強度的途徑主要有合金化法，或加入細小的金屬陶瓷顆粒增強劑，如TiB₂等。TiB₂具有高的熔點(2980℃)，高的硬度(34GPa，NiAl的硬度大約是3MPa)，高的彈性模量(370GPa)，高的熱導率和較低的熱膨脹系數(8.2×10^-6K^-1)，極好的耐磨損、抗酸堿和抗熱性能。但由于TiB₂的高脆性和材料制備的困難性，使其很難用作結構材料。通過各種工藝制備含有TiB₂陶瓷相的涂層既可充分發揮材料的優異特性，又能滿足工件所需的耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能。TiB₂在NiAl內極其穩定，二者有非常好的化學相容性。已有的研究表明，NiAl-TiB₂復合材料實現了強度、塑性和韌性的同時提高。

由于NiAl和TiB₂之間的膨脹系數的差別，制備的復合材料從液相冷卻下來時，在TiB₂周圍會產生應力，并且隨TiB₂的含量和顆粒尺寸增大而增大。梯度涂層具有許多單一涂層無法比擬的優點，能很好地解決基體與涂層間、涂層之間因熱膨脹系數及彈性模量等性能不相匹配的問題，并且可提高涂層與基體間的結合強度。由金屬材料(或金屬間化合物)和陶瓷材料形成的復合梯度涂層，具有大溫差環境下不脫落的優良性能。鑒于NiAl和TiB₂的性能特點，將其制備成NiAl-TiB₂復合梯度涂層會得到極好的綜合力學性能。

復合梯度涂層的制備主要集中在沉積法、熱噴涂法(等離子、火焰等)、滲透法及激光熔覆法。其局限性在于：(1)成本較高。大多工藝過程較長，生產效率較低，且設備系統操作復雜。(2)涂層與基體之間、梯度涂層間結合強度較低等。(3)通常的制備方法在增強顆粒TiB₂周圍產生內應力較大。

原位合成技術可得到增強顆粒細小、熱力學性能穩定、結合強度高的復合材料。電熱爆炸噴涂技術可實現NiAl-TiB₂復合材料的原位合成，復合梯度涂層間可實現冶金結合，得到細小的亞微米晶粒。而熱壓放熱反應合成法制備的NiAl及NiAl-20％TiB₂復合材料，其平均晶粒尺寸分別為200μm和20μm，其中TiB₂顆粒尺寸在0.5-3μm之間。電熱爆炸噴涂得到的涂層硬度較高，本發明合成的NiAl涂層、NiAl-10％TiB₂和NiAl-20％TiB₂復合涂層，平均硬度分別為5.6、9.9和10.6GPa。而反應粉末處理技術合成的NiAl、NiAl-10％TiB₂和NiAl-20％TiB₂復合材料的硬度分別是3、3.4和4.5GPa。

發明內容

本發明的目的在于提供一種NiAl-TiB₂復合梯度涂層，解決涂層與基體材料間以及復合梯度涂層間難以實現冶金結合的問題。

本發明的目的還在于提供上述NiAl-TiB₂復合梯度涂層的制備方法。

一種NiAl-TiB₂復合梯度涂層，該涂層由0-2層過渡層和3-10層梯度涂層組成；每層過渡層由噴涂的Ni和Al組成；梯度涂層由按TiB₂占該層總重的百分比遞增的配比噴涂的Ni、Al、Ti和B組成；單次噴涂涂層厚度15-20μm，過渡層的總厚度為0-40μm；梯度涂層的總厚度為50-200μm。

過渡層和梯度涂層中Ni和Al的摩爾比為(0.9-1.2)∶1；梯度涂層中B粉和Ti箔的摩爾比為(1.8-2.3)∶1，TiB₂占該層總重的百分比以2-10％的比重逐層遞增。