阅读说明：本技术 一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法 (High-temperature-resistant and high-wear-resistant nickel-based titanium carbide powder and preparation method thereof ) 是由 高峰 万伟伟 李�杰 李正良 李振铎 张陆 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法,属于表面工程技术领域。粉末成分为TiC：占50～75％,NiCrAlSiX占25～50％,NiCrAlSiX中：Cr占20～23％,Al占7～10％,Si占1～2.5％,X为W+V,3％≤X总量≤8％,Ni为余量。Ni的添加保持了Cr在铁基体中的稳定性,避免喷涂过程中Cr元素的析出,提高了材料的耐腐蚀性能；添加适量的Al可以抑制TiC的溶解,保持涂层的硬度和韧性,同时也可以提高复合材料的耐腐蚀性；添加少量的硼,有助于拓宽喷涂工艺窗口,添加5～20％的Mo提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。本发明有助于TiC涂层取代WC涂层,降低喷涂成本。(A high-temperature-resistant high-wear-resistant nickel-based titanium carbide powder and a preparation method thereof, belonging to the technical field of surface engineering. The powder component is TiC: account for 50 ~ 75%, NiCrAlSiX accounts for 25 ~ 50%, among the NiCrAlSiX: 20-23% of Cr, 7-10% of Al, 1-2.5% of Si, W + V as X, not less than 3% and not more than 8% of the total amount of X, and the balance of Ni. The addition of Ni keeps the stability of Cr in an iron matrix, avoids the precipitation of Cr element in the spraying process and improves the corrosion resistance of the material; the proper amount of Al is added to inhibit the dissolution of TiC, so that the hardness and toughness of the coating are maintained, and the corrosion resistance of the composite material is improved; a small amount of boron is added, so that the spraying process window is widened, and the corrosion resistance and the wear resistance of the coating are improved by adding 5-20% of Mo. The invention is beneficial to replacing a WC coating with a TiC coating and reduces the spraying cost.)

一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法，可用于机械、石油、化工、船舶、冶金、电力等行业的表面耐磨防护。

背景技术

热喷涂技术广泛应用于航空航天、电力、冶金、石化、汽车等行业。常用的碳化物耐磨涂层材料主要有碳化钨和碳化铬涂层材料，碳化钨涂层主要用于500℃以下环境中，硬度一般在HV_0.31100以上；碳化铬涂层常用于500℃～850℃的高温耐磨环境下，碳化铬的抗氧化性较好，但硬度相对较低，常温下的硬度约为HV_0.3800左右，常难以满足使用要求。

碳化钛硬度高，纯TiC显微硬度HV_0.33200(纯WC显微硬度HV_0.32800，纯Cr3C2显微硬度HV_0.31700)，化学性能稳定，在低于800℃时对空气稳定，高于2000℃时受空气侵蚀，是一种极具应用潜力的热喷涂材料。铁基碳化钛喷涂材料由于其耐腐蚀性能较差，还处在研究之中；碳化钛镍基喷涂材料耐腐蚀性好，但热喷涂后的涂层硬度较低。以TiC-NiCr为例，在热喷涂过程中，焰流温度在2200℃以上，粉末颗粒会加热到1600℃以上，TiC易在镍中溶解，较多的TiC固溶在镍基基体中，硬质相减少，涂层硬度下降。TiC溶于镍之后会增加粘结相镍基合金中的含碳量，造成涂层韧性下降，涂层性能难以满足使用要求。超音速火焰喷涂TiC-25NiCr的涂层在常温下硬度一般为HV_0.3820-980，低于一般碳化钨涂层的使用要求。中高温(500～800℃)使用过程中TiC-NiCr的耐氧化性和耐磨性都低于Cr₃C₂-NiCr涂层。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计出新型碳化钛镍基喷涂粉末，可有效提高碳化钛金属陶瓷涂层的在高温下的耐磨性。具体技术方案为：一种耐高温高硬度镍基碳化钛粉末，成分以质量计：TiC占50～75％，NiCrAlSiX占25～50％，X为W+V；在NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，3％≤X_总量≤8％，Ni为余量。

在一些具体实施方案中，也可以在NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B，拓宽喷涂工艺窗口；添加5～20％的Mo，提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。

本发明还提供一种耐高温高硬度镍基碳化钛粉末的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料准备：TiC粉末，占复合粉末总重量的50～75％；NiCrAlSiX占25～50％，NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，X为W+V，3％≤X_总量≤8％，Ni为余量。

在一些具体实施方案中，也可以在此NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B拓宽喷涂工艺窗口，添加5～20％的Mo提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。

(2)将含有上述元素成分的粉末按比例混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入粘结剂后球磨，制得混合料浆。

(3)将上述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒。

(4)将步骤(3)制得的团聚颗粒烧结得到粉末。

(5)将步骤(4)得到的粉末筛分分级后获得成品，即为耐高温高硬度镍基碳化钛粉末。

在一些具体实施方案中，步骤(2)中粘接剂为聚乙烯醇或聚乙烯二醇，粘接剂加入量为原料总重量的1～6％，球磨时间12～72小时。

在一些具体实施方案中，步骤(3)中喷雾干燥工艺参数为：离心喷雾干燥设备的进口温度为200～240℃，出口温度为110～150℃，雾化盘转速为5000～20000r/min，送料量为100～400ml/min。

在一些具体实施方案中，步骤(4)中烧结工艺参数为：烧结在真空炉中进行，烧结温度为1210～1380℃，保温2～3小时后随炉冷却至150℃以下后出炉。

本发明的有益效果在于：

Si的添加减少了1600℃以上高温时TiC在Ni基金属中的溶解，无Si元素存在时，TiC在Ni中的溶解度可达8wt％以上，添加适量的Si元素，TiC在Ni中的溶解度降低在3wt％以下；在NiCrAlSi中添加总量在3～8％的W和V提高NiCrAlSi基体在500～800℃的硬度，高温下TiC部分溶解在镍基合金中，冷却至1200摄氏度左右时会析出M₇C₃，加入W和V后有助于在高温下生成微小的碳化物，促使碳化物在镍基体中形成弥散分布的强化相，提高镍基合金在500～800℃时的硬度，进而提高涂层的高温耐磨性。

附图说明

图1为本发明制备的耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末颗粒的形貌。

具体实施方式

以下用实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

1)称取TiC粉75kg，NiCrAlSiX粉末25kg，其中Cr占NiCrAlSiX的20％，Al占NiCrAlSiX的8％，Si占NiCrAlSiX的1％，W+V合计占5％，余量为Ni；

2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.5kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨48小时，制得混合料浆；

3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/min，送料量为300ml/min；

4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1330℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；

5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料，颗粒形貌如图1所示。

6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr₃C₂-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si₃N₄，压力40牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr₃C₂-25NiCr最大磨损深度45微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度18微米，优于Cr₃C₂-25NiCr涂层。

实施例2

1)称取TiC粉50kg，NiCrAlSiX粉末50kg，其中Cr占NiCrAlSiX的23％，Al占NiCrAlSiX的10％，Si占NiCrAlSiX的1.8％，W+V合计占5％，余量为Ni；

2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.8kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨48小时，制得混合料浆；

3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/min，送料量为300ml/min；

4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1325℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；

5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料。

6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr₃C₂-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si₃N₄，压力50牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr₃C₂-25NiCr最大磨损深度50微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度20微米，优于Cr₃C₂-25NiCr涂层。

实施例3

1)称取TiC粉60kg，NiCrAlSiX粉末40kg，其中Cr占NiCrAlSiX的23％，Al占NiCrAlSiX的10％，Si占NiCrAlSiX的1.8％，W+V合计占5％，余量为Ni；

2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.8kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨48小时，制得混合料浆；

3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/min，送料量为300ml/min；

4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1330℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；

5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料。

6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr₃C₂-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si₃N₄，压力40牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr₃C₂-25NiCr最大磨损深度45微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度15微米，优于Cr₃C₂-25NiCr涂层。