一种氮化硼纳米片增强镍三铝金属间化合物复合涂层及其制备方法
阅读说明：本技术 一种氮化硼纳米片增强镍三铝金属间化合物复合涂层及其制备方法 (Boron nitride nanosheet enhanced nickel-aluminide intermetallic compound composite coating and preparation method thereof ) 是由 陈瑶 陆小龙 刘卫卫 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni-3Al金属间化合物复合涂层的制备方法,包括：将镍粉和铝粉混合,得到混合粉末；将所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合后干燥,得到粉体；将所述粉体进行喷雾造粒,得到喷涂喂料；将所述喷涂喂料进行等离子喷涂,得到氮化硼纳米片增强Ni-3Al金属间化合物复合涂层。本发明提供了一种兼具轻质、高强韧性和润滑性能的金属间化合物复合涂层的制备方法,获得兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的新型氮化硼纳米片增强Ni-3Al金属间化合物复合涂层。本发明还提供了一种氮化硼纳米片增强Ni-3Al金属间化合物复合涂层。(The invention provides boron nitride nanosheet enhanced Ni 3 The preparation method of the Al intermetallic compound composite coating comprises the following steps: mixing nickel powder and aluminum powder to obtain mixed powder; mixing the mixed powder with the boron nitride nanosheet dispersion liquid, and drying to obtain powder; performing spray granulation on the powder to obtain a spray feed; carrying out plasma spraying on the spraying feed to obtain boron nitride nanosheet enhanced Ni 3 Al intermetallic compound composite coating. The invention provides a preparation method of an intermetallic compound composite coating with light weight, high strength and toughness and lubricating property, and a novel boron nitride nanosheet enhanced Ni with the combination of multiple excellent properties of high temperature resistance, wear resistance, corrosion resistance, low friction coefficient and the like is obtained 3 Al intermetallic compound composite coating. The invention also provides boron nitride nanosheet enhanced Ni 3 Al intermetallic compound composite coating.)
技术领域
本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层及其制备方法。
背景技术
航空航天、石化冶金、能源动力、海洋工程等国家重大高新技术装备中存在有大量事关装备服役安全的关键金属摩擦运动副零部件，其在高/低温(宽温域)、高速、重载、氧化、腐蚀等极端恶劣服役条件下承受强烈摩擦磨损而导致零部件的使役寿命降低，进而影响整个装备的可靠性和寿命。通常情况下，运动副零部件的失效始于它们的表面。因此，在保持零部件基体材料固有的综合特性(韧性、强度等)的同时，采用等离子喷涂技术在运动副零部件表面制备耐磨氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层及其制备方法，被认为是解决上述问题即经济又切实可行的有效方法。
Ni3Al金属间化合物具有许多优良的性能，包括高熔点、高抗高温氧化、耐腐蚀、较高的高温强度和蠕变抗力以及高的比强度，而且具有峰值温度以下屈服强度的正温度效应，如Ni3Al在600～900℃温度范围具有反常的屈服强度-温度关系，即随着温度的升高，强度也升高。因此，Ni3Al金属间化合物作为高温耐磨涂层在民用和军事工业中应用前景广阔。然而，Ni3Al中温动态脆性和较差的高温蠕变抗力，是阻碍其工程实际应用和发展的主要原因。如影响发动机性能的重要材料-航空发动机涡轮叶片和涡轮盘的材料，对性能要求十分苛刻，既应具有良好的强韧性配合，又应具有优异的高温耐磨性能。而单一的Ni3Al作为涂层材料往往很难满足恶劣条件对航空发动机零部件表面涂层性能的要求。大量研究结果表明，尽管Ni3Al化合物的一些性能(如室温脆性、蠕变抗力小等)可以通过合金化的方法得以改善，但性能提升的幅度非常有限。
目前，领域内研究方向主要在于发展以陶瓷纤维/颗粒(如TiC、Si3N4、Al2O3、TiB2等)增强的金属间化合物基复合材料(Intermetallic matrix composites，IMCs)，而且该方向被认为是进一步改善Ni3Al中高温力学性能和高温抗氧化性能的有效途径。但是，这些陶瓷纤维/颗粒的密度比较大，因而降低了氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层的比强度。专利CN103498074A采用放电等离子烧结制备了石墨烯增强Ni3Al复合材料，结果表明石墨烯的添加有效的提升了涂层的摩擦学性能。但是，石墨烯在温度350℃以上发生氧化，进而降低了该材料高温下的摩擦学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层及其制备方法，本发明提供的复合涂层具有较好的性能。
本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层的制备方法，包括：
将镍粉和铝粉混合，得到混合粉末；
将所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合后干燥，得到粉体；
将所述粉体进行喷雾造粒，得到喷涂喂料；
将所述喷涂喂料进行等离子喷涂，得到氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
优选的，所述混合粉末的制备方法包括：
将镍粉和铝粉用异丙醇进行球磨，得到浆料；
将所述浆料进行干燥后研磨，得到混合粉末；
所述球磨过程中的球料比例为(3～5):1，转速为200～400r/min，球磨时间为5～7小时；
所述干燥的温度为60～80℃。
优选的，所述镍粉和铝粉的质量比为(80～90)：(10～20)。
优选的，所述氮化硼纳米片分散液的制备方法包括：
将氮化硼纳米片和异丙醇混合进行超声分散，得到氮化硼纳米片分散液；
所述超声分散的时间为3～5小时。
优选的，所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合的方法包括：
将混合粉末放入氮化硼纳米片分散液中进行搅拌分散；
所述搅拌分散过程中的转速为4500～5500rpm，所述搅拌分散的时间为4～6小时。
优选的，所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合后干燥的温度为75～85℃。
优选的，所述氮化硼纳米片在粉体中的质量含量为0.5～1.5％。
优选的，所述等离子喷涂过程中的电流为750～850A，电压为35～45V，主气氩气流量为30～40slm，辅气氦气流量为30～40slm。
优选的，所述等离子喷涂过程中喷嘴距离喷涂基体的距离为80～100mm。
等离子喷涂制备的层状结构涂层性能主要受到扁平粒子形貌、强度、晶体结构和扁平粒子间及扁平粒子与基体结合强度的影响。本发明提供了一种兼具轻质、高强韧性和润滑性能的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物的制备方法，即采用均质机分散结合喷雾造粒技术制备喷涂喂料，然后将得到的粉末利用等离子喷涂技术烧结制备氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，获得兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的新型氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系，采用氮化硼纳米片(Boron Nitride Nanoplatelet,BNNP)作为增强体，特别的以Ni3Al作为基体的高温氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，利用金属铝化物金属键与共价键共存的强键结合特性、高温硬度高、化学成分特殊等独特的物理化学性质和氮化硼纳米片优异的力学性能等特性，发展兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系。
附图说明
图1为本发明实施例1～3和比较例1制备的等离子喷涂喂料的SEM图，(a)为比较例1，(b)为实施例1，(c)为实施例2，(d)为实施例3；
图2为本发明实施例1制备的粉体的SEM图；
图3为本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层的XRD衍射图谱；
图4为本发明实施例1制备的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层断面的SEM图；
图5为本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层的硬度性能检测结果；
图6为本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层的摩擦系数检测结果(图中横坐标为滑动磨损距离，纵坐标为摩擦系数)；
图7为本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层的磨损率检测结果(图中纵坐标为磨损率)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层的制备方法，包括：
将镍粉和铝粉混合，得到混合粉末；
将所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合后干燥，得到粉体；
将所述粉体进行喷雾造粒，得到喷涂喂料；
将所述喷涂喂料进行等离子喷涂，得到氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
在本发明中，所述混合粉末的制备方法优选包括：
将镍粉和铝粉用异丙醇进行球磨，得到浆料；
将所述浆料进行干燥后研磨，得到混合粉末。
在本发明中，所述球磨的设备优选为卧式行星球磨机，所述球磨过程中的球料比例优选为(3～5):1，更优选为4:1，所述球磨过程中球磨机的转速优选为200～400r/min，更优选为250～350r/min，最优选为300r/min，所述球磨的时间优选为5～7小时，更优选为6小时。
在本发明中，所述干燥的温度优选为60～80℃，更优选为70℃。
在本发明中，所述镍粉的粒度优选＜1μm；所述铝粉的粒度优选＜1μm；本发明对所述镍粉和铝粉的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的镍粉和铝粉即可，可由市场购买获得。在本发明中，所述镍粉和铝粉的质量比优选为(80～90)：(10～20)，更优选为85:15。
在本发明中，所述氮化硼纳米片分散液的制备方法优选包括：
将氮化硼纳米片和异丙醇混合进行超声分散，得到氮化硼纳米片分散液。
在本发明中，所述超声分散的时间优选为3～5小时，更优选为4小时。
在本发明中，所述氮化硼纳米片的厚度优选≤30nm，直径优选≤5μm，本发明对所述氮化硼纳米片的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的氮化硼纳米片即可，可由市场购买获得；氮化硼纳米片(BN Nanoplatelet,BNNP)具有二维结构，具有优异的力学性能(弹性模量700～900GPa、屈服强度～35GPa)、良好的热导性能300W/mK、低的密度(2.1g/cm3)和优异的高温稳定性能(大气环境下～1000℃仍保持稳定结构)，这些优异性能使BNNP成为宽温域自润滑复合材料中极具潜力的增强相，不仅能够提高复合材料的力学性能，同时能使得复合材料具有优异的宽温域自润滑性能。
在本发明中，所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合的方法优选包括：
将混合粉末放入氮化硼纳米片分散液中进行搅拌分散。
在本发明中，所述搅拌分散优选采用均质机，所述搅拌分散过程中的转速优选为4500～5500rpm，更优选为5000rpm，所述搅拌分散的时间优选为4～6小时，更优选为5小时。
在本发明中，所述混合粉末和氮化硼纳米片分散液混合后干燥优选在真空干燥箱中进行，所述干燥的温度优选为75～85℃，更优选为80℃；所述干燥完成后优选将得到的干燥粉末研磨，得到粉体。
在本发明中，所述氮化硼纳米片分散液中的氮化硼纳米片在粉体中的质量含量优选为0.5～1.5％，更优选为0.8～1.2％，最优选为1％。
在本发明中，所述喷雾造粒过程中的喷嘴转速优选为2000～2500rpm，更优选为2100～2200rpm；喷嘴进口温度优选为260～280℃，更优选为270℃；喷嘴出口温度优选为110～120℃。在本发明中，所述喷雾造粒优选包括：
将所述粉体、聚乙二醇溶液和水混合，得到浆料；
将所述浆料进行喷雾造粒，得到喷涂喂料。
在本发明中，所述聚乙二醇溶液优选为聚乙二醇水溶液，所述聚乙二醇溶液的质量浓度优选为8～12％；所述粉体、水和聚乙二醇溶液的质量比优选为(43～47):(43～47):(9～11)。
在本发明中，所述等离子喷涂过程中的电流优选为750～850A，更优选为780～820A，最优选为800A；电压优选为35～45V，更优选为38～42V，最优选为40V，主气氩气流量优选为30～40slm，更优选为35slm，辅气氦气流量优选为30～40slm，更优选为35slm，等离子喷涂过程中喷嘴距离喷涂基体的距离优选为80～100mm，更优选为85～95mm，最优选为90mm。
等离子喷涂制备的层状结构涂层性能主要受到扁平粒子形貌、强度、晶体结构和扁平粒子间及扁平粒子与基体结合强度的影响。本发明提供了一种兼具轻质、高强韧性和润滑性能的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层的制备方法，即采用均质机分散结合喷雾造粒技术制备喷涂喂料，然后将得到的粉末利用等离子喷涂技术烧结制备氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，获得兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的新型氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系，采用氮化硼纳米片(Boron Nitride Nanoplatelet,BNNP)作为增强体，特别的以Ni3Al作为基体的高温氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，利用金属铝化物金属键与共价键共存的强键结合特性、高温硬度高、化学成分特殊等独特的物理化学性质和氮化硼纳米片优异的力学性能等特性，发展兼备优异高温强韧配合和良好高温抗氧化性能，特别是具有较高比强度的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系。
本发明以下实施例所用的镍粉为上海杳田新材料科技有限公司提供的，铝粉为上海杳田新材料科技有限公司提供的，氮化硼纳米片为南京先丰纳米材料科技有限公司提供的。
比较例1
用电子天平分别称取85wt.％镍粉(～1μm)和15wt.％铝粉(～1μm)；
将镍粉和铝粉放入卧式行星球磨机中加入异丙醇进行球磨，球磨过程中球料比例为4:1，球磨机的转速为300r/min，球磨6小时，得到混合浆料；
将上述混合浆料放在真空干燥箱中70℃干燥，然后研磨成粉末，得到混合粉末；
将上述混合粉末进行喷雾造粒，得到球形等离子喷涂喂料；
将上述等离子喷涂喂料进行等离子喷涂，电流为800A，电压为40V，主气氩气流量35slm，辅气氦气流量35slm，等离子喷涂喷嘴距离喷涂基体距离90mm，得到复合涂层。
实施例1
用电子天平分别称取85wt.％镍粉(～1μm)和15wt.％铝粉(～1μm)；
将镍粉和铝粉放入卧式行星球磨机中加入异丙醇进行球磨，球磨过程中球料比例为4:1，球磨机的转速为300r/min，球磨6小时，得到混合浆料；
将上述混合浆料放在真空干燥箱中70℃干燥，然后研磨成粉末，得到混合粉末；
将氮化硼纳米片放在异丙醇中进行超声分散4小时，得到氮化硼纳米片分散液；
将所述混合粉末放入氮化硼纳米片分散液中，用均质机进行搅拌分散，转速为5000rpm，时间为5小时，将得到的混合液在真空干燥箱中80℃干燥，然后研磨成粉末，得到粉体，氮化硼纳米片在粉体中的质量含量为0.5％；
将聚乙二醇溶解在水中，聚乙二醇在水中的质量分数为10wt％，得到聚乙二醇溶液；将上述粉体、水和聚乙二醇溶液按照质量分数比为45:45:10混合，得到浆料；将得到的浆料进行喷雾造粒，喷嘴转速2100rpm，喷嘴进口温度270℃，出口温度115℃，得到球形等离子喷涂喂料；
将上述等离子喷涂喂料进行等离子喷涂，电流为800A，电压为40V，主气氩气流量35slm，辅气氦气流量35slm，等离子喷涂喷嘴距离喷涂基体距离90mm，得到氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
实施例2
用电子天平分别称取85wt.％镍粉(～1μm)和15wt.％铝粉(～1μm)；
将镍粉和铝粉放入卧式行星球磨机中加入异丙醇进行球磨，球磨过程中球料比例为4:1，球磨机的转速为300r/min，球磨6小时，得到混合浆料；
将上述混合浆料放在真空干燥箱中70℃干燥，然后研磨成粉末，得到混合粉末；
将氮化硼纳米片放在异丙醇中进行超声分散4小时，得到氮化硼纳米片分散液；
将所述混合粉末放入氮化硼纳米片分散液中，用均质机进行搅拌分散，转速为5000rpm，时间为5小时，将得到的混合液在真空干燥箱中80℃干燥，然后研磨成粉末，得到粉体，氮化硼纳米片在粉体中的质量含量为1％；
将聚乙二醇溶解在水中，聚乙二醇在水中的质量分数为10wt％，得到聚乙二醇溶液；将上述粉体、水和聚乙二醇溶液按照质量分数比为45:45:10混合，得到浆料；将得到的浆料进行喷雾造粒，喷嘴转速2100rpm，喷嘴进口温度270℃，出口温度115℃，得到球形等离子喷涂喂料；
将上述等离子喷涂喂料进行等离子喷涂，电流为800A，电压为40V，主气氩气流量35slm，辅气氦气流量35slm，等离子喷涂喷嘴距离喷涂基体距离90mm，得到氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
实施例3
用电子天平分别称取85wt.％镍粉(～1μm)和15wt.％铝粉(～1μm)；
将镍粉和铝粉放入卧式行星球磨机中加入异丙醇进行球磨，球磨过程中球料比例为4:1，球磨机的转速为300r/min，球磨6小时，得到混合浆料；
将上述混合浆料放在真空干燥箱中70℃干燥，然后研磨成粉末，得到混合粉末；
将氮化硼纳米片放在异丙醇中进行超声分散4小时，得到氮化硼纳米片分散液；
将所述混合粉末放入氮化硼纳米片分散液中，用均质机进行搅拌分散，转速为5000rpm，时间为5小时，将得到的混合液在真空干燥箱中80℃干燥，然后研磨成粉末，得到粉体，氮化硼纳米片在粉体中的质量含量为1.5％；
将聚乙二醇溶解在水中，聚乙二醇在水中的质量分数为10wt％，得到聚乙二醇溶液；将上述粉体、水和聚乙二醇溶液按照质量分数比为45:45:10混合，得到浆料；将得到的浆料进行喷雾造粒，喷嘴转速2100rpm，喷嘴进口温度270℃，出口温度115℃，得到球形等离子喷涂喂料；
将上述等离子喷涂喂料进行等离子喷涂，电流为800A，电压为40V，主气氩气流量35slm，辅气氦气流量35slm，等离子喷涂喷嘴距离喷涂基体距离90mm，得到氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
性能检测
对本发明实施例1～3和比较例1制备得到的等离子喷涂喂料进行SEM检测，检测结果如图1所示(图1中(a)为比较例1，(b)为实施例1，(c)为实施例2，(d)为实施例3)，由图1可知，粉末球形度良好，尺寸分布均匀。
对本发明实施例1制备的粉体进行SEM检测，检测结果如图2所示，由图2可知，少层氮化硼纳米片均匀分散在粉末内部。
对本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层进行XRD检测，检测结果如图3所示，由图3可知，氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层中主要有Ni3Al、少量Al2O3和NiO。
对本发明实施例1制备的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层断面进行SEM检测，检测结果如图4所示，由图4可知，少层氮化硼纳米片均匀分散在涂层内部。
对本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层进行硬度检测，经过显微硬度计(XD-1000TMC/LCD，上海泰明光学仪器有限公司)测量得到涂层不添加氮化硼纳米片和添加氮化硼纳米片含量分别为0.5wt.％、1.0wt.％、1.5wt.％的硬度分别是325HV0.2，358HV0.2，384HV0.2及417HV0.2，如图5所示，可知，随着氮化硼纳米片的增多，涂层的力学性能增强。
对本发明实施例1～3和比较例1制备的复合涂层进行摩擦磨损测试，经过摩擦磨损试验机(HT1000，兰州中科凯华科技开发有限公司)在载荷20N、转速300rpm、旋转半径2mm和对磨球为直径为4mm的氧化铝球测量得到涂层的摩擦系数和磨损量如图6和图7所示，可知，随着氮化硼纳米片的增多，涂层的耐磨和减摩性能提升。
等离子喷涂制备的层状结构涂层性能主要受到扁平粒子形貌、强度、晶体结构和扁平粒子间及扁平粒子与基体结合强度的影响。本发明提供了一种兼具轻质、高强韧性和润滑性能的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层的制备方法，即采用均质机分散结合喷雾造粒技术制备喷涂喂料，然后将得到的粉末利用等离子喷涂技术烧结制备氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，获得兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的新型氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层。
本发明提供了一种氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系，采用氮化硼纳米片(Boron Nitride Nanoplatelet,BNNP)作为增强体，特别的以Ni3Al作为基体的高温氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层，利用金属铝化物金属键与共价键共存的强键结合特性、高温硬度高、化学成分特殊等独特的物理化学性质和氮化硼纳米片优异的力学性能等特性，发展兼备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低摩擦系数等多种优异性能配合的氮化硼纳米片增强Ni3Al金属间化合物复合涂层材料体系。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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