一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺

摘要

本发明公开了一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺，包括以下步骤：（1）将金属粉末与陶瓷粉末混合球磨，获得浆料A；（2）对浆料A进行喷雾造粒，得到粉末B；（3）对粉末B进行分级，得到两级以上粒度不同的粉末C；（4）使不同粒度的粉末分别在不同的温度下烧结，烧结完成后分别进行破碎和分级，得到不同松装密度的粉末D；（5）将不同松装密度的粉末D混合，得到喷涂用金属陶瓷粉末。本发明提高了金属陶瓷粉末利用率，改善了热喷涂的沉积率，提高了涂层的致密度，获得了一个较好的综合效果。

权利要求

1.一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺，包括以下步骤：(1)将金属粉末与陶瓷粉末混合球磨，获得浆料A；

(2)对浆料A进行喷雾造粒，得到粉末B；

其特征在于，还包括：

(3)对粉末B进行分级，得到两级以上粒度不同的粉末C；

(4)将不同粒度的粉末分别在不同的温度下烧结，烧结完成后分别进行破碎和分级，得到不同松装密度的粉末D；粉末B分为n级，得到粉末C，按粒度从小到大，粉末C分别为粉末C1、C2、……、Cn，烧结温度分别为T1、T2、……、Tn，烧结温度的单位均为℃；其中，T1>T2>……>Tn，n为大于1的自然数；

(5)将不同松装密度的粉末D混合，得到喷涂用金属陶瓷粉末。

2.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，粉末C中，粒径最小为4微米，粒径最大为

60微米。

3.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，将粉末B分为两级，得到粒度不超过c微米的粉末C1和粒度大于c微米的粉末C2，其中，c＝25。

4.如权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，粉末C1的烧结温度为1170-1200℃；粉末C2的烧结温度为1160-1190℃。

5.如权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，粉末C1的烧结温度为T1℃，粉末C2的烧结温度为T2℃，T2+40≥T1≥T2+10。

6.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，将粉末B分为三级，分别为粉末C1、C2和C3，其粒度分别为d、e和f微米；其中，d＜e＜f；4≤d≤18；46≤f≤60。

7.如权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，粉末C1的烧结温度为T1℃，粉末C2的烧结温度为T2℃，粉末C3的烧结温度为T3℃，T2+30≥T1≥T2+8；T3+30≥T2≥T3+8。

8.如权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，粉末D中，粒径最小为4微米，粒径最大为

60微米。

9.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述金属粉末为Ni、Co、Cr、Fe、Al和Mo中的一种和多种；所述陶瓷粉末为WC、Cr3C2、TiC、TiB2、WB和Mo2B中的一种和多种。

说明书

一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺，属于热喷涂领域。

背景技术

[0002] 当前采用热喷涂特别是超音速火焰喷涂的金属陶瓷粉末有WC-Ni，WC-Co，WC-CoCr，WC-Cr3C2-Ni，Cr3C2-NiCr等金属陶瓷粉末材料，上述粉末材料可制备相应复合涂层，被广泛应用于工业生产中需要防腐耐磨的场合。当前，金属陶瓷粉末大多采用团聚法来制备，其工艺过程一般由物料混合球磨、喷雾造粒、烧结、破碎和过筛分级组成。

[0003] 上述工艺中，喷雾造粒是将细小颗粒的金属和陶瓷颗粒团聚成尺寸较大的球形颗粒，便于喷涂时能顺利送粉。烧结是为了除去球形颗粒中的有机粘结剂，并且还能提高球形粉末颗粒的机械强度，使其在喷涂送粉过程中不容易破碎。

[0004] 发明人发现，当前采用喷雾造粒获得的金属陶瓷粉末都是在同一温度下烧结得到，烧结后的物料再经过破碎、筛分和气流分级获得松装密度一致的热喷涂粉末。

[0005] 当经过喷雾造粒的金属陶瓷粉末在较低温度下烧结时，获得的粉末松装密度也较低，这种粉末中较大尺寸的粉末粒子在喷涂焰流中能充分熔融或软化(获得的涂层较致密)，但小尺寸粉末粒子很容易发生过熔的现象，过熔的粒子常常粘附在枪管的内壁，造成堵枪和大熔滴现象(即使将粉末下限提高到20微米都不能避免这种大熔滴现象)，最终导致喷涂过程不稳定，相应的涂层磨削后表面有凹坑，而导致其合格率也很低。

[0006] 当经过喷雾造粒的金属陶瓷粉末在高温下烧结时，所获得粉末粒子致密度高(粉末松装密度高)。在喷涂过程中，这种粉末中的小尺寸致密粒子受热熔融或软化充分，但大尺寸的致密粒子在喷涂的焰流中受热不充分，粒子撞击到基体上时，其心部未充分熔融或软化的部分容易发生反弹，导致粉末的沉积率较低。

[0007] 当经过喷雾造粒的金属陶瓷粉末在适中温度烧结时，获得的粉末松装密度也适中，粉末的沉积率和和涂层致密度都适中。对于这种松装密度适中的粉末，细颗粒的粉末在喷涂过程中仍然有较大的倾向发生过熔，因此，为了减少这种过熔现象，需要将该粉末粒度分布的下限尺寸提高至15微米甚至20微米，从而造成喷雾造粒粉末的利用率大大降低。另外，要想通过喷涂这种中等松装密度的金属陶瓷粉末来制备高致密度的涂层还必须选择高的喷涂参数(增大喷涂时燃料和氧气的消耗)，这又会导致粉末的沉积率大大降低。

[0008] 可见，采用松装密度一致的金属陶瓷粉末来制备相应涂层，无论是低、中松装密度还是高松装密度，都难以获得令人满意的结果。因此，急需对传统的金属陶瓷粉末的设计和制备工艺进行优化，以获得喷涂过程稳定、粉末的沉积率和涂层致密度都较高的金属陶瓷粉末。

发明内容

[0009] 本发明拟将解决如何提高喷雾造粒金属陶瓷粉末的利用率，保持喷涂过程的稳定性以及该粉末喷涂沉积率和涂层致密度不可兼得等问题。

[0010] 本发明的技术方案是，提供一种热喷涂用金属陶瓷粉末的制备工艺，包括以下步骤：

[0011] (1)将金属粉末与陶瓷粉末混合球磨，获得浆料A；

[0012] (2)对浆料A进行喷雾造粒，得到粉末B；

[0013] (3)对粉末B进行分级，得到两级以上粒度不同的粉末C(分别为粉末C1、C2、……Cn)；

[0014] (4)使不同粒度的粉末C(粉末C1、C2、……Cn)分别在不同的温度下烧结，烧结完成后分别进行破碎和分级，得到不同松装密度的粉末D(分别为粉末D1、D2、……Dn)；

[0015] (5)将不同松装密度的粉末D混合，得到喷涂用金属陶瓷粉末。

[0016] 优选地，粉末C中，粒径最小为a微米，粒径最大为b微米；其中4≤a≤8；50≤b≤60。

[0017] 优选地，步骤(3)中，粉末B分为n级，按粒度从小到大，分别为粉末C1、C2、……、Cn，烧结温度分别为T1、T2、……、Tn，烧结温度的单位均为℃；其中，T1＞T2＞……＞Tn，n为大于1的自然数。

[0018] 优选地，将粉末B分为两级，得到粒度不超过c微米的粉末C1和粒度大于c微米的粉末C2，其中，25≤c≤35。

[0019] 优选地，粉末C1的烧结温度为1170-2000℃；粉末C2的烧结温度为1160-1190℃。

[0020] 优选地，粉末C1的烧结温度为T1℃，粉末C2的烧结温度为T2℃，T2+40℃≥T1≥T2+10℃。

[0021] 优选地，将粉末B分为三级，分别为粉末C1、C2和C3，其粒度分别为d、e和f微米；其中，d＜e＜f，a≤d≤a+14微米；b-14微米≤f≤b，粉末C2的粒度分布e介于d和f之间。

[0022] 优选地，粉末C1的烧结温度为T1℃，粉末C2的烧结温度为T2℃，粉末C3的烧结温度为T3℃，T2+30℃≥T1≥T2+8℃；T3+30℃≥T2≥T3+8℃。优选地，T2+20℃≥T1≥T2+10℃；T3+20℃≥T2≥T3+10℃。

[0023] 优选地，粉末D中，粒径最小为a微米，粒径最大为b微米。

[0024] 优选地，所述金属粉末为Ni、Co、Cr、Fe、Al和Mo中的一种和多种；所述陶瓷粉末为WC、Cr3C2、TiC、TiB2、WB和Mo2B中的一种和多种。

[0025] 具体来说，本发明的制备工艺包括的步骤有：

[0026] (1)将一定比例的金属粉末(Ni,Cr,Co，Fe和Mo中的一种或多种)和陶瓷粉末(WC,Cr3C2,TiC,WB,TiB2,Mo2B中的一种或多种)以及硬质合金球、去离子水、聚乙烯醇放入球磨机球磨10-40个小时，获得金属陶瓷混合浆料(将金属陶瓷粉末的总量定为100份时，硬质合金球的比例为700份，去离子水的比例为20-25份，聚乙烯醇的比例为2份)；

[0027] (2)将上述浆料导入离心式喷雾塔进行喷雾造粒，获得形状为球形的金属陶瓷复合粉末；

[0028] (3)将上述造粒后的粒子进行筛分和气流分级获得粒度分布不同的两种或两种以上的球形金属陶瓷粉末；(粒度分布分为两个区段：5-30微米和30-53微米，或粒度分布为3个区段5-20微米，20-38微米以及38-53微米，或更多区段)；

[0029] (4)将上述粒度分布不同的粉末在不同温度下的还原性气氛炉和真空炉中烧结，其中，细颗粒粉末在高温下烧结，获得高致密度的细颗粒粉末(松装密度高)；中等尺寸的粉末在中等温度下烧结，获得中等致密度的粉末；粗颗粒粉末在较低温度下烧结获得低致密度的粗颗粒粉末(松装密度较低)；

[0030] (5)将上述烧结获得的粉末进行破碎，并再次分筛和气流分级以除去各自粉末中由于破碎工艺造成的粒子尺寸小于该粉末粒度分布下限尺寸的粒子。

[0031] (6)将去除小于该粉末粒度分布下限尺寸的粉末再进行机械混合得到新型金属陶瓷粉末(该混合粉末的粒度分布范围为5-53微米，并且，尺寸较小的粉末松装密度高，尺寸较大的粉末松装密度较低)。

[0032] 下面对本发明作进一步解释说明，其中文中用P1、P2……等标号表示物料的代号，仅用于便于区分，没有确定的含义。

[0033] 例如选择Ni,Cr,Co，Fe和Mo中的一种或多种金属元素(金属占粉末P1总质量百分比为7％-40％)的金属粉末和WC，Cr3C2，TiC，WB，TiB2，Mo2B中的一种或多种陶瓷粉末(陶瓷占粉末P1总质量百分比为60％-93％)组合得到混合粉末P1。将P1分别与占P1总质量20-25％去离子水和2％的聚乙烯醇球磨混合，获得由上述组分均匀混合球磨形成的浆料P2。将浆料P2导入离心式喷雾塔中进行喷雾干燥造粒，获得粒度呈一定范围分布的金属陶瓷粉末P3，将喷雾干燥获得的金属陶瓷粉末P3进行分筛和气流分级得到粒度分布不同的细颗粒粉末P4，中等粒度粉末P5和粗颗粒粉末P6。

[0034] 将分级后的粉末P4,P5和P6分别装入石墨舟或陶瓷舟中，并置入具有还原性气氛的气氛炉或真空炉中进行烧结。其中，细颗粒粉末P4在较高的温度下烧结和破碎，获得高致密度粉末P7(粉末松装密度高)；中等颗粒尺寸的粉末P5在中等的烧结温度下烧结和破碎，获得中等致密度的粉末P8(粉末松装密度适中)；粗颗粒粉末P6在较低温度下烧结和破碎获得低致密度的粉末P9(粉末松装密度较低)。

[0035] 采用分筛和气流分级分别除去P7，P8和P9粉末中由于破碎而产生的小于各自粉末尺寸分布下限尺寸的颗粒，分别得到粉末P10、P11和P12。

[0036] 将分级后的粉末P10、P11和P12进行机械混合，得到松装密度不同的混金属陶瓷粉末P13(粉末颗粒尺寸越大，松装密度越低)。

[0037] 由上述工艺获得的具有不同松装密度的P13粉末中，小尺寸的粉末致密度高，在送粉过程中虽然质量小，但由于其致密度较高，在送粉载气的作用下，可以被送入焰流中心；并且，又由于细颗粒粉末致密度高，在喷枪的枪管中不容易过熔，大大降低了过熔粉末粘附在枪管内壁的倾向。中等尺寸和大尺寸的粉末粒子致密度依次降低，一方面能使它们在焰流中能被充分加热达到熔融或软化的状态，另一方面也能使其撞击到基体上时具有较好的铺展性能，提高粉末的沉积率和相应涂层的致密度。这样，粉末P13中粒度分布处于不同区间的粒子其松装密度也不一样，这使的该粉末在喷涂过程中能基本达到较一致的充分熔融或软化状态。这不仅基本避免了由于细粉末过熔而粘附枪管内壁的现象，也避免了大颗粒粉末由于心部熔融和软化的程度不够而出现粉末反弹严重的情况，从而使得粉末的沉积率和所获涂层致密度都较高。另外，由细粉的松装密度被大大的提高，其在喷涂过程中发生过熔的概率也大大减小，所以，该粉末的粒度分布下限尺寸也可由原先的15-20微米降低到5微米，最终使得喷雾造粒所获得的金属陶瓷粉末利用率也大大提高。

[0038] 本发明的有益效果是，提高了金属陶瓷粉末利用率，改善了热喷涂的沉积率，提高了涂层的致密度，获得了一个较好的综合效果。

附图说明

[0039] 图1表示为现有技术中的一种金属陶瓷粉末的制备工艺流程图；

[0040] 图2为本发明中的一种金属陶瓷粉末的制备工艺流程图；

[0041] 图3为WC-12Co粉末在1195℃下烧结，获得粉末的界面以及由该粉末制备的WC-12Co涂层截面照片；

[0042] 图4为WC-12Co粉末在1185℃下烧结，获得粉末的界面以及由该粉末制备的WC-12Co涂层截面照片；

[0043] 图5为WC-12Co粉末在1175℃下烧结，获得粉末的界面以及由该粉末制备的WC-12Co涂层截面照片；

[0044] 图6为WC-12Co粉末在为粒度分布为5-25微米的高松装密度粉末(1195℃下烧结)和粒度分布为25～53微米低松装密度粉末(1180℃下烧结)机械混合的粉末截面照片以及由该粉末制备的WC-12Co涂层截面照片。

具体实施方式

[0045] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。

[0046] 对比例1

[0047] (1)将质量百分比分别为88wt.％的WC(粒度为～2.5微米)和12wt.％的Co粉末(粒度为1-3微米)分别加入球磨桶，并向该桶添加占粉末原料(WC粉末+Co粉末，下同)总质量23wt.％的去离子水和2wt.％的聚乙烯醇，按球料比6:1加入WC-Co硬质合金球，球磨30h，获得浆料P1。

[0048] (2)将浆料P1逐渐导入喷雾干燥塔的顶端容器中，进行喷雾干燥，以获得粒度分布在一定范围的球形WC-12Co粉末P2。

[0049] (3)将P2粉末在1195℃下烧结获得高致密度的P3粉末。所用烧结炉可以是带还原性(H2或NH3分解气)气氛的炉子，也可以是真空炉，在设定的烧结温度下保温2小时。

[0050] (5)将烧结获得的P3粉末破碎，获得的WC-12Co粉末分别为P4。

[0051] (6)采用分筛和气流分级的方法，除去P4破碎后粉末中小于15微米以及大于53微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P5。

[0052] (8)采用以煤油为燃料的超音速火焰喷枪喷涂P5粉末，在标准参数下(煤油流量：22.6L/h,氧气你流量：56.6m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离：380mm)，获得的WC-12Co涂层孔隙率1.7％(用灰度法测试)；该粉末喷涂过程稳定，但枪管内壁磨损较严重，粉末沉积率为
35.2％(相应的粉末和涂层截面照片见图3)。

[0053] 对比例2

[0054] (1)将质量百分比分别为88wt.％的WC(粒度为～2.5微米)和12wt.％的Co粉末(粒度为1-3微米)分别加入球磨桶，并向该桶添加占粉末原料总质量23wt.％的去离子水和2wt.％的聚乙烯醇，按球料比6:1加入WC-Co硬质合金球，球磨30h，获得浆料P1。

[0055] (2)将浆料P1逐渐导入喷雾干燥塔的顶端容器中，进行喷雾干燥，以获得粒度分布在一定范围的球形WC-12Co粉末P2。

[0056] (3)将P2粉末在1185℃下烧结获得致密度适中的P3粉末。所用烧结炉可以是带还原性(H2或NH3分解气)气氛的炉子，也可以是真空炉，在设定的烧结温度下保温2小时。

[0057] (5)将烧结获得的P3粉末破碎，获得的WC-12Co粉末分别为P4。

[0058] (6)采用分筛和气流分级的方法，除去P4破碎后粉末中小于15微米以及大于53微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P5。

[0059] (8)采用以煤油为燃料的超音速火焰喷枪喷涂P5粉末，在标准参数下(煤油流量：22.6L/h,氧气你流量：56.6m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离：380mm)，获得的WC-12Co涂层孔隙率0.7％(用灰度法测试)；该粉末喷涂过程较稳定，粉末沉积率为40.4％(相应的粉末和涂层截面照片见图4)。

[0060] 对比例3

[0061] (1)将质量百分比分别为88wt.％的WC(粒度为～2.5微米)和12wt.％的Co粉末(粒度为1-3微米)分别加入球磨桶，并向该桶添加占粉末原料总质量23wt.％的去离子水和2wt.％的聚乙烯醇，按球料比6:1加入WC-Co硬质合金球，球磨30h，获得浆料P1。

[0062] (2)将浆料P1逐渐导入喷雾干燥塔的顶端容器中，进行喷雾干燥，以获得粒度分布在一定范围的球形WC-12Co粉末P2。

[0063] (3)将P2粉末在1170℃下烧结获得低致密度的P3粉末。所用烧结炉可以是带还原性(H2或NH3分解气)气氛的炉子，也可以是真空炉，在设定的烧结温度下保温2小时。

[0064] (5)将烧结获得的P3粉末破碎，获得的WC-12Co粉末分别为P4。

[0065] (6)采用分筛和气流分级的方法，除去P4破碎后粉末中小于15微米以及大于53微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P5。

[0066] (8)采用以煤油为燃料的超音速火焰喷枪喷涂P5粉末，在标准参数下(煤油流量：22.6L/h,氧气你流量：56.6m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离：380mm)，获得的WC-12Co涂层孔隙率0.3％(用灰度法测试)；但该粉末喷涂过程不稳定，有大熔滴产生，涂层磨削后表面有麻点，着色探伤泛红严重，涂层不合格。

[0067] 实施例1

[0068] (1)将质量百分比分别为88wt.％的WC(粒度为～2.5微米)和12wt.％的Co粉末(粒度为1-3微米)分别加入球磨桶，并向该桶添加占粉末原料总质量23wt.％的去离子水和2wt.％的聚乙烯醇，按球料比6:1加入WC-Co硬质合金球，球磨30h，获得浆料P1。

[0069] (2)将浆料P1逐渐导入喷雾干燥塔的顶端容器中，进行离心喷雾干燥，以获得粒度不同的球形WC-12Co粉末P2。

[0070] (3)采用筛分和气流分级将P2粉末分级为粒度为5-25微米和25-53微米的两种WC-12Co粉末P3和P4。

[0071] (4)将P3粉末在1195℃下烧结获得高致密度的P5粉末，将P4粉末在1175℃下烧结获得低等致密度的P6粉末。所用烧结炉可以是带还原性(H2或NH3分解气)气氛的炉子，也可以是真空炉，在设定的烧结温度下保温2小时。

[0072] (5)将烧结获得的P5和P6粉末破碎，获得的WC-12Co粉末分别为P7和P8。

[0073] (6)再次采用分筛和气流分级的方法，除去P7破碎后粉末中的小于5微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P9，除去P8破碎后粉末中的小于25微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P10。

[0074] (7)采用机械混合的方法将P19和P10两种粉末混合均匀，得到具有不同其致密度混合的WC-12Co粉末P11。

[0075] (8)采用以煤油为燃料的超音速火焰喷枪喷涂P11粉末，在标准参数下(煤油流量：22.6L/h,氧气你流量：56.6m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离：380mm)即可以获得孔隙率为
0.31％；该粉末喷涂过程稳定(无过熔粉末粘附在枪管内壁的现象发生，枪管内壁磨损率也低)；另外，在同样的喷涂参数下，该新型WC-12Co粉末的沉积率为46.6％(相应的粉末和涂层截面照片见图6)。

[0076] 实施例2

[0077] (1)将质量百分比分别为88wt.％的WC(粒度为～2.5微米)和12wt.％的Co粉末(粒度为1-3微米)分别加入球磨桶，并向该桶添加占粉末原料总质量23wt.％的去离子水和2wt.％的聚乙烯醇，按球料比6:1加入WC-Co硬质合金球，球磨30h，获得浆料P1。

[0078] (2)将浆料P1逐渐导入喷雾干燥塔的顶端容器中，进行离心喷雾干燥，以获得粒度不同的球形WC-12Co粉末P2。

[0079] (3)采用筛分和气流分级将P2粉末分级为粒度为5-20微米，20-38微米和38-53微米的三种WC-12Co粉末P3，P4和P5。

[0080] (4)将P3粉末在1195℃下烧结获得高致密度的P6粉末，将P4粉末在1185℃下烧结获得中等致密度的P7粉末。将P5粉末在1175℃下烧结获得低致密度的P8粉末。所用烧结炉可以是带还原性(H2或NH3分解气)气氛的炉子，也可以是真空炉，在设定的烧结温度下保温2小时。

[0081] (5)将烧结获得的P6，P7和P8粉末破碎，获得的WC-12Co粉末分别为P9，P10和P11。

[0082] (6)再次采用分筛和气流分级的方法，除去P9破碎后粉末中的小于5微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P12，除去P10破碎后粉末中的小于20微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P13，除去P11破碎后粉末中的小于38微米的颗粒，获得的WC-12Co粉末编号为P14。

[0083] (7)采用机械混合的方法将P12，P13和P14三种粉末混合均匀，得到具有不同其致密度混合的WC-12Co粉末P15。

[0084] (8)采用以煤油为燃料的超音速火焰喷枪喷涂P15粉末，在标准参数下(煤油流量：22.6L/h,氧气你流量：56.6m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离：380mm)即可以获得孔隙率为
0.27％；该粉末喷涂过程稳定(无过熔粉末粘附在枪管内壁的现象发生，枪管内壁磨损率也低)；另外，在同样的喷涂参数下，该新型WC-12Co粉末的沉积率为49.6％。