復合涂層及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于表面涂層及其制備方法技術(shù)領域，更具體地說，涉及一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料表面的磨損是造成工程零部件失效的主要原因之一，每年由于磨損給各國造成了較大的經(jīng)濟損失，因此，提高材料的表面性能，尤其是提高其耐磨性就至關重要。激光熔覆技術(shù)作為表面強化和材料保護方法之一，它是以高能量密度激光束為熱源，通過在普通金屬基體表面熔敷一層具有特殊性能的合金粉末，從而可以顯著改善基體金屬的表面性能，大大延長零件的使用壽命。與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，如熱噴涂、焊接、鍍層等相比，激光熔覆技術(shù)具有熔敷率高、稀釋率低、粉末適用范圍廣、基體受到的熱影響小、不易變形等優(yōu)點，且所得熔覆層組織晶粒細小，與基體之間呈牢固冶金結(jié)合。因此，激光熔覆技術(shù)已被廣泛應用于零件表面微觀結(jié)構(gòu)和成分的改良，以提高其耐磨性、耐腐蝕性和高溫抗氧化性等性能。
[0003]Ni基、Co基和Fe基自熔合金粉末是激光熔覆技術(shù)中最常使用的合金粉末，其中，Ni基和Co基合金具有良好的尚溫性能和抗氧化性，但它們均屬稀缺金屬，成本$父尚，從而限制了其廣泛應用。與Ni基、Co基合金相比，F(xiàn)e基合金的來源較為廣泛、價格低廉，耐磨性較好，且目前需要進行修復及表面改性處理的工程零件也主要是鋼鐵材料，采用Fe基合金作為熔覆材料，涂層與基體之間的相容性良好，同時降低了對稀釋率的嚴格要求，有利于激光熔覆工藝的控制。因此，研究和開發(fā)激光熔覆Fe基合金涂層有利于減少戰(zhàn)略性稀有元素的用量、降低加工成本，具有重要的科研意義和工程實踐價值
[0004]但在一些比較苛刻的工作環(huán)境下，單純的鐵基合金涂層并不能滿足使用要求，國內(nèi)外學者通常采用向鐵基合金粉末中添加一定含量的各種高熔點碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬陶瓷復合涂層以提高熔覆層的硬度和耐磨性等。目前，在激光熔覆涂層中應用較多的碳化物陶瓷主要為WC和TiC陶瓷粉末，WC和TiC的添加在一定程度上能夠細化涂層的組織，提高熔覆層的硬度、耐磨性等性能。如，中國專利申請?zhí)枮?01410652414.2，申請日為2014年11月14日的申請案公開了一種鐵基碳化鈦激光熔覆涂層的制備方法，該申請案以45#鋼作為激光熔覆的基體，以質(zhì)量百分比分別為10%、20%、30%、40 %和50 %的碳化鈦粉末與鐵基合金粉末的混合粉末作為熔覆材料，使用高功率半導體激光器進行激光熔覆，其中激光功率為3000W，所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370，掃描速度為8mm/s，保護氣體為氬氣。該申請案在一定程度上能夠改善基體金屬表面的耐磨、耐蝕和耐熱性能，但由于TiC的熔點較高，在激光熔覆過程中熔解量較少，其熔敷性及與基體金屬的潤濕性均較差，熔敷時熔池的流動性不好，導致成形不良，所得涂層與基體的結(jié)合較差，且熔敷層在長時間使用時也易出現(xiàn)裂紋。又如，中國專利申請?zhí)枮?01410835692.1，申請日為2014年12月30日的申請案公開了一種鐵基鎳包碳化鎢激光熔覆材料的制備方法，該申請案選取45鋼作為熔覆基體，選用質(zhì)量百分比為30%的鎳包碳化鎢粉末與70%的鐵基合金粉末組成的混合粉末作為熔覆材料，使用高功率半導體激光器進行激光熔覆來制備熔覆涂層，但由于WC與鐵基合金粉末的相容性相對較差，涂層中易產(chǎn)生裂紋，且WC粉末在激光熔覆過程中易發(fā)生“沉底”現(xiàn)象，涂層中可以看到較大顆粒未熔WC的存在，這些大顆粒未熔WC在磨損過程中易從涂層中剝落下來，從而易導致涂層產(chǎn)生大面積剝落，耐磨性較差。
[0005]與WC、TiC及其他碳化物陶瓷相比，Cr3C2的熔點適中，具有高硬度、高耐磨性等特點，與鐵基合金的相容性較好，且Cr是強碳化物形成元素，在一定程度上能夠有效提高熔覆層的耐蝕性及高溫抗氧化性。因此，發(fā)明人曾研究了添加20% Cr3C2對激光溶覆鐵基合金涂層組織與性能的影響(斯松華，陳娟，等.激光熔覆Cr3C2/Fe復合涂層的組織與磨損性能，安徽工業(yè)大學學報，2008, 25(4):367-370)。結(jié)果表明，添加20% Cr3C2在一定程度上能夠提高Fe基合金涂層的硬度和耐磨性，發(fā)明人在研究中還發(fā)現(xiàn)添加20% Cr3C2的Cr 3C2/Fe復合涂層的高溫抗氧化性明顯優(yōu)于添加WC、TiC的Fe基合金涂層，但該涂層的硬度、耐磨性和高溫抗氧化性等性能并不能滿足嚴苛環(huán)境下的使用要求，還有待進一步提高。因此，發(fā)明人試圖通過增加Cr3C2的含量來進一步提高Fe基合金涂層的硬度、耐磨性和高溫抗氧化性等性能，但當Cr3C2含量較高時，涂層以過共晶方式結(jié)晶，其組織主要由大量的長條狀先共晶碳化物組成，先共晶碳化物較粗大且分布不均勻，涂層韌性明顯下降，易產(chǎn)生裂紋，且與基體的相容性有待進一步改善。
[0006]因此，如何使激光熔覆鐵基Cr3C2復合涂層的硬度、耐磨性得到進一步提高的基礎上，使涂層仍然保持良好的韌性，降低裂紋傾向，對于激光熔覆鐵基合金涂層的發(fā)展與應用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中使用Cr3C2增強激光熔覆鐵基合金涂層時，當Cr3C2的添加量較多時，涂層的脆性較大，易產(chǎn)生裂紋，且與基體的相容性較差的不足，提供了一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層及其制備方法。通過使用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以有效細化和均勻化復合涂層組織，從而使激光熔覆Fe基合金涂層的硬度、耐磨性及高溫抗氧化性得到進一步提高的基礎上，仍能保持良好的韌性，大大提高了涂層與基體的相容性，可有效防止裂紋的產(chǎn)生。
[0009]2.技術(shù)方案
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0011]本發(fā)明的一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層，是由如下質(zhì)量百分比的組分經(jīng)激光熔覆后制得的:鐵基自熔性合金粉末59%?79%、納米Cr3C2合金粉末20%?40%和納米Ti粉0.5%?1%，其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下質(zhì)量百分比的組分組成:C0.1%?0.2%、Crl5%?18%、Ni6.5%?8%、Si2.0%?2.8%^ B0.8%?
1.2%^ Mo0.5%?0.6%, Fe 為余量。
[0012]更進一步地，該涂層由如下質(zhì)量百分比的組分經(jīng)激光熔覆后制得的:鐵基自熔性合金粉末64%?71%、納米Cr3C2合金粉末28%?35%和納米Ti粉0.7%?1%。
[0013]更進一步地，該涂層由如下質(zhì)量百分比的組分經(jīng)激光熔覆后制得的:鐵基自熔性合金粉末69%、納米Cr3C2合金粉末30%和納米Ti粉1%。
[0014]更進一步地，所述的鐵基自恪性合金粉末的粒度為45?180 μπι，納米Cr3C2合金粉末的粒度為40?80nm，納米Ti粉的粒度為55?70nm。
[0015]更進一步地，所述的Fe基自熔性合金粉末由如下質(zhì)量百分比的組分組成:C0.l%、Crl6%、Ni8%、Si2.5%、Β1.2%、ΜοΟ.5%, Fe 為余量。
[0016]本發(fā)明的一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層的制備方法，其步驟為:
[0017]步驟一、基板預處理:
[0018]除去基板待熔覆表面的油污和鐵銹，并對其表面進行打磨，保證待熔覆表面的平整與光潔，然后將基板置于烘箱中于150?200°C下烘干2.5?3.5h ;
[0019]步驟二、粉末的配制、混合均勻及烘干:
[0020]按照質(zhì)量百分比含量稱量以下三種組分:鐵基自熔性合金粉末59%?79%、納米Cr3C2合金粉末20%?40%和納米Ti粉0.5%?I %，將稱好的三種粉末進行混合分散均勻得到熔覆用復合粉末，然后將復合粉末置于烘箱中于160?200°C下烘干1.5?2h ;
[0021]步驟三、涂層的制備:
[0022]將烘干后的復合粉末預置于基板的待熔覆表面，采用CO2激光器進行激光熔覆，熔敷過程中使用Ar氣進行保護；
[0023]步驟四、后熱處理:
[0024]將熔敷后的基板置于150?200°C的保溫爐中保溫1.5?2.5h后隨爐冷卻。
[0025]更進一步地，步驟二中將稱好的三種粉末進行混合分散均勻是通過先在研缽中進行手動研磨2?3h，然后采用球磨機進行機械球磨30?40min來實現(xiàn)的，球磨機的轉(zhuǎn)速為250r/mino
[0026]更進一步地，步驟三中粉末預置的具體操作為:將復合粉末置于研缽中，并向其中加入乙醇作為溶劑，加入火棉膠作為粘結(jié)劑，充分攪拌均勻獲得漿料，然后將漿料均勻涂覆于基板待熔覆表面，預置涂層的厚度為I?2mm ;其中，火棉膠的加入量為4?6ml/100g復合粉末。
[0027]更進一步地，步驟三中激光熔覆的工藝參數(shù)如下:光斑直徑5_7mm，激光功率
2.3?2.5kff,多道搭接量2.5?3_，掃描速率160?185mm/min。
[0028]3.有益效果
[0029]采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著效果:
[0030](I)本發(fā)明的一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層，向熔覆粉末中添加納米Cr3C2,由于納米Cr3C2在等離子堆焊過程中更容易被恪融，因此，當Cr 3C2的添加量相同時，納米Cr3C2粉末中Cr 3C2的熔解量多于微米Cr 3C2，同時納米Cr3C2粉末中含有更多的顆粒數(shù)量且分布更加彌散，從而使得非自發(fā)形核的核心增多，使涂層組織得到明顯細化，因此，相對于添加相同含量微米Cr3C2的涂層，納米Cr3C2的添加使涂層的硬度、耐磨性得到了進一步提高，且同時使涂層仍然保持良好的韌性。本發(fā)明熔覆粉末中納米Ti的添加可以促進Cr3C2的熔解，增強了固溶強化作用，同時析出彌散分布的TiC，這些彌散分布的TiC與未熔Cr3C2共同作用，增強了細晶強化與彌散強化作用，從而使涂層耐磨性得到進一步提高的基礎上仍具有較好的韌性。納米Ti的添加還能夠有效降低熔池中的C含量，改善熔覆粉末的流動性，使涂層與基體之間的相容性得到改善，并能有效降低熔覆過程中納米Cr3C2粉末的團聚，提高了涂層組織的均勻性。
[0031](2)本發(fā)明的一種添加納米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2復合涂層，通過大量實驗研究并結(jié)合理論分析對熔覆粉末中各組分的含量進行優(yōu)化控制，有利于使涂層的組織分布達到最佳狀態(tài)，使涂層的硬度、耐磨性與韌性實現(xiàn)最好結(jié)合，并有效避免了涂層中氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。
[0032](3)本發(fā)明的一種添加納米Ti的激光恪覆Fe基Cr3C2復合涂層，根據(jù)Cr 3C2合金粉末的添加量合理設計鐵基自熔性合金粉末C含量，從而實現(xiàn)對涂層中碳化物形態(tài)及尺寸的有效控制，鐵基自恪性合金粉末中的Cr及Mo能夠進一步改善涂層的硬度、耐磨性；鐵基自熔性合金粉末中的S1、B能夠有效脫除熔池中的