三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體是三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織結(jié)構(gòu)特征的減磨耐磨鎳 基復(fù)合涂層的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎳基合金涂層因其具有良好的耐磨損抗腐蝕性能而得到了廣泛的應(yīng)用研究，但是 鎳基合金中元素成分的不同、各元素含量的不同及涂層成型方法的不同都會(huì)對(duì)涂層的最終 形貌和組織結(jié)構(gòu)造成很大的影響，繼而影響到涂層的摩擦磨損性能。在常見(jiàn)的涂層摩擦磨 損性能試驗(yàn)中，可以看到試樣表面試驗(yàn)后出現(xiàn)大量大面積剝落，并且沿摩擦方向有大量的 犁溝，或者大量附著在表面上的白亮磨肩，特別是在高速、高溫、高載等苛刻條件下，呈現(xiàn)出 嚴(yán)重得疲勞磨損和磨粒磨損的特征。
[0003] 現(xiàn)有研究表明，織構(gòu)組織對(duì)于材料的摩擦磨損性能具有顯著的改善效果，在有潤(rùn) 滑劑存在的情況下，表面圖形化的凹坑或凹槽狀織構(gòu)能夠起到儲(chǔ)油器的作用，能夠?qū)δΣ?副表面潤(rùn)滑，從而減少摩擦副的磨損，降低摩擦系數(shù)，同時(shí)織構(gòu)還能起到提高承載能力的作 用;織構(gòu)圖案幾何形狀、參數(shù)以及表面覆蓋率對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)能都有明顯的影響;織構(gòu)的 存在可以改變摩擦副界面的接觸狀態(tài)，有效降低界面間的粘著力和摩擦力。
[0004] 雖然表面織構(gòu)化的科學(xué)研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但目前的織構(gòu)化組織主要以單 一的表面規(guī)則織構(gòu)化圖案為代表，這種表面圖形化織構(gòu)的獲得以機(jī)械加工或激光加工為 主，或者通過(guò)模型化遮掩沉積獲得。表面圖形織構(gòu)化雖然能夠在一定程度上改善材料表面 的摩擦學(xué)性能，但是由于材料表面本身并沒(méi)有改變，而且表面織構(gòu)化涂層厚度或加工深度 不夠，因而在經(jīng)歷一定時(shí)間的摩擦后，初始的表面圖形化織構(gòu)的幾何特征會(huì)由于磨損而改 變至消失，表面織構(gòu)的作用會(huì)逐漸減弱直至消失;且在實(shí)際操作中，在織構(gòu)組織的精密可控 程度、價(jià)格成本和大面積的工業(yè)化生產(chǎn)等方面都還不夠完善。
[0005] 真空熔覆技術(shù)是起源于真空燒結(jié)技術(shù)的表面涂層制備技術(shù)，因其在涂層制備過(guò)程 中的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)而得到了不斷發(fā)展和應(yīng)用。真空熔覆是將具有特定性能的金屬粉末預(yù)先涂覆 于基材表面，然后經(jīng)過(guò)燒制使得零件表面得到具有特殊性能的涂層，從而達(dá)到提高零件的 使用壽命的目的。
[0006] 真空熔覆是在一定的真空度環(huán)境下進(jìn)行，因此工件不易發(fā)生氧化，熔覆層表面成 型光滑，質(zhì)量好;熔覆層合金的成分具有良好可控性，可根據(jù)不同的使用要求選用不同的涂 層成分配方;熔覆層的厚度可調(diào)節(jié)范圍較大，在較寬的范圍內(nèi)都能得到性能優(yōu)良的涂層;熔 覆層與零件表面實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫落。
[0007] 通過(guò)對(duì)以往文獻(xiàn)的整理，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)組織在材料摩擦學(xué)性能方面有著優(yōu)秀的表現(xiàn)， 能夠降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性，但是目前織構(gòu)組織的制備中，存在制備技術(shù)單一、織構(gòu)組 織表面化、工藝復(fù)雜，成本高，而且厚度薄，或與基體結(jié)合強(qiáng)度不高等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層及其制備方法。
[0009] 本發(fā)明是三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層及其制備方法，三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織 復(fù)合涂層，包括織構(gòu)組織復(fù)合層區(qū)（1)、過(guò)渡區(qū)（2)、擴(kuò)散影響區(qū)（3);涂層與基體之間形成有 效的冶金結(jié)合;所述的復(fù)合區(qū)（1)中細(xì)小的硬質(zhì)顆粒均勻分布在球形顆粒狀合金之間構(gòu)成 三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)，織構(gòu)的球形顆粒平均直徑為80-100μπι，顆粒之間的網(wǎng)狀織構(gòu)的寬度為 20-30μπι，硬質(zhì)顆粒的間距約為5-10μπι。
[0010] 以上所述的三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層的制備方法，其步驟為： (1) 金屬基材處理:將基材表面用砂輪去除氧化層后，用砂紙打磨至平整光亮，然后清 洗去除油污，最后供干備用； (2) 涂層粉末的混制:將鎳基合金粉末與碳化鎢粉末或鎳包石墨粉末分別稱量后置于 混粉瓶中充分混合均勻； (3) 預(yù)制層的制備:將粉末用粘接劑調(diào)制后均勻涂覆于基材表面，厚度為2-3mm，其中部 分添加了 WC的復(fù)合粉末在涂覆前預(yù)先在基材表面涂覆一層厚度為l-2mm的鎳基合金粉末作 為過(guò)渡層； (4) 三維織構(gòu)涂層的燒結(jié):將第(3)步制得的產(chǎn)物自然陰干再烘干，然后將其放入真空 碳管燒結(jié)爐燒結(jié)，在真空環(huán)境升溫至1050±5°C并保溫，隨后隨爐冷卻至150°C出爐空冷至 室溫，得到具有三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層的產(chǎn)品。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì):充分發(fā)揮真空熔覆技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，在一 定真空度下，首次將WC與石墨同時(shí)作為添加相，控制升溫速率、冷卻速率以及熱流方向，制 得了具有三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合涂層，該三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織厚度達(dá)到 3mm，能夠顯著提高涂層的耐磨性并降低摩擦系數(shù)，且與基體冶金結(jié)合，承載能力強(qiáng);并對(duì)鎳 基復(fù)合涂層的組織進(jìn)行了分區(qū)研究，探明各部分的組織構(gòu)成，并對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了深入 分析。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是本發(fā)明縱截面示意圖，圖2是本發(fā)明涂層縱截面的組織形貌SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明是三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層及其制備方法，三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織 復(fù)合涂層，包括織構(gòu)組織復(fù)合層區(qū)1、過(guò)渡區(qū)2、擴(kuò)散影響區(qū)3;涂層與基體之間形成有效的冶 金結(jié)合;所述的復(fù)合層區(qū)1中細(xì)小的硬質(zhì)顆粒均勻分布在球形顆粒狀合金之間構(gòu)成三維立 體網(wǎng)狀織構(gòu)，織構(gòu)的球形顆粒平均直徑為80-100μπι，顆粒之間的網(wǎng)狀織構(gòu)的寬度為20-30μ m，硬質(zhì)顆粒的間距約為5 -10 μπι。
[0014] 以上所述的球形區(qū)域主要由鎳基固溶體、共晶組織和包括Cr7C3 Cr7C3、Cr23C6 Cr23C6、和CrB的硬質(zhì)相組成;過(guò)渡區(qū)由Cr7C3 Cr7C3、Cr23C6 Cr23C6、CrB、共晶相和固溶體 相組成，即靠近涂層的鎳基固溶體和靠近基體的呈短棒狀定向生長(zhǎng)的鐵基固溶體;擴(kuò)散影 響區(qū)由珠光體含量漸變的珠光體加鐵素體組成。
[0015]三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層的制備方法，其步驟為： (1)金屬基材處理:將基材表面用砂輪去除氧化層后，用砂紙打磨至平整光亮，然后清 洗去除油污，最后供干備用； (2) 涂層粉末的混制:將鎳基合金粉末與碳化鎢粉末或鎳包石墨粉末分別稱量后置于 混粉瓶中充分混合均勻； (3) 預(yù)制層的制備:將粉末用粘接劑調(diào)制后均勻涂覆于基材表面，厚度為2-3mm，其中部 分添加了 WC的復(fù)合粉末在涂覆前預(yù)先在基材表面涂覆一層厚度為l-2mm的鎳基合金粉末作 為過(guò)渡層； (4) 三維織構(gòu)涂層的燒結(jié):將第(3)步制得的產(chǎn)物自然陰干再烘干，然后將其放入真空 碳管燒結(jié)爐燒結(jié)，在真空環(huán)境升溫至1050±5°C并保溫，隨后隨爐冷卻至150°C出爐空冷至 室溫，得到具有三維立體網(wǎng)狀織構(gòu)組織復(fù)合涂層的產(chǎn)品。
[0016] 以上所述的步驟（1)中，將基材表面用砂輪去處氧化層后，用100、200、300、500、 800、1000號(hào)砂紙依次打磨至平整光亮，然后分別用丙酮和無(wú)水乙醇清洗去除油污，最后烘 干備用。
[0017] 以上所述的步驟(2)中，WC與石墨同時(shí)作為添加相，其中WC粉末的尺寸小于18μπι， 具有不規(guī)則的幾何形貌，硬度約2350HV，熔點(diǎn)2775°C;鎳基粉末系自熔性合金粉末Ni-Cr-Si-B，熔點(diǎn)為1000°C，鎳基粉末顆粒具有球形形貌，顆粒直徑為48~106μπι。
[0018] 以上所述的步驟(4)中，將涂覆完畢的產(chǎn)品自然陰干兩小時(shí)后置于馬沸爐中烘干， 溫度200Γ，保溫兩小時(shí)后取出，得到預(yù)制產(chǎn)品；然后將預(yù)制產(chǎn)品放入zt-18-22型真空碳管 燒結(jié)爐燒制產(chǎn)品，系統(tǒng)真空度保持在4.0 XlO-^Pa--6.0 X lO'^Pa，升溫速率為60°C/ 111；[11，在1050°0保溫7111；[11、15111；[11、20111；[11、30111；[11、111、311不等，隨爐冷卻至150°0以下時(shí)產(chǎn)品空 冷出爐。
[0019] 以上所述碳化鎢粉末中碳化鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%~40%。
[0020] 以上所述鎳包石墨粉末中石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~5%。<