球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層及其激光熔覆制備工藝和應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層及其激光熔覆制備工藝和應用，屬于激光熔覆技術和涂層制備技術領域。本發(fā)明是以TiC/鈷基合金復合粉末為激光熔覆材料，采用激光熔覆技術在球墨鑄鐵表面制備TiC/鈷基合金復合涂層。所得復合涂層材料中TiC所占體積比例為(0?30)％，涂層最高硬度為1200?1300HV0.2，復合涂層硬度為球墨鑄鐵基體硬度的5倍以上。該復合涂層應用于在強烈磨損條件下使用的球墨鑄鐵零件。
【專利說明】
球墨鑄鐵表面T i C/鉆基合金復合涂層及其激光膝覆制備工藝 和應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及激光烙覆技術和涂層制備技術領域，具體設及一種球墨鑄鐵表面TiC/ 鉆基合金復合涂層及其激光烙覆制備工藝和應用。
【背景技術】
[0002] 球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合機械性能，但在使用過程中，通常因經受磨損等而導致 失效，曾采用滲氮、感應澤火等工藝對其進行表面強化處理，但存在處理周期長、硬化層薄、 硬化層硬度不夠高及澤火變形大等缺點，使用效果不理想。
[0003] 激光烙覆技術是指W不同的方式在被烙覆基體表面上預置涂層材料，經激光福照 使之與基體表面一薄層同時烙化，并快速凝固后形成稀釋率極低并與基體呈冶金結合的表 面烙覆層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強 化方法。激光烙覆技術同其他表面強化技術(熱噴涂、堆焊技術等)相比有如下優(yōu)點:冷卻速 度快(高達1〇5~i〇6k/s)、產生快速凝固組織特征、容易得到細晶組織或產生平衡態(tài)所無法 得到的新相;熱輸入小、崎變小、烙覆層稀釋率小(一般小于5%)，與基體呈牢固的冶金結合 或界面擴散結合。因此，依據表面性能要求，如何通過對合金粉末研制及激光工藝參數等進 行調整，獲得性能良好的烙覆層，使其對關鍵零部件實現(xiàn)表面強化與修復作用，具有廣闊的 應用前景。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種球墨鑄鐵表面TiC/鉆基合金復合涂層及其激光烙覆 制備工藝和應用，所制備的涂層顯著提高零件耐磨和減磨性能，特別適用于在強烈磨損條 件下使用的耐磨零件。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0006] -種球墨鑄鐵表面TiC/鉆基合金復合涂層的激光烙覆制備工藝，該工藝是WTiC/ 鉆基合金復合粉末為激光烙覆材料，采用激光烙覆技術在球墨鑄鐵表面制備TiC/鉆基合金 復合涂層。
[0007] 所述TiC/鉆基合金復合粉末是由TiC粉末和鉆基合金粉末均勻混合后形成，其中： 所述TiC粉末所占體積比例為(0-30)%，優(yōu)選為為（10-30) %。。所述鉆基合金優(yōu)選為司太利 (Stellite)合金，所述鉆基合金粉末粒度為150~320目，所述TiC粉末粒度為5~50WI1。
[000引所述TiC/鉆基合金復合粉末的制備過程為:將TiC粉末和鉆基合金粉末按所需比 例進行配比，并用研磨機進行均勻混合，混合時間為20min-化;然后將混合好的粉末在烘箱 中進行烘干處理，烘干溫度為150~200°C，烘干時間為2-化，即得到所述TiC/鉆基合金復合 粉末。
[0009] 所述激光烙覆技術具體過程如下：
[0010] 激光烙覆前，對待制備涂層的球墨鑄鐵表面進行清理，除掉表面的誘潰，然后用丙 酬擦洗，W備激光烙覆用;激光烙覆時，采用6kW 0)2激光器，送粉方式采用預置粉末法，激 光烙覆工藝參數為:激光功率P為3.2~3.5kW，掃描速度V為400~600mm/min，光斑直徑2mm， 搭接率1.5,采用氣氣側吹保護，=道次烙覆;激光烙覆過程中采用電阻加熱方式對球墨鑄 鐵進行輔助加熱，加熱溫度為200-350°C。
[0011] 本發(fā)明采用上述工藝制備的TiC/鉆基合金復合涂層中，TiC均勻分布于鉆基合金 快速凝固組織中，涂層中的TiC一部分為快速烙化時溶解的TiC凝固時重新析出的TiC枝狀 物，另一部分為未溶解的TiC顆粒，復合涂層厚度為l-5mm。
[0012] 所述復合涂層(烙覆層)最高硬度為1200-1300HV0.2,復合涂層硬度為球墨鑄鐵基 體硬度(200-240HVO. 2)的5倍W上。
[0013] 本發(fā)明有益效果如下：
[0014] 1、本發(fā)明提出將TiC復合鉆基合金用于球墨鑄鐵表面激光烙覆，研發(fā)出適用于球 墨鑄鐵表面激光烙覆涂層的新型TiC/鉆基合金復合材料，配合合適的激光烙覆工藝，得到 組織致密，無裂紋，耐磨性能優(yōu)良的激光烙覆涂層。
[0015] 2、本發(fā)明采用激光烙覆技術在球墨鑄鐵表面激光烙覆TiC/鉆基合金高硬度復合 涂層，從而增強球墨鑄鐵零件的表面耐磨性能，使零件在強烈磨損條件下減少因摩擦而發(fā) 生的磨損失效。
[0016] 3、本發(fā)明在球墨鑄鐵上激光烙覆TiC/鉆基合金復合涂層，使球墨鑄鐵表面的耐磨 性能顯著提高，并使涂層具有理想的減磨性能。
[0017] 4、本發(fā)明在球墨鑄鐵電梯曳引輪表面耐磨性能提升方面進行應用。
【附圖說明】
[0018] 圖1為含TiC為5%的烙覆層和結合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結合層。
[0019] 圖2為含TiC為10%的烙覆層和結合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結合層。
[0020] 圖3為含TiC為30%的烙覆層和結合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結合層。
[0021] 圖4為烙覆層SEM照片和抓S圖譜;其中：（a)為SEM照片；（b)為(a)中"譜圖1 r處對 應的邸姻譜；（C)為(a)中"譜圖12"處對應的圖邸S譜。
[0022] 圖5為本發(fā)明球墨鑄鐵表面TiC/Co基合金烙覆層的XRD圖。
[0023] 圖6為激光烙覆層硬度曲線圖。
【具體實施方式】
[0024] W下結合附圖及實施例詳述本發(fā)明。
[0025] 實施例1
[0026] 實驗材料:基體材料為球墨鑄鐵，激光烙覆材料為TiC/鉆基合金復合粉末，鉆基合 金為鉆銘鶴合金(CoCrW)，鉆基合金粉末粒度為150~320目，TiC粉末粒度為5~50WI1。
[0027] 所述TiC/鉆基合金復合粉末的制備過程為:將TiC粉末和鉆基合金(CoCrW)粉末按 所需比例混合，并用研磨機進行均勻混合，混合時間為30min;混合好的粉末在烘箱中進行 烘干處理，烘干溫度為180°C，烘干時間為化，即得到所述TiC/鉆基合金復合粉末;該復合粉 末中，TiC粉末所占體積比例分別為5%、10%和30%。
[0028] 本實施例激光烙覆技術具體過程如下：
[0029] 激光烙覆前，對球墨鑄鐵表面進行清理，除掉表面的誘潰，然后用丙酬擦洗，W備 激光烙覆用;對球墨鑄鐵進行表面激光烙覆時，采用化W C化激光器，送粉方式采用預置粉 末法。采用激光功率P = 3.2~3 .化W、掃描速度V = 400~600mm/min、光斑直徑2mm、搭接率 1.5,采用氣氣側吹保護，=道次烙覆，烙覆層厚度為3mm。在激光烙覆的過程中采用電阻加 熱方式對試樣進行輔助加熱，加熱溫度270-290°C。
[0030] 激光烙覆結束后，采用線切割將制備的試樣沿著垂直涂層表面的方向切割試樣， 進行打磨拋光和腐蝕，然后用金相顯微鏡、SEM等進行組織觀察和分析。
[0031] 本實施例制備的球墨鑄鐵表面激光烙覆層的組織特征如圖1-3所示，激光烙覆后 烙覆層表面成形良好，通過顯微組織照片可W看出，表面沒有氣孔和裂紋，烙覆層中形成了 大量的樹枝晶，在樹枝晶晶間均勻地分布著很多細小的黑色顆粒狀物質，烙覆材料和基體 之間發(fā)生了元素擴散，相互之間緊密結合。
[0032] 通過掃描電子顯微鏡觀察烙覆試樣，采用抓S genesis XM-2能譜儀對樹枝晶晶間 的黑色顆粒狀物質進行元素分析。激光烙覆層組織SEM照片如圖4所示，EDS成分分析如表1- 2所示。由圖4可看出，均勻分布于樹枝晶晶間和枝晶上的暗黑色相為含Ti物質，根據抓S結 果可推斷相為TiC顆粒和溶解TiC在凝固時形成的枝狀TiC。
[0033] 表1圖4(b)圖譜11的邸S成分分析 「nm^l
[0037] 本實施例制備的球墨鑄鐵表面TiC/Co基合金激光烙覆層的XRD分析如圖5所示，通 過烙覆層X射線衍射分析表明，烙覆層主要由丫 -(：〇、1'1(：、化1'1、(：〇(^和少量的化7〔3、51(：等組 成。Co在高溫下（大于417°C)W面屯、立方結構的丫-Co形式存在，而在室溫下則W密排六方 結構的e-Co形式存在，但由于激光烙覆的冷卻速度極快，使凝固結晶的丫-Co來不及發(fā)生相 變而得W保留到室溫;激光烙覆時，由于TiC顆粒發(fā)生溶解，分解為Ti和C元素溶解于合金烙 體中，Ti除了與合金烙體中溶解的C凝固形成TiC枝晶外，也與鉆基合金中的M在凝固時形 成TiNi存在于TiC/Co基合金烙覆層中，而C與鉆基合金中的Co、C;r、Si等元素形成CoCx、 化7C3、SiC等碳化物。
[0038] 對本實施例制備的球墨鑄鐵表面激光烙覆層的硬度進行測試，測試結果如表3和 圖5所示。
[0039] 表3激光烙覆層硬度數據(鉆基合金+30vol%TiC烙覆層橫截面硬度數據）
[0040]
[0041] 由硬度測試結果可看出，隨著與球墨鑄鐵基體表面距離增加，在熱影響區(qū)和結合 區(qū)硬度快速提高，而在烙覆層區(qū)域硬度增加緩慢，直到烙覆層表層硬度又有快速提高，烙覆 層最高硬度為1278.細Vq.2,提高到球墨鑄鐵基體硬度(200-240HVQ.2)的5倍W上。
[0042] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對運些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的。因此，本發(fā)明將 不會被限制于本文所示的運些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致 的最寬的范圍。
【主權項】
1. 一種球墨鑄鐵表面Tie/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝，其特征在于:該工 藝是以Tie/鈷基合金復合粉末為激光熔覆材料，采用激光熔覆技術在球墨鑄鐵表面制備 Tic/鈷基合金復合涂層。2. 根據權利要求1所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述Tie/鈷基合金復合粉末是由TiC粉末和鈷基合金粉末均勻混合后形成，其 中：所述TiC粉末所占體積比例為(0- 30) %。3. 根據權利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述TiC/鈷基合金復合粉末中，TiC粉末所占體積比例為(10- 30) %。4. 根據權利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述鈷基合金為司太利合金，所述鈷基合金粉末粒度為150~320目；所述TiC 粉末粒度為5~50μπι。5. 根據權利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述TiC/鈷基合金復合粉末的制備過程為:將TiC粉末和鈷基合金粉末按所需 比例進行配比，并用研磨機進行均勻混合，混合時間為20min-lh;然后將混合好的粉末在烘 箱中進行烘干處理，烘干溫度為150~200°C，烘干時間為2-5h，即得到所述TiC/鈷基合金復 合粉末。6. 根據權利要求1所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述激光熔覆技術具體過程如下： 采用6kW C02激光器，送粉方式采用預置粉末法;在激光熔覆的過程中采用電阻加熱方 式對球墨鑄鐵進行加熱，激光熔覆工藝參數為:激光功率P為3.2~3.5kW，掃描速度V為400 ~600mm/min，光斑直徑2mm，搭接率1.5，采用氬氣側吹保護，三道次熔覆。7. 根據權利要求6所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:激光熔覆處理前，對待制備涂層的球墨鑄鐵表面進行清理，除掉表面的銹漬， 然后用丙酮擦洗，以備激光熔覆用;激光熔覆過程中采用電阻加熱方式對球墨鑄鐵進行輔 助加熱，加熱溫度為200-350 °C。8. 根據權利要求1-7任一所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層，其特 征在于:所述TiC/鈷基合金復合涂層中，TiC均勻分布于鈷基合金組織中，涂層中的TiC包括 TiC枝狀物和TiC顆粒，復合涂層厚度為l-5mm。9. 根據權利要求8所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層，其特征在于： 所述復合涂層最高硬度為1200-1300HV〇. 2,復合涂層硬度為球墨鑄鐵基體硬度的5倍以上。10. 根據權利要求8所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復合涂層，其特征在 于:該復合涂層應用于在強烈磨損條件下使用的球墨鑄鐵零件。
【文檔編號】C23C24/10GK106048606SQ201610663798
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610663798.7, CN 106048606 A, CN 106048606A, CN 201610663798, CN-A-106048606, CN106048606 A, CN106048606A, CN201610663798, CN201610663798.7
【發(fā)明人】童文輝, 趙子龍, 王杰, 國旭明
【申請人】沈陽航空航天大學