CN102962447B - 一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体公开了一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法，所述碳化钛金属陶瓷粉末由碳化钛、氧化镧和镍60组成。所述方法为：将碳化钛金属陶瓷粉末放入球磨机中球磨15小时~20小时，将球磨后的粉末烘干；将烘干后的粉末和水玻璃混合成糊状粉末；将糊状粉末涂敷到试块的待熔覆表面上压平，让其自然风干；用脉冲激光机对试块上风干后的糊状粉末进行熔覆；将熔覆后的试块磨平，再对其熔覆表面进行抛光处理，然后用无水乙醇将其清洗干净；对试块做硬度测试和磨损测试。本发明得到的熔覆层具有耐高温能力强、耐磨性强、硬度高、组织致密均匀、厚度均匀、晶粒细化、气孔和裂纹少、表面质量好等优点。

Description

一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法。

背景技术

激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它是利用高能激光束使添加在表面的材料及基材的表面薄层熔化而形成具有特殊功能及低稀释率并且与基材结合为冶金结合的涂层，从而可在一般钢材表面制成具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐高温等优异性能材料的技术。激光熔覆可以在低成本的材料上制备高性能的涂层，所以它可以降低能耗，节约成本。激光熔覆形成的是冶金结合，因此比热喷涂和电沉积、电镀等方法的结合强度高。激光熔覆技术具有快速凝固、工件变形小的特点，在航天、航空、汽车造船、国防军工等领域显示出广阔的应用前景。

镍基自熔性合金粉末熔覆的涂层具有很好的润湿性、耐腐蚀性、高温自润滑作用。镍基自熔性合金主要使用于局部要求耐磨、耐热、耐腐蚀以及抗热疲劳的构件。自熔性合金粉末和陶瓷粉末组成的复合粉末借助激光熔覆技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，复合涂层将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化特性结合起来。熔覆复合粉末是目前激光熔覆技术领域的研究热点。

熔覆层中的气孔、组织粗大、有裂纹、硬质相的不良分布、熔覆层材料的凝固收缩及与基材热膨胀系数的不匹配等问题都是现在研究的热点。对于激光熔覆碳化钛陶瓷国内外学者做了大量的研究改善涂层的组织性能。通过改变熔覆材料配方，增加负膨胀系数的材料如铜和氧化铝，增加韧性相材料如钛、铱等元素。碳化钛具有高硬度、高模量、高熔点、热力学稳定等特点、因而被广泛用作复合材料的增强相，但是碳化钛因为熔点很高，对激光机的功率要求高，而且碳化钛的熔点比镍和铁的熔点高很多，导致激光熔覆层的搭接处出现组织不均匀性，从而导致组织不均匀，出现气孔。

目前，现有技术采用原位生成的方法熔覆碳化钛，但原位生成的碳化钛陶瓷相有限；由于脉冲激光机的光波不连续，激光熔覆一般都使用二氧化碳激光机，所以对脉冲激光机的熔覆研究相对较少；在运用同步送粉和预涂敷的方法进行熔覆时，对表面形状有曲面零件熔覆效果较差，用粘合剂会引入杂质，影响涂层组织。综上所述，目前还没有一种方法的比较完美的进行激光碳化钛金属陶瓷粉末的熔覆。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是，提供一种碳化钛金属陶瓷粉末及激光熔覆该粉末的方法，以克服现有技术中激光熔覆层的搭接处出现组织不均匀性，从而导致的组织不均匀、有气孔等问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳化钛金属陶瓷粉末，其按质量百分比由28%~30%的碳化钛、1%~2%的氧化镧和68%~71%的镍60组成。

优选地，所述镍60按质量百分比由小于3%的碳、12%~19%的铬、2%~3%的硼、小于2%的硅、小于6%的铁和67%~86%的镍组成。

本发明还提供了一种激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，包括以下步骤：

S1.将碳化钛金属陶瓷粉末放入球磨机的球磨罐中，球磨15小时~20小时，将球磨后的粉末放到烘箱中烘干；

S2.将烘干后的碳化钛金属陶瓷粉末与水玻璃混合成糊状粉末；

S3.将所述糊状粉末涂敷到试块的待熔覆表面上，将所述糊状粉末压平，让其自然风干，

S4.用脉冲激光机对所述试块上风干后的糊状粉末进行熔覆；

S5.将熔覆后的试块放到磨床上磨平，再用抛光机对所述试块的熔覆表面进行抛光处理，抛光后，用无水乙醇将其清洗干净；

S6.对所述试块做硬度测试和磨损测试。

优选地，所述步骤S2中的所述水玻璃为速溶硅酸钠和水以1:5~1：8的质量比进行混合，且速溶硅酸钠在水中充分溶解。

优选地，所述步骤S2中的碳化钛金属陶瓷粉末和水玻璃的质量比为6:1~9:1。

优选地，所述步骤S3中糊状粉末的涂敷厚度为0.6mm~1mm。

优选地，所述步骤S4中所述的脉冲激光机的激光功率为400W~450W，激光光斑为2mm~3mm，扫描速度为10mm/s~15mm/s，搭接率为50%~60%。

优选地，所述脉冲激光机的频率设置为35Hz~43Hz，脉宽为5ms~7ms，电流为100A~120A。

优选地，所述步骤S6中用HP-150A型洛氏硬度仪对试块的熔覆层进行硬度测试。

优选地，所述步骤S6中用杠杆式磨损机对试块的熔覆层进行磨损测试，磨损时间为2~3小时，磨损后测试出试块的磨损量。

（三）有益效果

本发明将金属的延展性、高强度与陶瓷相的高熔点、较好的化学稳定性等性能结合起来，得到的熔覆层具有耐高温能力强、耐磨性强、硬度高、组织致密均匀、厚度均匀、晶粒细化、气孔和裂纹少、表面质量好等优点，同时，本发明操作简单，节约成本，能较好地满足当今社会对金属表面处理的质量要求。

附图说明

图1为本发明的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法的流程图；

图2为本发明中水玻璃风干后粘接的粉末在显微镜下的效果图；

图3为本发明中熔覆后的组织在低倍显微镜下的效果图；

图4为本发明中熔覆后的组织在高倍显微镜下的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例的碳化钛金属陶瓷粉末按质量百分比由30%的碳化钛、2%的氧化镧和68%的镍60组成，其中镍60按质量分数由3%的碳、19%的铬、3%的硼、2%的硅、6%的铁和67%的镍组成。

实施例2

本实施例的碳化钛金属陶瓷粉末按质量百分比由28%的碳化钛、1%的氧化镧和71%的镍60组成，其中镍60按质量分数由1%的碳、12%的铬、2%的硼、1%的硅、1%的铁和83%的镍组成。

实施例3

本实施例的碳化钛金属陶瓷粉末按质量百分比由29%的碳化钛、2%的氧化镧和69%的镍60组成，其中镍60按质量分数由2%的碳、16%的铬、3%的硼、1%的硅、3%的铁和75%的镍组成。

所述碳化钛金属陶瓷粉末中添加的元素都有各自的作用，镍可以溶解很多的合金元素，而且能保持较好的组织稳定性，它可以形成共格有序的金属间化合物，使熔覆层具有更高的高温强度；铬元素有固溶强化和钝化作用，它能提高耐腐蚀性能和抗高温氧化性能，多余的铬容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬硬质相，从而可以提高熔覆层的硬度和耐磨性；少量的硅和硼元素具有脱氧还原和造渣功能，对涂层有硬化强化作用；碳化钛是熔覆层的主要硬质相，能显著提高熔覆层的硬度和耐磨性；微量的氧化镧可以细化晶粒，减少涂层的气孔和裂纹，对涂层的整体性能有很大的提高。

本发明实施例的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法的具体内容为：

S1.将上述碳化钛金属陶瓷粉末放入行星式球磨机的球磨罐中，也可以将碳化钛金属陶瓷粉末与适量的无水乙醇和适量的球磨珠子一起放入行星式球磨机的球磨罐中，设定球磨机的转速为320r/min，球磨16小时，将球磨后的粉末放到烘箱中烘干。其中，磨球机转速可以根据实际情况适当减小或增大，球磨时间也可根据具体情况调整在15小时~20小时之间，所述烘箱可以改为干燥箱或其他可以实现粉末干燥功能的装置，所述行星式球磨机为优选方案，其可以使粉末混合均匀，粒径变小，颗粒的菱角变钝，但其不是本发明的必选方案，其他类似的球磨机也适用本发明。

S2.将烘干后的碳化钛金属陶瓷粉末与水玻璃以8:1的质量比混合成糊状粉末，其比例也可以根据具体情况调整为6:1~9:1，所述水玻璃为速溶硅酸钠和水以1:6的质量比进行混合，其比例也可以根据具体情况调整为1:5~1:8，速溶硅酸钠的量不能太多，硅酸钠要全部溶解在水中才能进行下一步，而且水玻璃不能在空气中暴露太久，以免水玻璃变质。采用所述水玻璃做粘接剂，粘接效果好，能使粉末粘接致密，气孔少，能大大减少熔覆层组织的气孔，而且带入有力元素硅，杂质量很少，熔覆具有复杂曲面的零件时能使熔覆层厚度均匀，有较好的表面质量。

S3.将所述糊状粉末涂敷到试块的待熔覆表面上，其涂敷厚度为0.6mm~1mm，用铁片等工具将糊状粉末压平，然后让其自然风干，风干后可以对涂敷有糊状粉末的表面用砂纸等工具进行磨平处理，使糊状粉末的涂敷层厚度为0.5mm~0.8mm，磨平处理可以使涂层表面平整，厚度均匀，并且能增加涂层对激光的吸收率。

S4.用LSW-500脉冲激光机对试块上风干后的糊状粉末进行熔覆，其频率设置为35Hz~43Hz，脉宽为5ms~7ms，电流为100A~120A，调整其工艺参数，输出合适的激光量，适量提高激光的频率和脉宽，使激光功率为400W~450W，激光光斑为2mm~3mm，扫描速度为10mm/s~15mm/s，搭接率为50%~60%。所述LSW-500脉冲激光机为本发明的优选方案，这种脉冲激光是固体激光机，峰值能量高，具有足够的能量熔化碳化钛，激光波长短，熔覆层对激光的吸收率比气体激光机高很多，能节约成本，适当提高脉冲激光的频率和脉宽能提高熔覆层的表面质量和内部组织的均匀性，但其不是本发明的必选方案，其它型号的脉冲激光机也适用本发明。

S5.将熔覆后的试块放到磨床上磨平，再用抛光机对所述试块的熔覆表面进行抛光处理，抛光后，用无水乙醇将其清洗干净，这些处理过程能更好地反映出试块熔覆后的效果，为下一步的测试做准备，其他能达到同样目的的处理方法也适用本发明。

S6.对处理后的试块做硬度测试和磨损测试，用HR-150A型洛氏硬度仪测量熔覆层的硬度值，用杠杆式磨损机进行磨损测试，磨损时间为两小时，磨损后测试出试块的磨损量。

如图1-3所示，本发明中，水玻璃在空气中的凝结固化和石灰凝结固化相似，主要通过固化脱水结晶两个过程来实现，随着固化反应的进行，硅胶含量增加，伴随着硅胶脱水和自由水分蒸发形成固体二氧化硅的网状结构，这样就可以使粉末结合紧密，如图1，使熔覆前的涂敷层的气孔比预涂敷和同步送粉等方法少很多。因为形成了二氧化硅的网状结构，熔覆时，前一道不会使后面一道的熔点较低的镍粉、铁先团聚熔化，能使熔覆层的组织更加均匀，而且风干后的水玻璃形成了网状的二氧化硅和极少量的氢氧化钠，硅元素是有利元素，用这种熔覆方法引入的杂质很少，所以用这种方法配合本发明的碳化钛金属陶瓷粉末使熔覆后的涂层的微观组织致密、均匀，晶粒较细，无气孔无裂纹并和基体达到了冶金结合，结合强度好，如图2-3。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将碳化钛金属陶瓷粉末放入球磨机的球磨罐中，球磨15小时～20小时，将球磨后的粉末放到烘箱中烘干；

S2.将烘干后的碳化钛金属陶瓷粉末与水玻璃混合成糊状粉末；

S3.将所述糊状粉末涂敷到试块的待熔覆表面上，将所述糊状粉末压平，让其自然风干；

S4.用脉冲激光机对所述试块上风干后的糊状粉末进行熔覆，所述的脉冲激光机的激光功率为400W～450W，激光光斑为2mm～3mm，扫描速度为10mm/s～15mm/s，搭接率为50％～60％；

S5.将熔覆后的试块放到磨床上磨平，再用抛光机对所述试块的熔覆表面进行抛光处理，抛光后，用无水乙醇将其清洗干净；

S6.对所述试块做硬度测试和磨损测试。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述水玻璃为速溶硅酸钠和水以1:5～1：8的质量比进行混合，且速溶硅酸钠在水中充分溶解。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述步骤S2中的碳化钛金属陶瓷粉末和水玻璃的质量比为6:1～9:1。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述步骤S3中糊状粉末的涂敷厚度为0.6mm～1mm。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述脉冲激光机的频率设置为35Hz～43Hz，脉宽为5ms～7ms，电流为100A～120A。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述步骤S6中用HP-150A型洛氏硬度仪对试块的熔覆层进行硬度测试。

7.根据权利要求1所述的激光熔覆碳化钛金属陶瓷粉末的方法，其特征在于，所述步骤S6中用杠杆式磨损机对试块的熔覆层进行磨损测试，磨损时间为2～3小时，磨损后测试出试块的磨损量。