CN103290406A

CN103290406A - 激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法

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Publication number: CN103290406A
Application number: CN201310218338XA
Authority: CN
Inventors: 乔虹; 李庆棠; 符寒光; 蒋业华; 雷永平; 刘洪喜
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-04
Also published as: CN103290406B

Abstract

激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法，属于激光熔覆技术领域。原位合成陶瓷硬质相主要有TiC、TiB₂和B₄C，该涂层是按照以下步骤制备的，首先对基体进行预处理，然后采用同步送粉激光熔覆的方式，将合金粉按照比例配比后进行充分混合并干燥后作为熔覆材料，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，熔覆材料在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相，并且与基体呈现良好的冶金结合，该涂层组织致密，无气孔和裂纹。显微硬度值高达1000HV以上，在激光表面改性领域具有很好应用前景。

Description

激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法

技术领域

本发明属于激光熔覆技术，具体涉及激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法。

背景技术

由于激光特有的优良属性，自20世纪中期激光器研制成功以来已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面改性是激光在表面技术领域中新的应用。根据采用不同的激光能量密度和不同的处理方式，激光表面技术中比较典型的方法有激光熔覆、激光相***化、激光冲击强化、激光表面合金化等。这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性及高耐腐蚀等性能。从而达到既节约了成本又满足工作目的的要求。

激光熔覆是一种新兴表面改性技术，它通过发生在基体表面的快速熔凝过程提高材料的表面性能。激光熔覆具备诸多优势，如：基体和熔覆层结合强度高；基体受到的热影响较小，不易变形等。通过激光熔覆不同材料，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温抗氧化等性能，同时降低贵重金属的消耗。因此在材料表面改性方面具有广阔应用前景。

陶瓷具有高熔点、高硬度、热稳定性好等特点，常作为增强相用于制备激光熔覆铁基复合材料。然而，目前的涂层总是由一些常规合金粉末或加入陶瓷相组成，在熔覆时仍存在裂纹、气孔等缺陷，或存在与基体润湿性差等问题，应用时出现力学性能不均匀、易剥落等现象。因此，找到合适的激光熔覆粉末与工艺具有重要的意义。引入陶瓷增强相的方法通常有两种，即外加法和原位自生法。原位自生的陶瓷增强相颗粒较为细小，与基体界面结合较好，裂纹倾向减小，是近年来发展较快的金属基复合材料制备方法。

近年来，对于在高铬铸铁基础上发展起来的以M₂B共晶硼化物为耐磨骨架的新型Fe-Cr-B耐磨合金的研究越来越多。该体系合金在耐磨和耐热冲击性方面都有较高的性能。Cr12MoV是一种应用广泛的汽车模具钢，通过在Fe-Cr-B合金粉末基础上添加新的粉末材料在基体表面进行激光熔覆，原位反应生成陶瓷硬质相，有望达到提高模具钢表面硬度，并延长模具寿命的目的。因此，开发合适的激光熔覆粉末与工艺具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有激光熔覆表面强化存在的缺点，提出一种激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法，来解决汽车模具钢表面强化问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层的制备方法，该方法是按照以下步骤进行的：

（1）基体预处理

对加工好的模具钢基体工作表面除油、除锈，用砂纸打磨，得到平整光洁的表面；

（2）激光熔覆

采用同步送粉激光熔覆的方式，将合金粉按照比例配比后进行充分混合并干燥后作为熔覆材料，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，熔覆材料在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相。

作为对本发明的限定，本发明所述的步骤（2）的合金粉材料成分为硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉、铁粉、含Ti29‐31wt%的钛铁粉和B₄C粉，其中所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.2‐1.5%、Si1.1‐1.2%、Cr10.7‐11.3%、C0.08‐0.15%，余量Fe，而含Ti29‐31wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：钛铁粉22.5‐26.1%、B₄C粉2.2‐2.5%。

合金粉末粒度为80‐120目；原位形成的陶瓷相分布均匀，熔覆层组织致密，无气孔裂纹，熔覆涂层与基体呈现良好冶金结合。

此外，为了获得具有特定力学性能、微观组织结构与基体结合良好的均匀致密的熔覆涂层，必须根据粉末种类和配比的不同，选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、扫描速度、送粉率、光斑大小、氩气流量等。激光功率的增加、扫描速度的减小，会使更多粉末熔化，提高结合强度降低开裂倾向，但激光功率过大、扫描速度过慢会造成一部分硬质相元素烧损，也会使得稀释率增加。熔覆材料化学成分对熔覆层质量影响最大，最复杂，B、B₄C含量高，熔覆层硬度高，但是开裂倾向大。B₄C、Ti可按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC进行配比，但要考虑Ti元素会有部分烧损。因此，只有各工艺参数间实现良好的搭配，才能获得符合实际要求的良好熔覆涂层。鉴于此，本发明所述的激光熔覆工艺参数为：激光功率900-1500W、扫描速度3-8mm/s、光斑直径：送粉率：10-15g/min、氩气流量：12-18L/min。

通过激光加热反应，涂层中原位合成陶瓷硬质相主要有TiC、TiB₂、B₄C（见附图）。

采用上述方案后，本发明取得的有益效果是：熔覆粉末在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相，并且与基体呈现良好的冶金结合，该涂层组织致密，无气孔和裂纹。本发明的激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层的制备工艺，生产设备及工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无污染等优点，且熔覆不需要在真空条件下进行，工件尺寸不受限制，因此可用于加工复杂表面或者表面修复。该涂层显微硬度值高达1000HV以上，是基体硬度的1.6-2.0倍。同时不使用贵重金属，用于材料表面改性具有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为实施例1熔覆涂层显微组织图。

具体实施方式

本发明将就以下实施例作进一步说明。所述的合金粉材料成分为硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉、铁粉、含Ti29‐31wt%的钛铁粉和B₄C粉，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.2‐1.5%、Si1.1‐1.2%、Cr10.7‐11.3%、C0.08‐0.15%，余量Fe，而含Ti29‐31wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：钛铁粉22.5‐26.1%、B₄C粉2.2‐2.5%。具体见实施例。

实施例1：

激光功率900W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比

（1）基体预处理

对加工好的汽车模具钢Cr12MoV基体工作表面除油、除锈，用砂纸打磨，得到平整光洁的表面；

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.3%、Si1.2%、Cr11.3%、C0.1%、余量Fe；而含Ti30wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti30%的Ti-Fe粉22.5%、B₄C粉2.5%；粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率900W、扫描速度4mm/s、光斑直径：

送粉率：15g/min、氩气流量：12L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1040Hv，通过激光加热反应，涂层中原位合成陶瓷硬质相主要有TiC、TiB₂、B₄C，见附图1。

实施例2：

激光功率:1200W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.3%、Si1.2%、Cr11.3%、C0.09%、余量Fe。而含Ti29.1wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti29.1%的Ti-Fe粉22.5%、B₄C粉2.5%；粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率1200W、扫描速度4mm/s、光斑直径：

送粉率：15g/min、氩气流量：18L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1055Hv。

实施例3：

激光功率:1500W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.3%、Si1.1%、Cr10.7%、C0.12%、余量Fe；而含Ti30.7wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti30.7%的Ti-Fe粉26.1%、B₄C粉2.2%；粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率1500W、扫描速度8mm/s、光斑直径：送粉率：10g/min、氩气流量：16L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1035Hv。

实施例4：

激光功率:900W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比。

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.5%、Si1.18%、Cr10.76%、C0.11%、、余量Fe；而含Ti30.6wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti30.6%的Ti-Fe26.1%、B₄C2.2%。粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率900W、扫描速度4mm/s、光斑直径：送粉率：12g/min、氩气流量：15L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1070Hv。

实施例5：

激光功率:1200W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比。

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.38%、Si1.15%、Cr10.76%、C0.10%、余量Fe；而含Ti30.2wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti30.2%的Ti-Fe粉24.1%、B₄C粉2.4%；粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率1200W、扫描速度6mm/s、光斑直径：

送粉率：12g/min、氩气流量：13L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1062Hv。

实施例6：

激光功率:1500W，Ti-Fe粉与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比。

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

预置涂层材料成分成分配比中，所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.2%、Si1.1%、Cr10.94%、C0.15%、余量Fe；而含Ti29.5wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：含Ti29.5%的Ti-Fe粉26.1%、B₄C粉2.4%；粉末粒度为80-120目。配粉后混合均匀并干燥，在氩气保护下调节激光熔覆工艺参数，激光功率1500W、扫描速度7mm/s、光斑直径：

送粉率：15g/min、氩气流量：17L/min。在该工艺参数下使熔覆材料与汽车模具钢基体原位反应形成陶瓷相增强Fe基涂层，熔覆涂层硬度达到1068Hv。

以本发明的实施例为启示，以及通过本文的说明内容，激光加工技术人员可以在本项发明技术思想的范围内进行变更以及修改。本发明技术性范围不局限于说明书上的内容，要根据权利要求范围确定技术性范围。

Claims

1.激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层，其特征在于，原位合成陶瓷硬质相主要有TiC、TiB₂和B₄C。

2.制备权利要求1所述的激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基体预处理

（2）激光熔覆

采用同步送粉激光熔覆的方式，将合金粉按照比例配比后进行充分混合并干燥后作为熔覆材料，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，熔覆材料在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相；

步骤（2）的合金粉组成为硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉、铁粉、含Ti29-31wt%的钛铁粉和B₄C粉，其中所述的硼铁粉、硅铁粉、铬铁粉和铁粉总的物质中的元素占四种合金粉材料总重量的百分比为：B1.2-1.5%、Si1.1-1.2%、Cr10.7-11.3%、C0.08-0.15%，余量Fe，而含Ti29-31wt%的钛铁粉和B₄C粉占所有合金粉材料总重量的百分比分别为：钛铁粉22.5-26.1%、B₄C粉2.2-2.5%。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光功率900-1500W、扫描速度3-8mm/s、光斑直径：

送粉率：10-15g/min、氩气流量：12-18L/min。

4.按照权利要求2的方法，其特征在于，合金粉粒度为80-120目。