CN104480462B - 一种铁基非晶涂层及其激光制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁基非晶涂层的激光制备方法。其铁基非晶涂层各元素的重量百分数组成公式为FeaCrbNicSidBeCf，其中b+c+d+e+f≤50。粉末可以按所需要的重量配比将上述组份按比例混合均匀后使用。通过同步送粉方式送粉，在氩气保护气氛中熔覆制成铁基合金涂层，在经过激光重熔制成铁基非晶涂层。本发明制备得到的涂层缺陷少，并有较高的耐腐蚀性，形成为全非晶组织。
Description
技术领域
本发明属于表面涂层技术领域，具体涉及一种铁基非晶涂层及其激光制备方法。
背景技术
非晶合金与传统晶体材料相比，具有高屈服强度，高硬度，高弹性模量，良好耐腐蚀性能。其中的铁基非晶体系由于具有丰富的自然资源、低廉的材料成本、优异的力学、化学性能、磁学性能、耐腐蚀性能以及潜在的工业应用,吸引了越来越多的材料研究者的注意。
但是通常合金需要在极高的冷却速度下才能形成非晶合金，其玻璃形成能力限制了非晶样品的形状和最大尺寸，所以非晶制品多为薄膜、条带、细丝或粉末，再加上块体非晶态合金的室温塑性较差，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料，这些都大大的限制了非晶合金在实际工程中的应用。而相对而言，利用表面涂层技术在基体表面制备非晶涂层，不仅能降低成本，同时还能基体在不失去其特性的情况下大幅度的提高产品的耐腐蚀性和耐磨性。美国进行的NAAC计划，主要致力于非晶涂层的应用研究，发现非晶涂层的中子吸收能力是不锈钢和Ni基高温合金(C22)的7倍，是硼钢的3倍以上。而且经过与316不锈钢以及Ni基高温合金(C-22)在海洋环境中的综合腐蚀性能比较后，发现非晶涂层在恶劣的海洋环境中(如干湿交替，高盐雾等)具有更加优异的耐腐蚀性能，因此十分适合喷涂在舰船的甲板/外壳等关键地方，可大大延长部件使用寿命。
现有的激光制备铁基非晶涂层[专利：CN 101899663A]，将元素混合粉作为熔覆粉末材料，在氩气保护下进行熔覆，最终获得200-300mm的铁基非晶纳米晶涂层，非晶涂层上弥散着纳米晶；现有的激光制备铁基非晶涂层[专利：CN 103302287A]，将含有Mo、Nb、Co和稀土元素Ce、Y的合金粉末进行激光熔覆，获得铁基非晶涂层，其非晶比例在30％。现有技术使用了大量的合金元素，甚至包括稀土元素，成本较高；所得到的铁基非晶涂层并不为全非晶态，涂层耐腐蚀性较低；涂层厚度过厚，会较大程度的改变零件的外形和尺寸。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种铁基非晶涂层及其激光制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种铁基非晶涂层，所述的涂层组织为全非晶态，涂层厚度为0.2-2mm。
一种铁基非晶涂层的激光制备方法，通过同步送粉的方法进行激光熔覆，在氩气保护中熔覆制成铁基合金涂层，再经过激光重熔制成所述的铁基非晶涂层，具体包括如下步骤：
第一步：按铁基合金组分组成制备熔覆的的金属粉末；
第二步：使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对第一步中的金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在基体上制备一层铁基合金涂层，；
第三步：使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对第二步中制得的铁基合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得铁基非晶涂层。
其中，第一步中所述的铁基合金按重量百分数计，包括20％≤Cr≤30％、2％≤Ni≤8％、2％≤Si≤5％、1％≤B≤5％、2％≤C≤6％，铁粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米。
第二步中的铁基合金涂层熔覆工艺是指：依次设置激光功率200-1000W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度300-2000mm/min，同步送粉量为5-15g/min，保护氩气流量10-20L/min。
第三步中铁基合金涂层重熔工艺是指：依次设置激光功率500-2000W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度600-3000mm/min，保护氩气流量10-20L/min。
与现有技术相比，本发明的优点包括：(1)熔覆粉末由多种元素粉或多种合金粉组合而成，并不含有稀土元素，采用合金粉末时可以极大的降低原材料成本；(2)制备工艺为涂层提供较大温度梯度，形成的涂层微观结构为单相非晶态，无晶界的存在，相比非晶和细晶混合存在的涂层拥有更优良的耐腐蚀性；(3)熔覆涂层与基体形成冶金结合，界面结合强度高，且涂层致密无气孔；(4)所获得的非晶厚度较薄，不会对加工部件外形尺寸产生太大影响，工业价值较大。
附图说明
图1为本发明实施例1制备铁基非晶涂层的组织显微图。
图2为本发明实施例1中的铁基非晶涂层在3.5％NaCl溶液中的极化曲线
图3为本发明实施例2中制备铁基非晶涂层的XRD图。
具体实施方式
实施例1
(1)熔覆粉末预处理
准备熔覆粉末材料的成分按重量百分比计为：60％Fe、25％Cr、5％Ni、2.5％Si、1.5％B、4％C、2％W，粉末的粒度范围为60-150微米，并在真空干燥炉中80℃干燥2小时。
(2)制备铁基合金涂层
将(1)中金属熔覆粉末放入自动送粉机(市售，RC-PGF-D-1)中进行同步送粉，使用连续光纤激光器，在45#钢(150mm×42mm×20mm)表面制备一层铁基合金涂层，具体操作是：将45#钢平置在加工台，使用夹具固定，校准激光起始坐标，设置激光器工艺参数为：激光功率200W，光斑直径1mm，搭接率0.3，扫描速度400mm/min，同步送粉量为6g/min，保护氩气流量15L/min。完成后冷却至室温。
(3)制备铁基非晶涂层
具体操作是：停止同步送粉，对(2)已经获得的涂层表面进行激光快速重熔处理，校准激光起始坐标，设置激光器的工艺参数为：激光功率500W，光斑直径1mm，搭接率0.3，扫描速度800mm/min，保护氩气流量15L/min。完成后冷却至室温获得铁基非晶涂层。
图1的显微图显示制备的涂层为无明显组织特征的全非晶态，涂层和基体之间结合良好，图2为获得铁基非晶涂层在3.5％NaCl溶液中进行电化学腐蚀效果，图2表明其耐腐蚀能力强。
实施例2
(1)熔覆粉末预处理
准备熔覆粉末材料的成分按重量百分比计为：55％Fe、30％Cr、5％Ni、3.5％Si、2％B、4.5％C，粉末的粒度范围为60-150微米，并在真空干燥炉中80℃干燥2小时。
(2)制备铁基合金涂层
将(1)中金属熔覆粉末放入自动送粉机(市售，RC-PGF-D-1)中进行同步送粉，使用连续光纤激光器，在45#钢(150mm×42mm×20mm)表面制备一层铁基合金涂层，具体操作是：将45#钢平置在加工台，使用夹具固定，校准激光起始坐标，设置激光器工艺参数为：激光功率800W，光斑直径2mm，搭接率0.3，扫描速度800mm/min，同步送粉量为15g/min，保护氩气流量20L/min。完成后冷却至室温。
(3)制备铁基非晶涂层
具体操作是：停止同步送粉，对(2)已经获得的涂层表面进行激光快速重熔处理，校准激光起始坐标，设置激光器的工艺参数为：激光功率2000W，光斑直径2mm，搭接率0.4，扫描速度1800mm/min，保护氩气流量20L/min。完成后冷却至室温获得铁基非晶涂层。
图3为涂层组织的XRD检测图，所获得为馒头峰，并无其他衍射峰存在，说明涂层为全非晶态组织。
实施例3
(1)熔覆粉末预处理
准备熔覆粉末材料的成分按重量百分比计为：57％Fe、30％Cr、6％Ni、4％Si、1％B、2％C，粉末的粒度范围为60-150微米，并在真空干燥炉中80℃干燥2小时。
(2)制备铁基合金涂层
将(1)中金属熔覆粉末放入自动送粉机(市售，RC-PGF-D-1)中进行同步送粉，使用连续光纤激光器，在45#钢(150mm×42mm×20mm)表面制备一层铁基合金涂层，具体操作是：将45#钢平置在加工台，使用夹具固定，校准激光起始坐标，设置激光器工艺参数为：激光功率300W，光斑直径1mm，搭接率0.3，扫描速度300mm/min，同步送粉量为8g/min，保护氩气流量20L/min。完成后冷却至室温。
(3)制备铁基非晶涂层
具体操作是：停止同步送粉，对(2)已经获得的涂层表面进行激光快速重熔处理，校准激光起始坐标，设置激光器的工艺参数为：激光功率800W，光斑直径2mm，搭接率0.3，扫描速度1000mm/min，保护氩气流量20L/min。完成后冷却至室温获得铁基非晶涂层。
所获得的涂层为Fe基全非晶态组织。
实施例4
(1)熔覆粉末预处理
准备熔覆粉末材料的成分按重量百分比计为：50％Fe、27％Cr、8％Ni、5％Si、4％B、4％C、2％W，粉末的粒度范围为60-150微米，并在真空干燥炉中80℃干燥2小时。
(2)制备铁基合金涂层
将(1)中金属熔覆粉末放入自动送粉机(市售，RC-PGF-D-1)中进行同步送粉，使用连续光纤激光器，在可锻铸铁(150mm×42mm×20mm)表面制备一层铁基合金涂层，具体操作是：将可锻铸铁平置在加工台，使用夹具固定，校准激光起始坐标，设置激光器工艺参数为：激光功率400W，光斑直径1.5mm，搭接率0.5，扫描速度500mm/min，同步送粉量为5g/min，保护氩气流量15L/min。完成后冷却至室温。
(3)制备铁基非晶涂层
具体操作是：停止同步送粉，对(2)已经获得的涂层表面进行激光快速重熔处理，校准激光起始坐标，设置激光器的工艺参数为：激光功率800W，光斑直径1mm，搭接率0.5，扫描速度800mm/min，保护氩气流量15L/min。完成后冷却至室温获得铁基非晶涂层。
所获得的涂层为Fe基全非晶态组织。
实施例5
(1)熔覆粉末预处理
准备熔覆粉末材料的成分按重量百分比计为：65％Fe、20％Cr、5％Ni、2.5％Si、3.5％B、4％C，粉末的粒度范围为60-150微米，并在真空干燥炉中80℃干燥2小时。
(2)制备铁基合金涂层
将(1)中金属熔覆粉末放入自动送粉机(市售，RC-PGF-D-1)中进行同步送粉，使用连续光纤激光器，在45#钢(150mm×42mm×20mm)表面制备一层铁基合金涂层，具体操作是：将45#钢平置在加工台，使用夹具固定，校准激光起始坐标，设置激光器工艺参数为：激光功率300W，光斑直径1mm，搭接率0.3，扫描速度400mm/min，同步送粉量为7g/min，保护氩气流量15L/min。完成后冷却至室温。
(3)制备铁基非晶涂层
具体操作是：停止同步送粉，对(2)已经获得的涂层表面进行激光快速重熔处理，校准激光起始坐标，设置激光器的工艺参数为：激光功率1000W，光斑直径2mm，搭接率0.5，扫描速度2000mm/min，保护氩气流量20L/min。完成后冷却至室温获得铁基非晶涂层。
所获得的涂层为Fe基全非晶态组织。
Claims (1)
1.一种铁基非晶涂层的激光制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：按铁基合金组分组成制备熔覆的金属粉末；
第二步：使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对第一步中的金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在基体上制备一层铁基合金涂层，铁基合金涂层熔覆工艺是指：依次设置激光功率200-1000W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度300-2000mm/min，同步送粉量为5-15g/min，保护氩气流量10-20L/min；
第三步：使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对第二步中制得的铁基合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得铁基非晶涂层，铁基合金涂层重熔工艺是指：依次设置激光功率500-2000W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度600-3000mm/min，保护氩气流量10-20L/min；
其中，第一步中所述的铁基合金按重量百分数计，包括20%≤Cr≤30%、2%≤Ni≤8%、2%≤Si≤5%、1%≤B≤5%、2%≤C≤6%，铁粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米。
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