CN107034457A - 激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备方法 - Google Patents

激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备方法，所述熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 8‑10wt％，Cr 8‑10wt％，Ni 8‑10wt％，Mn 8‑10wt％，Ti 8‑10wt％，Si 8‑10wt％，C 16‑20wt％，B4C 1‑3％，BN 1‑3wt％，Y2O3 3‑5wt％，ZrO2 3‑5wt％，余量为Fe；制备方法包含：(1)基体材料的预处理；(2)熔覆层原料的准备与混合；(3)激光熔覆和重熔；(4)熔覆层的后处理。利用激光熔覆技术制备的熔覆层与基体材料呈良好的冶金结合，耐磨和耐蚀性能好，并可多次修复再使用，Y2O3和ZrO2陶瓷硬质相具有熔点高、导热系数小、热膨胀系数高、热稳定性好等优点，拓宽激光熔覆部件在航空航天、海洋化工等领域极端环境的应用范围。

Description

激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备方法。
背景技术
传统钢铁类零件常因表面磨损失效造成巨大经济损失，在易磨损零件表面制备高硬度、高耐磨性的熔覆层是延长使用寿命、修复失效部件的重要途径。激光熔覆技术具有熔覆层与基体结合强度高，熔覆过程中热影响区及热变形小，组织致密，容易实现机械自动化等一系列优点，被广泛应用在航空、航天、模具、汽车工业、化工等领域。利用激光熔覆技术在钢铁类零件表面激光熔覆高硬度、耐磨和耐蚀性能优异的熔覆层，不仅能大幅度提高零件的使用寿命，还可以降低对能源的消耗，减少对环境的污染。
目前研究报道的激光熔覆材料包括Ni基、Co基、Fe基合金粉末及金属-陶瓷复合粉末；其中，铁基合金粉末因价格低廉，与钢铁基材的成分相近，润湿性好，结合强度高等特性，具有最广阔的应用前景；但是，铁合金熔覆层的硬度、耐磨性能等有待进一步提高，涂层中容易产生裂纹也是亟待解决的问题；CN104878382A公开了一种激光熔覆用合金粉末及激光熔覆该粉末的方法，激光熔覆用合金粉末中含有较高含量的C、Si、B等元素，使熔覆层具有耐高温能力强、耐磨性强、硬度高、组织致密、晶粒细化、气孔和裂纹少等优点；CN104120424A公开了铁基激光熔覆粉末及熔覆层制备方法；CN103290406A公开了激光熔覆原位合成陶瓷相增强Fe基熔覆层及其制备方法，原位合成陶瓷硬质相主要有TiC、TiB2和B4C，显微硬度值高达1000HV以上；申请人前期的授权专利CN103484810B公布了等离子熔覆原位自生TiB2-TiC-TiN增强高熵合金涂层材料及制备方法，涂层平均维氏硬度高达1104Hv，具有长效耐磨和防腐性能，但无法满足航空航天零部件高性能和长寿命服役的要求，对失效零部件修复和再使用也存在局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料及其制备方法，利用激光熔覆技术制备的熔覆层与基体材料呈良好的冶金结合，耐磨和耐蚀性能好，并可多次修复再使用，满足航空航天部件高性能长寿命服役的要求。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，所述熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 8-10wt％，Cr 8-10wt％，Ni 8-10wt％，Mn8-10wt％，Ti 8-10wt％，Si 8-10wt％，C 16-20wt％，B4C 1-3％，BN 1-3wt％，Y2O3 3-5wt％，ZrO2 3-5wt％，余量为Fe。
优选的，所述熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co9wt％，Cr 9wt％，Ni 9wt％，Mn 9wt％，Ti 9wt％，Si 9wt％，C 18wt％，B4C 2％，BN2wt％，Y2O3 4wt％，ZrO2 4wt％，余量为Fe。
所述的熔覆层材料原料纯度不低于99.9wt％，平均粒度为10-200um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为碳钢或合金钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷所述步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启激光器，调节激光熔覆工艺参数，在保护气保护下用激光束对所述步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
所述的步骤(2)中涂层厚度为0.5-4mm。
所述的步骤(3)中激光器为3000-5000w二氧化碳气体激光器。
所述的步骤(3)中保护气为氩气，保护气压为0.5-1.0Mpa。
所述的步骤(3)中工艺参数包括：激光功率为2-4kW，扫描速度为6-10mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm。
所述的步骤(3)中陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2。
所述的熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
本发明具有如下优点：
1、本发明的激光熔覆技术对表面预处理要求低、熔覆工序简单；熔覆层具有结合强度高、耐磨和耐蚀性能好等优点，硬度高、组织致密、晶粒细化、气孔和裂纹少，激光熔覆部件可多次修复再使用，满足航空航天部件高精密、微型化的要求；2、激光熔覆技术大幅提高部件的工作可靠性，有效降低生产成本；3、Y2O3和ZrO2陶瓷硬质相具有熔点高、导热系数小、热膨胀系数高、热稳定性好等优点，是应用最广泛的热障涂层材料之一，拓宽激光熔覆部件在航空航天、海洋化工等领域极端环境的应用范围。
附图说明
图1 TiC和SiC复合增强铁基激光熔覆层的扫描电镜形貌。由图可见，TiC呈不规则的多变形，SiC呈较为细小的四方形。
图2 B4C增强铁基激光熔覆层的扫描电镜形貌。由图可见，B4C颗粒分布不够均匀，呈较为规则的片状四方形。
图3 TiB2增强铁基激光熔覆层的扫描电镜形貌。由图可见，TiB2呈长条形状分布，宽窄结合分布，具有较大长短轴比，对基体能够起到类似的“陶瓷纤维”增强效应。
图4 ZrO2和Y2O3增强铁基激光熔覆层的扫描电镜形貌。由图可见，ZrO2和Y2O3的分布不够均匀，形状不够规则，总体颗粒尺寸较小，Y2O3的颗粒尺寸更小，对熔覆层起到复合氧化物陶瓷相增强作用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围；所制得的陶瓷相TiCSiC、B4C、TiB2、ZrO2和Y2O3增强熔覆层的组织形貌采用Hitachi S-4800型扫描电子显微镜进行了观察，分别如图1、图2、图3和图4所示。
实施例1
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 8wt％，Cr 8wt％，Ni 8wt％，Mn 8wt％，Ti 8wt％，Si 8wt％，C16wt％，B4C 1％，BN 1wt％，Y2O3 3wt％，ZrO2 3wt％，余量为Fe；原料纯度不低于99.9wt％，平均粒度为10um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，涂层厚度为0.5mm，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启3000w二氧化碳气体激光器，调节激光熔覆工艺参数：激光功率为2kW，扫描速度为6mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm，在保护气压为0.5Mpa的氩气保护下用激光束对步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相的熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相的熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
熔覆层陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2；熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
实施例2
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 10wt％，Cr 10wt％，Ni 10wt％，Mn 10wt％，Ti 10wt％，Si10wt％，C20wt％，B4C 3％，BN 3wt％，Y2O3 5wt％，ZrO2 5wt％，余量为Fe；原料纯度不低于99.9wt％，粒度为200um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，涂层厚度为4mm，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启5000w二氧化碳气体激光器，调节激光熔覆工艺参数：激光功率为4kW，扫描速度为10mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm，在保护气压为1.0Mpa的氩气保护下用激光束对步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相的熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相的熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
熔覆层陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2；熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
实施例3
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 8.5wt％，Cr 8.5wt％，Ni 8.5wt％，Mn 8.5wt％，Ti 8.5wt％，Si8.5wt％，C 17wt％，B4C 1.5％，BN 1.5wt％，Y2O3 3.5wt％，ZrO2 3.5wt％，余量为Fe；原料纯度不低于99.9wt％，平均平均粒度为200um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，涂层厚度为1mm，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启4000w二氧化碳气体激光器，调节激光熔覆工艺参数：激光功率为3kW，扫描速度为8mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm，在保护气压为0.8Mpa的氩气保护下用激光束对步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相的熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相的熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
熔覆层陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2；熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
实施例4
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 9.5wt％，Cr 9.5wt％，Ni 9.5wt％，Mn 9.5wt％，Ti 9.5wt％，Si9.5wt％，C 19wt％，B4C 2.5％，BN 2.5wt％，Y2O3 4.5wt％，ZrO2 4.5wt％，余量为Fe；原料纯度不低于99.9wt％，平均粒度为150um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，涂层厚度为3mm，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启3500w二氧化碳气体激光器，调节激光熔覆工艺参数：激光功率为3.5kW，扫描速度为7mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm，在保护气压为0.9Mpa的氩气保护下用激光束对步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相的熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相的熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
熔覆层陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2；熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
实施例5
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 9wt％，Cr 9wt％，Ni 9wt％，Mn 9wt％，Ti 9wt％，Si 9wt％，C18wt％，B4C 2％，BN 2wt％，Y2O3 4wt％，ZrO2 4wt％，余量为Fe；原料纯度不低于99.9wt％，平均粒度为200um。
激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层的制备方法，包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，涂层厚度为3mm，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启4500w二氧化碳气体激光器，调节激光熔覆工艺参数：激光功率为3kW，扫描速度为9mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm，在保护气压为0.8Mpa的氩气保护下用激光束对步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相的熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相的熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
熔覆层陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2；熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，其特征在于，所述熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 8-10wt％，Cr 8-10wt％，Ni 8-10wt％，Mn 8-10wt％，Ti 8-10wt％，Si 8-10wt％，C 16-20wt％，B4C 1-3％，BN 1-3wt％，Y2O33-5wt％，ZrO23-5wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，其特征在于，所述熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量的原料组成：Co 9wt％，Cr9wt％，Ni 9wt％，Mn 9wt％，Ti 9wt％，Si 9wt％，C 18wt％，B4C 2％，BN 2wt％，Y2O34wt％，ZrO24wt％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料，其特征在于，所述熔覆层材料原料纯度不低于99.9wt％，平均粒度为10-200um。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
(1)基体材料的预处理：基体材料为低碳钢，预处理包括表面打磨、表面除油除锈，所述表面打磨采用车削或砂纸打磨，所述表面除油除锈采用酒精进行表面清洗和擦拭，然后烘干备用；
(2)熔覆层原料的准备与混合：按照所述原料重量百分比和组分称取原料并充分混合均匀，用酒精均匀调成糊状，然后将糊状混合粉末均匀涂敷所述步骤(1)中基体材料的待熔表面得预涂层，自然风干；
(3)激光熔覆和重熔：开启激光器，调节激光熔覆工艺参数，在保护气保护下用激光束对所述步骤(2)中预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，预涂层在激光能量照射下原位反应生成陶瓷硬质相熔覆层；按照相同熔覆工艺参数对所述熔覆层进行激光重熔进一步细化得硬质晶体相熔覆层；
(4)熔覆层的后处理：使用千分尺对熔覆前后的尺寸检测，通过着色探伤检测，确保熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中涂层厚度为0.5-4mm。
6.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中激光器为3-5kW二氧化碳气体激光器。
7.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中保护气为氩气，保护气压为0.5-1.0Mpa。
8.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中工艺参数包括：激光功率为2-4kW，扫描速度为6-10mm/s，光斑直径为4mm，激光器镜面到基体表面的距离为100mm。
9.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中陶瓷硬质相包含TiC、TiB2、B4C、SiC、Y2O3、ZrO2。
10.根据权利要求4所述的激光熔覆原位自生陶瓷相增强Fe基合金熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述的熔覆层与基体材料产生冶金结合，平均维氏硬度高达2000Hv。
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