CN108441859B - 使用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法 - Google Patents

使用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

使用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法，涉及激光熔覆技术领域。涂层中加入适量的纯Nb粉，加入的Nb与熔池中的C结合，原位生成高硬度、高稳定性的NbC硬质相颗粒，来增强Ni基涂层的力学性能。该涂层是按以下步骤制备的，首先对模具钢基体进行预处理，将合金粉末按照设计成分配比，用行星式球磨机混合并干燥后用作熔覆材料。采用同步送粉的激光熔覆的方式，在模具钢基体表面制备熔覆层。所获得的熔覆层组织致密，无气孔、裂纹、夹杂等缺陷，与基体呈良好的冶金结合，显著提高了模具钢的表面性能，提高了模具的服役寿命。

Description

使用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及使用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法。
背景技术
在汽车工业领域，90％以上的汽车零部件都靠模具成形，模具在汽车生产制造中地位也越来越重要，因此被称为“汽车工业之母”。然而在模具服役过程中，由于模具表面磨损和腐蚀使得模具提早失效，大大缩短了模具使用寿命，这不仅影响了产品的生产周期和生产成本，而且还在一定程度上造成了资源的浪费。若通过表面修复的方法，在失效模具表面制备一层高强度高硬度的涂层，不仅可以使失效模具重新投入使用，降低生产成本和缩短模具更换周期，而且由于制备的涂层具有高强度和高硬度，还能大幅度提高模具的表面性能，延长模具的使用寿命。
激光熔覆是一种高效、节能和环保的表面改性技术，以高能激光束作为热源，合金粉末作为熔覆材料。通过激光的照射将合金粉末和基体表面快速熔化，激光束移开之后，熔融金属由于基体的导热而快速凝固，从而得到与基体完全冶金结合的熔覆层，以达到改善表面性能的目的。
与传统的表面改性技术相比，激光熔覆制备的涂层具有较低的稀释率，较小的热影响区，涂层组织致密，与基体结合良好，孔隙率低和夹杂含量少的特点。同时，激光熔覆还具有易于实现自动化，使用材料体系范围广等特点。可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温抗氧化性等性能，同时降低贵重金属的消耗。在环境，冶金、交通、机械、能源、航空等领域有着巨大的应用前景。
Ni基合金涂层具有较高的结合强度，较好的耐腐蚀性和优异的耐磨性，在工程上具有广阔的应用前景。而添加硬质相颗粒可以显著提高熔覆层的硬度和耐磨性能。因此，常用该合金体系对损坏的模具材料表面进行修复。
陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，热稳定好等优点，常用作金属基激光熔覆层的增强相来提高涂层的力学性能。NbC颗粒具有高熔点，高硬度，高弹性模量等优越性能，而且与Ni基涂层的密度相近，因此常用来强化Ni基涂层。NbC的加入有两种形式，直接加入NbC颗粒和原位生成NbC。原位生成的NbC颗粒细小，与基体界面结合较好，裂纹倾向较低，是近年来发展较快的金属基复合材料制备方法。
通过在Ni基合金粉末基础上加入适量的纯Nb粉，在Cr12MoV模具钢表面进行激光熔覆，原位生成NbC硬质相，有望达到提高模具钢的表面硬度和耐磨性能，并延长模具服役寿命的目的。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：针对现有激光熔覆存在的缺点及汽车挤压模具磨损失效机制，提出一种用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法，解决汽车模具钢表面磨损问题。
一种用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法，该方法是按照以下步骤进行的：
(1)基体预处理
对加工好的Cr12MoV汽车模具钢基体表面用砂纸打磨并用丙酮清洗，得到平整光洁的表面；
(2)激光熔覆
将熔覆用镍基合金复合粉末按照设计成分配比混合，将所得混合粉末用行星球磨机进行机械混合3h，混合均匀之后烘干优选在80℃的烘干箱中烘干2h，装入送粉器中；采用同轴送粉激光熔覆方式，在基体表面制备耐磨涂层。
镍基合金复合粉末包括镍基合金粉末、纯Nb粉和纯Ta粉。
镍基合金粉末粒度范围为75-150μm。在镍基合金粉末中添加粒径为35-45μm的纯Nb粉和纯Ta粉，纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为镍基合金复合粉末质量的3.0-4.5％和1.5-2.0％；所得到的熔覆层组织致密，无气孔裂纹，熔覆层与基体呈现良好冶金结合。
作为对本发明的限定，本发明所述的制备涂层所用镍基合金粉末的组成及质量分数为：0.73-0.97％C,3.24-4.05％B,4.66-5.10％Si,0.37-0.58％Ce,0.18-0.27％Mg,18.26-19.04％Cr,0.53-0.69％K,<5.00％Fe,Ni余量。
本发明镍基合金粉末中，除了含有3.24-4.05％B,4.66-5.10％Si和18.26-19.04％Cr，用于改善镍基合金粉末的熔覆性能外，大量硼的加入和铬结合，生成高硬度的含铬硼化物，有利于提高镍基熔覆合金的硬度和耐磨性。特别含有0.37-0.58％Ce、0.53-0.69％K和0.18-0.27％Mg，有利于细化原位合成碳化物的尺度，促使碳化物分布均匀，从而使熔覆层具有优异的耐磨性和良好的强韧性，确保熔覆层在制备和使用过程中不开裂。此外，熔覆粉末中，加入纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为熔覆镍基合金粉末质量的3.0-4.5％和1.5-2.0％，可以确保熔覆层中原位合成大量高硬度的NbC和TaC，促进熔覆层耐磨性的大幅度提高。
此外，激光熔覆的工艺参数和粉末的成分，会影响到熔覆层的宏观形貌、显微组织、以及力学性能。为了获得具有力学性能优良、组织致密的熔覆层，需要选择合适的激光熔覆工艺参数以及粉末的成分。激光熔覆工艺参数主要包括：激光功率、扫描速度、送粉速率等。当增大激光功率，增大送粉速率，减小扫描速度，均会使涂层的厚度提高，当涂层的厚度过高时，容易导致涂层与基体之间的结合较差，涂层容易剥落。当其他条件一定时，当激光功率过高时，会造成稀释率过大，会降低涂层的力学性能，而当激光功率过低时，会使得粉末熔化不够充分，导致熔覆层可能会出现夹杂缺陷还会降低粉末的利用率。因此，本发明所述的激光熔覆的工艺参数优选为：激光功率：1800W，扫描速度：4mm/s，送粉率：15g/min，光斑直径：5mm×5mm，氩气流量：15L/min。熔覆材料的化学成分则会直接影响到熔覆层的显微组织和力学性能。
通过激光加热，合金粉末与基体表面发生熔化，而在材料表面形成熔池。当激光离去，在材料的自冷却作用下，熔池快速凝固成熔覆层。通过检测，熔覆层中生成了NbC、TaC颗粒。
采用上述方案后，本发明取得的有益效果是：通过激光熔覆所获得的熔覆层与基体呈现着良好的冶金结合，熔覆层组织致密，未发现气孔、裂纹和夹杂等缺陷。在反应过程中，Nb、Ta与熔池中的C结合，原位生成了大量的弥散分布的细小的NbC、TaC颗粒。熔覆层的硬度达到了800Hv以上，比基体材料汽车模具钢Cr12MoV提高了2倍多，熔覆层抗拉强度超过350MPa，冲击韧性大于12J/cm2。耐磨性比基体材料提高了5倍以上。本发明的所用的Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备工艺简便，易于实现自动化生产，没有污染，而且激光熔覆过程不需要在真空中进行，工件尺寸基本不受限制，可以用于加工复杂表面或者表面修复，在材料表面改性上有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为实施例1所得熔覆层显微组织图。
具体实施方式
本发明将就以下实施例作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：激光功率1800W，纯Nb粉的添加量为镍基合金复合粉末质量的4.5％。
(1)Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面。
(2)激光熔覆
制备涂层所用的镍基合金粉末的组成及质量分数为：0.73％C,4.05％B,4.66％Si,0.58％Ce,0.18％Mg,19.04％Cr,0.53％K,2.47％Fe,Ni余量；镍基合金粉末粒度范围为75-150μm；在镍基合金粉末中添加粒径为35-45μm的纯Nb粉和纯Ta粉，纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为镍基合金复合粉末质量的4.5％和1.5％；将混合粉末用行星球磨机进行机械混合3h，混合均匀之后在80℃的烘干箱中烘干2h。调节激光熔覆工艺参数：激光功率：1800W，扫描速度：4mm/s，光斑直径：5mm×5mm，氩气流量：15L/min。
熔覆层的显微组织见图1。
在该工艺参数下实现在汽车模具钢Cr12MoV基体表面制备Ni基耐磨熔覆涂层。Ni基耐磨熔覆涂层的显微硬度为812Hv，熔覆层抗拉强度365MPa，冲击韧性12.9J/cm2，耐磨性为4.7min/mg。
实施例2：激光功率1800W，纯Nb粉的添加量为镍基合金复合粉末质量的3.0％。
(1)Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面。
(2)激光熔覆
制备涂层所用的镍基合金粉末的组成及质量分数为：0.97％C,3.24％B,5.10％Si,0.37％Ce,0.27％Mg,18.26％Cr,0.69％K,4.64％Fe,Ni余量；镍基合金粉末粒度范围为75-150μm；在镍基合金粉末中添加粒径为35-45μm的纯Nb粉和纯Ta粉，纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为镍基合金复合粉末质量的3.0％和2.0％；将混合粉末用行星球磨机进行机械混合3h，混合均匀之后在80℃的烘干箱中烘干2h。调节激光熔覆工艺参数：激光功率：1800W，扫描速度：4mm/s，光斑直径：5mm×5mm，氩气流量：15L/min。
在该工艺参数下，实现在汽车模具钢Cr12MoV基体表面制备Ni基耐磨熔覆涂层。Ni基耐磨熔覆涂层的显微硬度为804Hv，熔覆层抗拉强度超过370MPa，冲击韧性大于12.5J/cm2，耐磨性为5.2min/mg。
实施例3：激光功率1800W，纯Nb粉的添加量为镍基合金复合粉末质量的3.8％。
(1)Cr12MoV钢基体预处理
对加工好的汽车模具钢Cr12MoV钢基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面。
(2)激光熔覆
制备涂层所用的镍基合金粉末的组成及质量分数为：0.79％C,3.50％B,4.87％Si,0.43％Ce,0.23％Mg,18.71％Cr,0.62％K,3.84％Fe,Ni余量；镍基合金粉末粒度范围为75-150μm；在镍基合金粉末中添加粒径为35-45μm的纯Nb粉和纯Ta粉，纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为镍基合金复合粉末质量的3.8％和1.7％；将混合粉末用行星球磨机进行机械混合3h，混合均匀之后在80℃的烘干箱中烘干2h。调节激光熔覆工艺参数：激光功率：1800W，扫描速度：4mm/s，光斑直径：5mm×5mm，氩气流量：15L/min。
在该工艺参数下，实现在汽车模具钢Cr12MoV基体表面制备Ni基耐磨熔覆涂层。Ni基耐磨熔覆涂层的显微硬度为826Hv，熔覆层抗拉强度超过385MPa，冲击韧性大于13.4J/cm2，耐磨性为5.0min/mg。
本发明所制备的用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层，熔覆层和基体有着良好的冶金结合，涂层组织致密，均未发现裂纹、气孔、夹杂等缺陷。熔覆层的硬度较汽车模具钢Cr12MoV基体提高了2倍多，耐磨性提高了5倍以上，可以大幅度延长模具的使用寿命。
以本发明的几项实施例为启示，并通过本文的说明内容，工作人员可以在本项发明技术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 (4)

1.一种用Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，该方法是按照以下步骤进行的：
(1)基体预处理
对加工好的Cr12MoV汽车模具钢基体表面用砂纸打磨并用丙酮清洗，得到平整光洁的表面；
(2)激光熔覆
将熔覆用镍基合金复合粉末按照设计成分配比混合，将所得混合粉末用行星球磨机进行机械混合3h，混合均匀之后烘干；装入送粉器中；采用同轴送粉激光熔覆方式，在基体表面制备耐磨涂层；
镍基合金复合粉末包括镍基合金粉末、纯Nb粉和纯Ta粉；镍基合金粉末粒度范围为75-150μm；在镍基合金粉末中添加粒径为35-45μm的纯Nb粉和纯Ta粉，纯Nb粉和纯Ta粉的添加量分别为镍基合金复合粉末质量的3.0-4.5％和1.5-2.0％；
镍基合金粉末的组成及质量分数为：0.73-0.97％C,3.24-4.05％B,4.66-5.10％Si,0.37-0.58％Ce,0.18-0.27％Mg,18.26-19.04％Cr,0.53-0.69％K,<5.00％Fe,Ni余量。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)烘干在80℃的烘干箱中烘干2h。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，激光熔覆的工艺参数为：激光功率：1800W，扫描速度：4mm/s，送粉率：15g/min，光斑直径：5mm，氩气流量：15L/min。
4.按照权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的Nb元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层。
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