CN112705845B

CN112705845B - 一种耐磨涂层及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112705845B
Application number: CN202011499802.3A
Authority: CN
Inventors: 阮野; 苏金龙; 邢飞; 邱小明; 丁家伟; 卢裕臻; 罗萃
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112705845A

Abstract

本发明涉及材料领域，具体公开了一种耐磨涂层及其制备方法和应用，所述耐磨涂层通过利用脉冲激光焊接熔化薄片焊材，并快速凝固在基体材料的待覆盖部位形成耐磨涂层，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用，耐磨涂层与基体材料结合强度高，相互间具有较好的兼容性和结合性，涂层强度和耐磨性高；脉冲激光束热输入量相对较低，模具受焊接热输入热影响范围窄，对基体材料的性能影响小。而且，所需焊材制作方便，在脉冲激光焊接中易于添加于所焊部位，操作简单；焊材成分与含量易于精准控制，元素分布均匀，偏析度小，解决了现有的工程材料存在不适用于钨基粉末合金模具修复的问题，具有广阔的市场前景。

Description

一种耐磨涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料领域，具体是一种耐磨涂层及其制备方法和应用。

背景技术

钨基粉末合金是制造汽车零部件压铸模具的重要材料，它是以钨为基体，添加铁、铜等其他金属元素所组成的合金材料。随着汽车工业的发展和发动机制造技术的进步，发动机正向高功率密度轻量化方向发展。发动机缸盖是发动机燃烧室的重要组成部分，承受很大的热负荷和机械负荷。随着涡轮增压技术在发动机中的广泛应用，发动机功率密度由目前的45-50kW/L升至60-75kW/L，燃烧室压强升至18-20MPa，进出气口鼻梁温度接近300℃，工作中产生的最高爆发压力和平均温度大幅度提高。而发动机功率密度越高，缸盖所承受的热负荷和机械负荷越大，这对发动机铝合金缸盖性能提出了更高的要求。目前，使用钨基粉末合金(压铸)模具可有效的细化铝合金的晶粒度，缩短二次枝晶间距，提高发动机铝合金缸盖性能。

但是，钨基粉末合金模具工作时承受高温和高压液体金属的冲刷，长期使用将造成模具的磨损。磨损的模具导致缸盖体积变大，影响发动机的稳定性能。为了解决以上问题，需要利用表面工程技术对钨基粉末合金模具工作面的磨损部位进行表面修复。

目前，工程材料常用的表面工程技术有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂、堆焊以及近年来开发的多种增材制造技术和合金***等。但是，钨基粉末合金由于其特殊的物理化学性能，导热性极强，线膨胀系数小；钨的熔点高，与多数金属并不形成合金，即使形成合金也多为金属间化合物。因此，现有常用的表面工程技术的工程材料在用于修复钨基粉末合金压铸模具(即钨合金压铸模具，是指以钨合金为原料制作的模具，主要用于有色金属零件的压铸成型)工作面的磨损部位时，存在以下不足：主要问题是异质修复材料和基体材料的化学成分和性能存在较大差异，材料相互间的兼容性和结合性较差，修复的钨基粉末合金压铸模具在铸件生产过程中，表面修复层受到金属液的高压、高温和高速冲刷，同时，存在着吸收融熔金属凝固过程中放出的热量，型腔表面修复层首先达到较高温度而膨胀；开模后，型腔表面修复层与空气接触激冷收缩而产生拉应力，这种交变应力反复循环，在修复层和基体材料界面结合处极易产生裂纹，随着生产次数的增加，最终导致修复层的开裂和剥落。因此，开发先进和稳定的适用于钨基粉末合金模具修复的高温耐磨涂层及其制备技术成为企业急需解决的难题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种耐磨涂层，以解决上述背景技术中提出的现有的工程材料存在不适用于钨基粉末合金模具修复的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种耐磨涂层，其是将焊材进行脉冲激光焊接以熔化在待覆盖部位，并快速凝固形成耐磨涂层；其中，所述焊材是由以下按照质量百分比(wt％)计的金属元素组成：钴(Co)6-14wt％，钼(Mo)6-14wt％，钨(W)6-14wt％，其余为镍(Ni)。

作为本发明进一步的方案：所述焊材是由以下按照质量百分比(wt％)计的金属元素组成：钴(Co)8-12wt％，钼(Mo)8-12wt％，钨(W)8-12wt％，其余为镍(Ni)。

本发明实施例的另一目的在于提供一种耐磨涂层的制备方法，所述的耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

将焊材进行点固焊在待覆盖部位(可以是修复工件的修复部位)，然后进行脉冲激光焊接以将焊材熔化在待覆盖部位，并快速凝固形成耐磨涂层。

作为本发明再进一步的方案：在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述点固焊的焊接电流是20-25A。

作为本发明再进一步的方案：在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述脉冲激光焊接的焊接电流120-180A，脉宽8-11.5ms，频率6-8Hz，焊接速度100-200cm/min，氩气流量10-15L/min，焊缝重叠率50-55％左右。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述的耐磨涂层的制备方法制备得到的耐磨涂层。

本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的耐磨涂层在在钨合金压铸模具(钨基粉末合金压铸模具)修复中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的耐磨涂层是通过利用脉冲激光焊接熔化薄片焊材，并快速凝固在基体材料的待覆盖部位形成耐磨涂层，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用，耐磨涂层与基体材料(母材)结合强度高，相互间具有较好的兼容性和结合性，涂层强度和耐磨性高；脉冲激光束热输入量相对较低，模具受焊接热输入热影响范围窄，对基体材料的性能影响小。而且，所需焊材制作方便，在脉冲激光焊接中易于添加于所焊部位，操作简单；焊材成分与含量易于精准控制，元素分布均匀，偏析度小，解决了现有的工程材料存在不适用于钨基粉末合金模具修复的问题，具有广阔的市场前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供的一种耐磨涂层，具体是一种镍钴钼钨合金系高温耐磨涂层，其是将焊材(具体形状可以根据需要进行选择，这里并不作限定，例如，可以是薄片焊材，也可以是柱状焊材，还可以是块状焊材，当然，这里优选是薄片焊材)进行脉冲激光焊接以熔化在待覆盖部位，并快速凝固形成耐磨涂层；其中，所述焊材是由以下按照质量百分比(wt％)计的金属元素组成：钴(Co)6-14wt％，钼(Mo)6-14wt％，钨(W)6-14wt％，其余为镍(Ni)。

作为本发明的另一优选实施例，所述焊材是由以下按照质量百分比(wt％)计的金属元素组成：钴(Co)8-12wt％，钼(Mo)8-12wt％，钨(W)8-12wt％，其余为镍(Ni)。

本发明实施例通过利用脉冲激光焊接熔化薄片焊材，并快速凝固在待覆盖部位(例如钨合金压铸模具待修复表面)形成耐磨涂层，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用；而且，由于薄片焊材是由镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)组成，形成的耐磨涂层(合金)由两部分组成，一部分是形成奥氏体基体的主要合金——镍(Ni)，镍(Ni)是钨基粉末合金中粘结相所含元素，同时也是耐磨涂层组织中γ-奥氏体基体的主要形成元素，镍基奥氏体与钨基粉末合金母材相互间具有较好的兼容性和结合性；另一部分是提高涂层强度和耐磨性的钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金，从而可以使所述耐磨涂层适用于钨基粉末合金模具修复。

作为本发明的另一优选实施例，所述焊材的制备方法是按照金属元素组成比例将镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)金属粉末进行压片，然后进行固相烧结，冷却，得到所述焊材。

优选的，镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)金属粉末均是颗粒大小为10μm，纯度为99.99％。

作为本发明的另一优选实施例，所述固相烧结的烧结温度是1000-1200℃，保温时间是120-180min，随炉冷却。

作为本发明的另一优选实施例，所述固相烧结的降温速率是5-20℃/min(优选10℃/min)。

作为本发明的另一优选实施例，所述固相烧结采用真空钎焊炉，烧结温度是1100℃，保温时间是120-180min，随炉冷却。

作为本发明的另一优选实施例，所述压片是将混和均匀后的镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金粉末注入粉末压片模具中，然后利用压片机压制成使用大小的薄片。

本发明实施例还提供一种上述耐磨涂层的制备方法，所述的耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

需要说明的是，本发明是利用电阻+脉冲激光复合焊点固并熔化薄片焊材，快速凝固形成表面耐磨涂层，属于焊接和连接技术领域。本发明的核心技术是耐磨涂层组成。本发明所述的耐磨涂层是采用颗粒大小为10μm，纯度为99.99％的镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)金属按一定成分配比组成均匀混合后制备成薄片焊材。

作为本发明的另一优选实施例，在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述点固焊的焊接电流是20-25A。

作为本发明的另一优选实施例，在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述脉冲激光焊接的焊接电流120-180A，脉宽8-11.5ms，频率6-8Hz，焊接速度100-200cm/min，氩气流量10-15L/min，焊缝重叠率50-55％左右。

作为本发明的另一优选实施例，在所述的耐磨涂层的制备方法中，还包括对待覆盖部位进行失效部位处理的步骤，具体是进行机械处理(即用机械方法对工件的表面处理，是工业上常用的方法，主要有机械打磨和机械喷砂两种)并采用有机溶剂进行清洗。

作为本发明的另一优选实施例，当待覆盖部位是钨基粉末合金压铸模具工作面需要修复的部位时，所述失效部位处理是将钨基粉末合金压铸模具工作面需要修复的部位表面采用机械方法进行处理，处理后采用有机溶剂溶液将修复面清洗干净。

本发明实施例还提供一种采用上述的耐磨涂层的制备方法制备得到的耐磨涂层。

本发明实施例还提供一种所述的耐磨涂层在钨合金压铸模具(钨基粉末合金压铸模具)修复中的应用。

本发明实施例还提供一种所述的耐磨涂层的制备方法在钨基粉末合金材料连接(例如焊接)与修复中的应用。

以下通过列举具体实施例对本发明的耐磨涂层的技术效果做进一步的说明。

实施例1

一种耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步，混粉：

将粒度为10μm的镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)粉末(按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)8wt％，钼(Mo)8wt％，钨(W)8wt％，其余为镍(Ni))倒入球磨罐中，放入粉末球磨机中均匀混料360min，得到混和均匀后的镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金粉末。

第二步，压制粉末薄片：

称取混和均匀后的镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金粉末1.6-2.0g注入粉末压片模具(规格：30×20)中。将粉末压片模具放置于压片机压头下加压，均匀加载压力至30T，保压时间2-3min，得到压制粉末薄片。

第三步，烧结粉末薄片：

将0.37-0.45mm厚的压制粉末薄片放入真空炉中，然后抽真空，当炉内真空度达到2×10^-3-2×10^-4时，进行固相烧结，具体是将真空炉进行逐级升温，升温速率为5℃/min，加热至1100℃，停止加热进行保温，保温时间120min，然后以10℃/min进行降温，随炉冷却，得到薄片焊材。

第四步，失效部位处理：

钨基粉末合金模具工作面需要修复的部位表面采用机械方法进行处理，处理后采用丙酮溶液将修复面清洗干净。

第五步，焊接：

使用高能精密冷焊机(锐巨公司的型号JH-2000高能精密冷焊机)的电阻焊将薄片焊材点固焊在钨基粉末合金模具工作面需要修复的部位，焊接电流20-25A；再利用脉冲激光器进行脉冲激光焊接，电流120-180A，脉宽8-11.5ms，频率6-8Hz，焊接速度100-200cm/min，氩气流量10-15L/min，焊缝重叠率50-55％左右，形成耐磨涂层。

实施例2

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)8wt％，钨(W)10wt％，钼(Mo)10wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例3

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)8wt％，钨(W)12wt％，钼(Mo)12wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例4

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)10wt％，钨(W)8wt％，钼(Mo)10wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例5

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)10wt％，钨(W)10wt％，钼(Mo)12wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例6

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)10wt％，钨(W)12wt％，钼(Mo)8wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例7

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)12wt％，钨(W)8wt％，钼(Mo)12wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例8

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)12wt％，钨(W)10wt％，钼(Mo)8wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例9

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)12wt％，钨(W)12wt％，钼(Mo)10wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例10

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)6wt％，钨(W)6wt％，钼(Mo)6wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例11

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)14wt％，钨(W)14wt％，钼(Mo)14wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例12

与实施例1相比，除了按照质量百分比(wt％)计，钴(Co)6wt％，钨(W)14wt％，钼(Mo)14wt％，其余为镍(Ni)外，其他与实施例1相同。

实施例13

与实施例1相比，除了固相烧结的烧结温度是1000℃，保温时间是180min外，其他与实施例1相同。

实施例14

与实施例1相比，除了固相烧结的烧结温度是1200℃，保温时间是120min外，其他与实施例1相同。

实施例15

与实施例1相比，除了点固焊的焊接电流是20A，脉冲激光焊接的焊接电流120A，脉宽8ms，频率6Hz，焊接速度100cm/min，氩气流量10L/min，焊缝重叠率50％左右外，其他与实施例1相同。

实施例16

与实施例1相比，除了点固焊的焊接电流是25A，脉冲激光焊接的焊接电流180A，脉宽11.5ms，频率8Hz，焊接速度200cm/min，氩气流量15L/min，焊缝重叠率55％左右外，其他与实施例1相同。

实施例17

与实施例1相比，除了点固焊的焊接电流是22A，脉冲激光焊接的焊接电流140A，脉宽9ms，频率7Hz，焊接速度150cm/min，氩气流量12L/min，焊缝重叠率52％左右外，其他与实施例1相同。

实施例18

与实施例1相比，除了点固焊的焊接电流是24A，脉冲激光焊接的焊接电流160A，脉宽11ms，频率8Hz，焊接速度180cm/min，氩气流量14L/min，焊缝重叠率54％左右外，其他与实施例1相同。

性能检测

将采用实施例1-9中的方法制备的耐磨涂层进行性能检测，具体是，按照上述工艺步骤和成分进行修复钨基粉末合金压铸模具工作面磨损部位，所达到的技术指标如下：(1)修复后的耐磨涂层合金导热性是钨基粉末合金基体材料的1.2-1.5倍。(2)修复后的耐磨涂层合金高温耐磨性是钨基粉末合金基体材料的0.90-0.95％。上述实施例均采用采用脉冲激光器，按上述工艺步骤进行焊接，得到的耐磨涂层合金成分及其性能结果见下表1所示。

表1耐磨涂层合金成分及其性能

从表1数据可以看出，相对于钨基粉末合金基体材料，导热性与耐磨性好。本发明实施例得到的耐磨涂层应用了电阻+脉冲激光复合焊工艺，通过熔化薄片焊材，并快速凝固在模具修复表面形成耐磨涂层。其核心技术是：耐磨涂层组成。本发明所述的耐磨涂层由两部分组成，一部分是形成奥氏体基体的主要合金——镍(Ni)，镍(Ni)是钨基粉末合金中粘结相所含元素，同时也是耐磨涂层组织中γ-奥氏体基体的主要形成元素，镍基奥氏体与钨基粉末合金母材相互间具有较好的兼容性和结合性；另一部分是提高涂层强度和耐磨性的钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金。

本发明有益效果如下，本发明应用了电阻+脉冲激光复合焊工艺，在需要修复部位形成一层高温耐磨涂层，高温的激光束能够熔化钨基粉末合金，发生冶金反应，涂层与母材结合强度高；脉冲激光束热输入量相对较低，模具受焊接热输入热影响范围窄，对基体材料的性能影响小。而且，所需焊材制作方便，在脉冲激光焊接中易于添加于所焊部位，操作简单；焊材成分与含量易于精准控制，元素分布均匀，偏析度小。

需要说明的是，本发明提供的耐磨涂层包含有镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)，其中镍(Ni)是钨基粉末合金中粘结相所含元素，同时也是耐磨涂层组织中γ-奥氏体基体的主要形成元素，镍基奥氏体与钨基粉末合金母材相互间具有较好的兼容性和结合性；钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)合金在熔池凝固过程中溶于奥氏体基体中，具有固溶加化的效果，同时过量的钴(Co)、钼(Mo)和钨(W)在熔池冷却过程中在γ-奥氏体基体上均匀析出具有L1₂结构的γ′相，γ/γ′组织的高温强化机制可以提高耐磨涂层的高温强度；继续冷却还可以析出形成Co₃Mo和Co₃W金属间化合物，金属间化合物较硬，可以提高涂层的耐磨性。

需要进一步说明的是，钨基粉末合金导热性极强，熔化焊接时容易造成不熔合现象，焊接要求采用能量密度高、焊接热输入量大、焊接速度快的高效焊接技术与工艺。钨基粉末合金线膨胀系数小，接头中会产生残余应力，降低接头的力学性能和抗热震性能。钨基粉末合金高温下化学活性强，300℃时表面失去光泽，500℃时表面氧化严重，焊接过程中接头极易氧化、氮化、吸氢，焊缝金属晶粒粗大，焊接时要求采取保护措施。一些研究人员探索采用钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接、激光焊接或钎焊、摩擦焊、扩散焊和真空钎焊等工艺焊接钨基粉末合金材料。钨极惰性气体保护焊(TIG)和熔化极惰性气体保护焊(MIG)的功率密度较低，焊接过程中热输入量较大，焊接后热影响区宽，焊缝晶粒粗大，导致接头性能变差。钎焊局部热量高度集中只适于小型部件。摩擦焊和扩散焊受到设备、工艺和接头形式的限制只能焊接小型部件和结构简单部件。真空钎焊对钎焊面要求较高，接头形式受限，施加钎料不方便，加热时间长，效率低。目前，工程材料常用的表面工程技术有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂、堆焊以及近年来开发的多种增材制造技术和合金***等。但是以上技术方案都是存在以下问题：修复层和基体材料相互间的兼容性和结合性较差，表面修复层易受到金属液的高压、高温和高速冲刷，在修复层和基体材料界面结合处极易产生裂纹，随着生产次数的增加，最终导致修复层的开裂和剥落。本发明通过提供一种耐磨涂层及其制备方法，应用于钨基合金粉末合金压铸模具的修复，针对钨基粉末合金压铸模具工作面的磨损部位，利用电阻+脉冲激光复合焊点固并熔化薄片焊材，并快速凝固在模具修复表面形成耐磨涂层，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用，具有广阔的市场前景。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨涂层是将焊材进行脉冲激光焊接以熔化在待覆盖部位，然后凝固形成耐磨涂层；其中，所述焊材是由以下按照质量百分比计的金属元素组成：钴6-14wt%，钼6-14wt%，钨6-14wt%，其余为镍，焊材的制备方法是按照金属元素组成比例将镍、钴、钼和钨金属粉末进行压片，镍、钴、钼和钨的颗粒大小为10μm，纯度为99.99％，压片是将混和均匀后的镍、钴、钼和钨合金粉末注入粉末压片模具中，然后利用压片机压制成使用大小的薄片，然后进行固相烧结，固相烧结的烧结温度是1000-1200℃，保温时间是120-180min，冷却，得到所述焊材，所述耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

将焊材进行点固焊在待覆盖部位，再进行脉冲激光焊接以将焊材熔化在待覆盖部位，然后凝固形成耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，所述焊材是由以下按照质量百分比计的金属元素组成：钴8-12wt%，钼8-12wt%，钨8-12wt%，其余为镍。

3.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述点固焊的焊接电流是20-25A。

4.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，在所述的耐磨涂层的制备方法中，所述脉冲激光焊接的焊接电流是120-180A，脉宽是8-11.5ms，频率是6-8Hz，焊接速度是100-200cm/min。

5.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，在所述的耐磨涂层的制备方法中，还包括对待覆盖部位进行失效部位处理的步骤，具体是对待覆盖部位进行机械处理并进行清洗。

6.一种如权利要求1或2或3或4或5所述的耐磨涂层在钨合金压铸模具修复中的应用。