CN113151827A - 具有多级岛状结构耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多级岛状结构耐磨涂层及其制备方法，它是在预处理的基体表面先喷涂粉末，再利用激光熔覆重熔喷涂层，之后依次增加预涂粉末中能生成陶瓷相的粉末含量进行激光熔覆直到涂层的硬度、韧性或者延展性达到设计要求，从而形成自TiAl基体到涂层表面陶瓷强化相含量成梯度增加的、具有多级岛状结构的复合熔覆层。本发明陶瓷相由内往外是梯度增加的，确保熔覆层有高的硬度、耐磨性，同时又避免了因为成分、组织、性能突变引起的韧性降低，可以获得高耐磨高强韧的涂层，适应于工作时承受弯曲、拉伸、冲击载荷的零部件。

Description

具有多级岛状结构耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多级强化耐磨涂层材料结构及制备技术，属于金属材料表面处理领域。具体来讲就是公开了一种利用激光熔覆的方法，高效率地获得具有多级岛状结构的金属间化合物/陶瓷复合材料涂层以及方法，大幅提高表面的耐磨性，延长使用寿命。
背景技术
高铁制动盘、冶金轧辊、玻璃压花辊等关键零部件工作在复杂、严苛的磨损环境下，因为工件表面的耐磨性不合乎要求，而大大缩短了使用寿命，既带来安全隐患，也成为消耗最大的易损件。目前常用的提高表面性能的方法主要有：激光和等离子熔覆、堆焊、双金属复合熔铸或镶铸、喷涂等，皆可以在不同的金属材料基材上制备不同的涂层，提高耐磨性能。
中国专利公开号CN110066995A发明了一种激光熔覆合金粉末及进行H13模具钢的激光熔覆方法，该方法是先配制激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末；然后基体预热完成H13模具钢的激光熔覆。熔覆层形成晶界强化型网络状结构，具有低摩擦系数、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点。降低了稀释率问题，减少热应力，增加了与基体的冶金结合，解决了大面积多道搭接易开裂问题。
中国专利公开号CN106884109B，公开了一种镍基多组元激光熔覆粉末，主要有Fe，Al，TiB2，Ni粉等。以及激光熔覆该粉末的方法：将镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇混合后均匀铺覆在熔覆基体材料表面，辊压后晾干，形成预制层，通过激光熔覆即可获得熔覆层。熔覆层无裂纹，硬度较高，成本较低，提高熔合度并保证强度和塑性，适合于多种零部件修复加工。
中国专利公开号CN109750290A发明了一种TiAl基耐磨激光熔覆涂层粉末及制备方法，涂层粉末主要有TiAl中间合金粉，Si粉，HfO2粉，La2O3粉，B粉，CeO2粉。通过激光熔覆在钛合金基体上制备出高硬度高耐磨性，且基体与涂层呈冶金结合的涂层。
采用以上不同的涂层设计和制备方法，可以提高工件的耐磨性和使用寿命。但迄今为止，针对高速重载的高铁制动盘、冶金轧辊、玻璃压花辊等关键零部件，在提高耐磨性的同时又获得一定的强韧性，避免脆性疲劳裂纹等，特别是以耐热性好的TiAl等金属间化合物材料为基体，通过多级结构设计制备，协同提高表面耐磨性和强韧性，还尚未见到国内外报道。
中国专利公开号CN1056200364A公开了一种生成陶瓷涂层的方法，在金属表面采用等离子喷涂后，采用纳米材料技术和激光熔覆技术，使陶瓷涂层的性能得到充分发挥，但是没有在涂层和基体之间形成梯度有效的成分和性能梯度结构，因而在用于一些动力部件表面强化时受到局限。
发明内容
本发明为解决现有耐磨涂层韧性不足导致脆性的技术问题，提供了一种TiAl基多级岛状结构的耐磨涂层以及制备方法。本发明的制备方法可有效提高表面硬度和耐磨性、降低脆性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种TiAl基岛状结构耐磨涂层，其特征在于，它是在预处理的基体表面先喷涂粉末，再利用激光熔覆重熔喷涂层，之后依次增加预涂粉末中能生成陶瓷相的粉末含量进行激光熔覆直到涂层的硬度、韧性或者延展性达到设计要求，从而形成自TiAl基体到涂层表面陶瓷强化相含量成梯度增加的、具有多级岛状结构的复合熔覆层。
所述的喷涂粉和激光熔融粉主要有Ti、Al、Cr、Zr、Co、W、Mo、Nb等金属粉末以及TiC和石墨粉，金属粉体、石墨粉等粒度为45-75μm，TiC粉体粒度为10-20um。其中的Ti、Al为基础粉，其余是形成强化相和起强化作用的合金元素粉末，其中Ti、Al和TiC是必选粉末。
进一步，喷涂粉和激光熔融粉Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W、石墨，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)。
本发明制备TiAl基多级岛状强化结构的耐磨涂层的方法为：
第一步：粉体准备
按照要求准备粉末，喷涂粉和激光熔融粉均选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W、石墨，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)，上述粉末中Ti、Al和TiC是必选粉；
第二步：工件表面预处理
预处理包括酸浸泡、水冲洗、碱水浸泡、温水清洗、干燥和喷砂粗化处理工序；
第三步：粉末喷涂
在预处理的工件表面利用等离子预喷涂合金粉获得厚度为1mm～3mm的合金层，等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为50-100mm，送粉率为30～50g/min；合金层平均硬度为330～440HV0.3；
第四步：激光重熔
对预喷涂合金粉的工件进行激光熔覆(不加粉)，激光熔覆工艺参数为：熔覆功率1000W-2000W、熔覆速率8-10mm/s。获得TiAl基体+TiAl、Mo3Al8、Ti2AlC、(Ti,Nb)2AlC、TiC、(Ti,Nb)C、Cr7C3或Cr2AlC等陶瓷相，根据原位反应形成的陶瓷相呈岛状分布在TiAl基体上；
第五步：激光熔覆
根据需要调整粉末比例和种类进行第一次激光熔覆，粉末还是选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W、石墨粉，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)；与第一步的喷涂粉相比，提高生成陶瓷相的粉质量，相应降低激光熔覆速率20-25％，激光熔覆工艺参数为：熔覆功率1000W-2000W、熔覆速率6-8mm/s。
当涂层硬度或厚度达不到设计要求时，再次调整激光熔覆粉比例和种类进行第二次激光熔覆，粉末还是选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W、石墨粉，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)；与第一次激光熔覆粉相比，提高生成陶瓷相的粉质量，激光熔覆工艺参数和第一次激光熔覆一样；
如此反复，逐步提高生成陶瓷相的粉末质量，直到涂层厚度或硬度达到预先要求，从而获得具有岛状形态的陶瓷相均匀分布在TiAl基体上的结构形态，岛状陶瓷相的尺寸、数量从基体到表层沿厚度方向逐渐增大、增多，提高涂层材料的耐磨性、强韧性、抗冲击性能。涂层总厚度可达2.5～5mm。涂层摩擦系数0.35-0.5，涂层硬度600-1000HV0.1，耐磨性比TC4板材提高2-5倍，涂层具有耐磨、减摩性能。
本发明的有益效果：
1、由于本发明采用了激光熔覆的方法，首先在预处理工件表面等离子喷涂合金层，之后再进行激光重熔和激光熔覆，经过激光熔覆形成的涂层主要物相有：TiAl、Ti2AlC、(Ti,Nb)2AlC、TiC、(Ti,Nb)C等金属间化合物和陶瓷。Ti2AlC、(Ti,Nb)2AlC、TiC、(Ti,Nb)C等呈岛状分布在TiAl基体上，一是在磨损过程中，起到承担载荷，降低磨损量的作用，二是岛状形态避免规则强化相引起的应力集中，三是与TiAl基体之间的界面结合强度高、物相匹配度高；四是岛状陶瓷相的尺寸、数量沿厚度方向逐渐增大、增多，硬度和强度沿着深度呈现梯度分布，提高熔覆层的强韧性，降低涂层残余应力，极大地提高涂层的硬度和耐磨性能。
2、本发明的制备方法与传统的激光熔覆相比，涂层厚度、表面硬度、耐磨性、涂层结合力等，调整范围大。辊等关键零部件表面强化，可以提高耐磨性2～5倍，在兼有腐蚀的工况下，也可以提高耐蚀性。
3、本发明采用了激光熔覆的方法，可以高效率地获得具TiAl基多级强化的耐磨涂层材料，其中Ti2AlC具有层状结构，可以有效的降低摩擦系数，提高减摩性能，而且Ti2AlC具有和TiAl金属间化合物相近的弹性模量，有效缓解界面的应力。Ti2AlC与TiC也有着相近的物理性能，而熔覆涂层中的TiC被Ti2AlC包裹避免了TiC与TiAl金属间化合物的直接接触。这样的具有梯度的强化可以有效缓解强化相与基体界面处应力，降低界面开裂倾向。
4、本发明陶瓷相由内往外是梯度增加的，确保熔覆层有高的硬度、耐磨性，同时又避免了因为成分、组织、性能突变引起的韧性降低，可以获得高耐磨高强韧的涂层。适应于工作时承受弯曲、拉伸、冲击载荷的零部件，例如：高铁制动盘、冶金轧辊、玻璃压花辊等关键零部件，受的更多的力是挤压力，对材料的耐磨性、韧性要求高，本发明方法制备的材料刚好适合这些场合用。所以说本发明制备方法具有意想不到的积极效果，符合专利法第23条第3款规定的创造性。
附图说明
图1和图2分别是本发明TiAl基多级强化耐磨涂层放大不同倍数的剖面微观组织结构图；
图3是本发明涂层的物相组成图，图中分别示出当以TiC粉作为陶瓷强化相和Mo、Nb作为强化元素时，激光熔覆粉体中添加的TiC+Nb+Mo的摩尔比之和分别为6、8、10时的实施例物相组成图。
具体实施的方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
下面结合实施例说明制备本发明复合结构的方法。
实施例一：
步骤1：粉体准备
将Al粉、Ti粉、TiC粉、Mo粉四种粉末，混合成原始粉末，粉末的配比为：Al：Ti：TiC：Mo＝9：9：2：2(摩尔比)；
步骤2:基体表面预处理
首先是将工件浸泡在酸液中，视工件污垢程度决定浸泡时间，酸浸之后用水冲洗。再用碱水浸泡以中和残酸最后再用温水彻底清洗吹干。再采用常规的喷砂粗化方法，对工件表面粗化处理。
步骤3：等离子喷涂和激光重熔
将混合好的步骤1的粉末放入烘箱在50℃下干燥2小时后，进行等离子喷涂，工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为100mm，送粉率为50g/min，厚度为1.0mm；将喷涂好的工件放在工作台上准备进行激光重熔。工艺参数为：熔覆功率:1200W、熔覆速率:8mm/s，平均显微硬度为480HV0.2。
步骤4：激光熔覆
调整粉末种类和比例进行激光熔覆，提高粉末中生成陶瓷相的粉质量，熔覆粉末采用预涂法，粉末种类以及配比为：Al：Ti：TiC：Mo：Nb：石墨粉：Cr＝9：9：2：2：2:1:1(摩尔比).激光熔覆工艺参数为：熔覆功率2000W、熔覆速率6mm/s，厚度为1.0mm。获得TiAl基体+Ti3Al、(Ti,Nb)C、(Ti,Nb)2AlC等陶瓷相，原位反应形成的陶瓷相呈岛状分布在TiAl基体上。
涂层总厚度可达2.0mm。涂层摩擦系数0.35，涂层硬度600HV0.1，耐磨性比TC4板材提高2倍，涂层具有耐磨、减摩性能。
实施例二：
步骤1：粉体准备
将Al粉、Ti粉、TiC粉、Nb粉四种粉末，混合成原始粉末，粉末的配比为：Al：Ti：TiC：Nb＝9：9：2：2(摩尔比)，即以Nb取代了实施例一中的Mo，配比不变；
步骤2:基体表面预处理
首先是将工件浸泡在酸液中，视工件污垢程度决定浸泡时间，酸浸之后用水冲洗。再用碱水浸泡以中和残酸最后再用温水彻底清洗吹干。再采用常规的喷砂粗化方法，对工件表面粗化处理。
步骤3：等离子喷涂和激光重熔
将混合好的步骤1的粉末放入烘箱在50℃下干燥2小时后，进行等离子喷涂，等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为80mm，送粉率为35g/min，厚度为1.5mm；熔覆功率:1000W、熔覆速率:8mm/s，得到的涂层平均显微硬度为520HV0.2。
步骤4：激光熔覆
调整粉末种类和比例进行激光熔覆，提高粉末中生成陶瓷相的粉质量，熔覆粉末采用预涂法，粉末种类及配比为：Al：Ti：TiC：Nb：Mo：石墨粉：Cr＝9：9：2：3：3:1:1(摩尔比).激光熔覆工艺参数为：熔覆功率2000W、熔覆速率6mm/s，厚度为1.5mm。获得TiAl基体+Ti3Al、Ti2AlC、(Ti,Nb)2AlC、TiC、(Ti,Nb)C等陶瓷相，原位反应形成的陶瓷相呈岛状分布在TiAl基体上。
涂层总厚度可达3mm。涂层摩擦系数0.4，涂层硬度800HV0.1，耐磨性比TC4板材提高3倍，涂层具有耐磨、减摩性能。
实施例三：
步骤1：粉体准备
将Al粉、Ti粉、TiC粉、Cr粉四种粉末，混合成原始粉末，粉末的配比为：Al：Ti：TiC：Cr＝9：9：2：2(摩尔比)，即以Cr取代了实施例一中的Mo，配比不变；
步骤2:基体表面预处理
首先是将工件浸泡在酸液中，视工件污垢程度决定浸泡时间，酸浸之后用水冲洗。再用碱水浸泡以中和残酸最后再用温水彻底清洗吹干。再采用常规的喷砂粗化方法，对工件表面粗化处理。
步骤3：等离子喷涂和激光重熔
等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为55mm，送粉率为45g/min，厚度为2mm；熔覆功率:1500W、熔覆速率:8mm/s，得到的涂层平均显微硬度为450HV0.2。
步骤4：激光熔覆
调整粉末种类和比例进行激光熔覆，提高粉末中生成陶瓷相的粉质量，熔覆粉末采用预涂法，预涂粉末的配比为：Al：Ti：TiC：Nb：Mo：石墨粉：Cr＝9：9：2：4：4:1:1(摩尔比).激光熔覆工艺参数为：熔覆功率2000W、熔覆速率6mm/s，厚度为2.0mm。获得TiAl基体+Ti3Al、Ti2AlC、(Ti,Nb)2AlC、TiC、(Ti,Nb)C等陶瓷相，原位反应形成的陶瓷相呈岛状分布在TiAl基体上。
涂层总厚度可达4mm。涂层摩擦系数0.4，涂层硬度800HV0.1，耐磨性比TC4板材提高5倍，涂层具有良好的耐磨性能。
图1和图2分别是本发明TiAl基多级强化耐磨涂层放大不同倍数的剖面微观组织结构图，从图1看出在TiAl基体中分布着多级岛状结构的陶瓷相，从图2看出从基体到表层岛状陶瓷相呈现梯度分布。
图3衍射图中示出当以TiC粉作为陶瓷强化相和Mo、Nb作为强化元素，TiC+Nb+Mo的摩尔比之和分别为6、8、10时，均可以获得TiAl基体+Ti3Al、(Ti,Nb)2AlC、(Ti,Nb)C等陶瓷相，粉末中的Mo元素固溶到钛铝基体中，起了一定的固溶强化作用。
以上，仅为本发明的三个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，三个实施例在步骤四激光熔覆时均只进行一次，但是并不代表只有一次，实际中如果硬度或厚度达不到要求，就需要提高生成陶瓷相的粉末含量再次铺粉激光熔覆，所以本发明的保护范围以权利要求书记载的为准。

Claims (4)

1.一种具有多级岛状结构耐磨涂层，其特征在于，它是在预处理的基体表面先喷涂粉末，再利用激光熔覆重熔喷涂层，之后依次增加能生成陶瓷相的粉末含量进行一次或多次激光熔覆直到涂层的硬度、韧性或者延展性达到设计要求，从而形成自TiAl基体到涂层表面陶瓷强化相含量成梯度增加的、具有多级岛状结构的复合熔覆层。
所述的喷涂粉和激光熔融粉均包括基础粉Ti和Al、形成强化相的TiC和石墨粉，以及起强化作用的合金元素粉末Cr、Zr、Co、W、Mo、Nb，其中Ti、Al和TiC是必选粉末。
2.如权利要求1所述的具有多级岛状结构耐磨涂层，其特征在于，所述的喷涂粉和激光熔融粉Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W和石墨，配比范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)。
3.一种具有多级岛状结构耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：粉体准备
按照要求准备粉末，喷涂粉和激光熔融粉均选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W和石墨，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)，上述粉末中Ti、Al和TiC是必选粉末；
第二步：工件表面预处理
预处理包括酸浸泡、水冲洗、碱水浸泡、温水清洗、干燥和喷砂粗化处理工序；
第三步：粉末喷涂
在预处理的工件表面利用等离子预喷涂合金粉获得厚度为1mm～3mm的合金层，等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为50-100mm，送粉率为30～50g/min；合金层平均硬度为330～440HV0.3；
第四步：激光重熔
对预喷涂合金粉的工件进行不加粉激光重覆，激光熔覆工艺参数为：熔覆功率1000W-2000W、熔覆速率8-10mm/s；
第五步：激光熔覆
调整粉末比例和种类进行第一次激光熔覆，激光熔覆粉还是选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W和石墨，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)；与第一步的喷涂粉相比，提高生成陶瓷相的粉末质量，相应降低激光熔覆速率20-25％，激光熔覆工艺参数为：熔覆功率1000W-2000W、熔覆速率6-8mm/s；
当涂层硬度或厚度达不到设计要求时，再次调整激光熔覆粉比例和种类进行第二次激光熔覆，粉末还是选自Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W、石墨，配比的范围按照摩尔比分别为：9：9：(1～2)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：(1～4)：1：1(摩尔比)；与第一次激光熔覆粉相比，提高生成陶瓷相的粉质量，激光熔覆工艺参数和第一次激光熔覆一样；
如此反复，逐步提高生成陶瓷相的粉质量，直到涂层厚度或硬度达到预先要求，从而获得具有岛状形态的陶瓷相均匀分布在TiAl基体上的结构形态，岛状陶瓷相的尺寸、数量从基体到表层沿厚度方向逐渐增大和增多。
4.如权利要求3所述的具有多级岛状结构耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的Ti、Al、TiC、Nb、Cr、Mo、Zr、Co、W和石墨粉粒度为45-75μm，所述的TiC粉粒度为10-20um。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113652685A (zh) * 2021-07-30 2021-11-16 山东莱钢永锋钢铁有限公司 一种轧辊表面强化工艺
CN114032542A (zh) * 2021-11-02 2022-02-11 贵州大学 一种利用激光技术两步法制备max相涂层的方法
CN114632948A (zh) * 2022-03-21 2022-06-17 中国海洋大学 一种等离子与激光复合的增材制造方法
CN115595577A (zh) * 2022-11-03 2023-01-13 河海大学（Cn） 一种过流部件抗空蚀阻尼复合金属材料结构及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020031603A1 (en) * 2000-07-14 2002-03-14 Jsr Corporation Coating method by intermetallic compound
CN104480460A (zh) * 2014-11-24 2015-04-01 北京航空航天大学 一种钛合金表面激光熔覆原位自生制备耐磨自润滑涂层
CN105385922A (zh) * 2015-11-30 2016-03-09 重庆理工大学 一种含陶瓷相的多主元合金及其用于对钛合金表面处理的方法
CN109321861A (zh) * 2018-11-20 2019-02-12 山东科技大学 一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法
CN112144007A (zh) * 2020-09-14 2020-12-29 昆明理工大学 一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020031603A1 (en) * 2000-07-14 2002-03-14 Jsr Corporation Coating method by intermetallic compound
CN104480460A (zh) * 2014-11-24 2015-04-01 北京航空航天大学 一种钛合金表面激光熔覆原位自生制备耐磨自润滑涂层
CN105385922A (zh) * 2015-11-30 2016-03-09 重庆理工大学 一种含陶瓷相的多主元合金及其用于对钛合金表面处理的方法
CN109321861A (zh) * 2018-11-20 2019-02-12 山东科技大学 一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法
CN112144007A (zh) * 2020-09-14 2020-12-29 昆明理工大学 一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113652685A (zh) * 2021-07-30 2021-11-16 山东莱钢永锋钢铁有限公司 一种轧辊表面强化工艺
CN114032542A (zh) * 2021-11-02 2022-02-11 贵州大学 一种利用激光技术两步法制备max相涂层的方法
CN114632948A (zh) * 2022-03-21 2022-06-17 中国海洋大学 一种等离子与激光复合的增材制造方法
CN115595577A (zh) * 2022-11-03 2023-01-13 河海大学（Cn） 一种过流部件抗空蚀阻尼复合金属材料结构及其制备方法

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