專利名稱：一種WC-Fe-Y₂O₃(Sc₂O₃)納米熔覆合金以及可抑制機(jī)械激活過(guò)程中的η相的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面納米熔覆合金，具體地說(shuō)，是一種WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金以及可抑制混合粉末機(jī)械激活過(guò)程中的n相的制備方法，可用于厚板鋼及因瓦合金表面的激光修復(fù)。
背景技術(shù)：
厚板鋼材和因瓦合金是制造船體、閥門(mén)等結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，在服役過(guò)程中發(fā)生疲勞、磨損等破壞，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。另一方面，在船體、閥門(mén)的制造過(guò)程中，激光熔覆制造技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟，可以在鋼或者因瓦合金表面制備出一層具有耐高溫、耐磨損和耐腐蝕的結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品既具有鋼或因瓦合金的耐蝕、易成形的性能，同時(shí)具有熔覆層所具備的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕的性能。在造船工業(yè)和油氣運(yùn)輸行業(yè)，不銹鋼、因瓦合金、硬質(zhì)合金是生產(chǎn)關(guān)鍵零部件的重要材料。關(guān)鍵零部件的修復(fù)和再制造都是延長(zhǎng)產(chǎn)品服役壽命、 節(jié)能降耗的關(guān)鍵問(wèn)題。而將激光熔覆技術(shù)用于高端產(chǎn)品制造的關(guān)鍵問(wèn)題之一是開(kāi)發(fā)成熟穩(wěn)定且具有優(yōu)異性能的熔覆合金。在各種熔覆合金中，含有過(guò)渡元素爾e、Co、Ni)的合金是適用廣泛的一種材料，特別是狗基合金材料，由于具有經(jīng)濟(jì)性好，與鋼、因瓦合金熔合性好而廣泛應(yīng)用。其次，WC是一種常用的強(qiáng)化元素，具有耐磨性能和耐蝕性能良好、高溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)。特別是納米WC 的應(yīng)用，將納米WC用于開(kāi)發(fā)熔覆合金，不僅具有微米WC所具有的性能，而且大幅提高WC的斷裂性能，對(duì)于提高熔覆層的韌性具有重要的作用。因此，將納米WC與納米狗混合使用，充分利用納米恥和狗的粘結(jié)相和強(qiáng)化相的作用，對(duì)于開(kāi)發(fā)高端熔覆合金意義重大。在WC-Fe 合金制備的過(guò)程中，由于W-C-Fe體系在激活條件下，充足的能量將使WC發(fā)生分解，活性大的納米狗將發(fā)生向WC的擴(kuò)散，WC由于失碳以及過(guò)渡元素向基體擴(kuò)散而形成η相，η相的形成會(huì)降低熔覆合金的綜合性能。針對(duì)微米級(jí)的WC-狗合金體系，已經(jīng)提出了平衡條件下通過(guò)調(diào)節(jié)C、稀土、Cr3C2, 貧C/貧Co、M/C等成分手段控制界面η相的形成及形態(tài)；或者通過(guò)控制合成溫度抑制Π相等中間相的形成，實(shí)驗(yàn)證明是有效的。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，W Barona Mercado ^ ; Hyperfine Interact, 2007,175 49 54 Wi^i； "Sythesis and characterization of Fe6W6C by mechanical alloying” 中，提出利用機(jī)械合金化的方法機(jī)械激活W、CJe混合粉末，分別進(jìn)行了 lh、3hjh、10h、l^！、30h的球磨，隨著時(shí)間的進(jìn)行， 三種粉末逐漸混合，但在混合過(guò)程中，形成了狗313(、!^616(等η相。這些非平衡產(chǎn)物的產(chǎn)生容易降低熔覆層的韌性，降低表面機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，開(kāi)發(fā)了一種WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆
合金 O
本發(fā)明還提供了上述WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金的制備方法，以及納米熔覆合金制備過(guò)程中的η相控制方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金，制備該合金所用的材料由納米WC粉、納米 Fe粉、納米^O3粉、納米Sc2O3粉組成，混合物中各組分按重量百分比計(jì)分別為WC粉48 62%、納米!^e粉33 49%、納米IO3粉2 8%、納米Sc2O3粉1 3%。一種可抑制混合粉末機(jī)械激活過(guò)程中的η相的制備方法，制備這種 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金的方法，包括如下步驟(1)按上述含量稱量各原料，將稱量后的納米WC粉、納米!^e粉、納米^O3粉、納米 Sc2O3粉在研缽中混合研磨均勻，時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，防止鐵粉氧化；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟⑴的混合粉末通過(guò)機(jī)械激活，得到 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金。所述的機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速-400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h ；磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑5 10mm。為防止球磨過(guò)程中發(fā)生金屬粉末氧化，球磨罐中裝樣及取樣均在氣氛保護(hù)下的手套箱中進(jìn)行；保護(hù)氣體為氬氣或氦氣。步驟(1)中所述WC、Sc2O3粉末顆粒的粒徑是lOOnm，F(xiàn)e、Y2O3粉末顆粒的粒徑是 50nmo本發(fā)明通過(guò)加入稀土納米IO3、納米Sc2O3，聯(lián)合抑制納米WC和Fe粉高能球磨過(guò)程中容易形成的n相。本發(fā)明的WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金可應(yīng)用于厚板鋼及因瓦合金表面的激光修復(fù)，用于船體、閥門(mén)等產(chǎn)品的生產(chǎn)和修復(fù)。


圖1為機(jī)械激活后WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金XRD相組成；圖2為WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金的掃描形貌和背散射圖；其中，(a)SEM相；(b)為該視野相應(yīng)的背散射成分相；圖3為納米顆粒的TEM、SEAD衍射花樣和HRTEM圖；其中，(a)為機(jī)械激活后的納米粒子透射電鏡形貌；(b)是納米粒子的高分辨形貌圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說(shuō)明實(shí)施例1所述的制備WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金的機(jī)械激活步驟如下，(1)首先將分散于酒精中的納米WC粉、納米!^e粉、納米^O3粉、納米Sc2O3粉在真空干燥箱中干燥備用，取出后稱重，重量百分比例分別為57.6^^33.4^^8^^1% ；在研缽中混合研磨均勻后，氬氣氣氛條件下密封保存；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟(1)混合粉末進(jìn)行機(jī)械激活，得到WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金。機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h ；磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑 5mm ；(3)取樣分析。1 后，在氬氣氣氛保護(hù)下的球磨罐中手套箱中取出試樣，在酒精中分散保存?zhèn)溆?。步驟(1)中所述WC、Sc2O3粉末顆粒的粒徑是lOOnm，F(xiàn)e、Y2O3粉末顆粒的粒徑是 50nmo實(shí)施例2所述的制備WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金的機(jī)械激活步驟如下，(1)首先將分散于酒精中的納米WC粉、納米!^e粉、納米^O3粉、納米Sc2O3粉在真空干燥箱中干燥備用，取出后稱重，重量百分比例分別為WC粉58%、納米狗粉33%、納米 IO3粉8%、納米^2O3粉1%。；在研缽中混合研磨均勻后，氬氣氣氛條件下密封保存；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟(1)混合粉末進(jìn)行機(jī)械激活，得到 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金。機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h ；磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑 5mm ；(3)取樣分析。1 后，在氬氣氣氛保護(hù)下的球磨罐中手套箱中取出試樣，在酒精中分散保存?zhèn)溆?。?shí)施例3所述的制備WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金的機(jī)械激活步驟如下，(1)首先將分散于酒精中的納米WC粉、納米!^e粉、納米^O3粉、納米Sc2O3粉在真空干燥箱中干燥備用，取出后稱重，重量百分比例分別為WC粉62%、納米狗粉35%、納米 Y2O3粉2%、納米^2O3粉；在研缽中混合研磨均勻后，氬氣氣氛條件下密封保存；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟(1)混合粉末進(jìn)行機(jī)械激活，得到 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金。機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h ；磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑 5mm ；(3)取樣分析。1 后，在氬氣氣氛保護(hù)下的球磨罐中手套箱中取出試樣，在酒精中分散保存?zhèn)溆?。?shí)施例4所述的制備WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金的機(jī)械激活步驟如下，(1)首先將分散于酒精中的納米WC粉、納米!^e粉、納米^O3粉、納米Sc2O3粉在真空干燥箱中干燥備用，取出后稱重，重量百分比例分別為WC粉60%、納米!^e粉34%、納米 Y2O3粉4%、納米^2O3粉2% ；在研缽中混合研磨均勻后，氬氣氣氛條件下密封保存；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟(1)混合粉末進(jìn)行機(jī)械激活，得到 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金。機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h ；磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑 5mm ；(3)取樣分析。1 后，在氬氣氣氛保護(hù)下的球磨罐中手套箱中取出試樣，在酒精中分散保存?zhèn)溆谩＝?jīng)檢測(cè)，混合粉末經(jīng)過(guò)機(jī)械激活后，WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金XRD相分析結(jié)果如附圖1所示，從結(jié)果可知，在機(jī)械激活15小時(shí)后，主要相位WCJe和少量的WC- η相的過(guò)渡相，沒(méi)有η相形成，稀土 IO3和M2O3的加入，抑制了 η相的形成。WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金的SEM相和背散射圖像如附圖2所示，圖2 (a)為 SEM相，圖2(b)為該視野相應(yīng)的背散射成分相，黑白的像素灰度代表不同的成分，可知，主要成分為白色的WC和灰色的Fe，中間有一定的過(guò)渡相，沒(méi)有η相形成。試驗(yàn)結(jié)果采用透射電鏡結(jié)構(gòu)表征試驗(yàn)驗(yàn)證，如附圖3所示，圖3 (a)是機(jī)械激活后的納米粒子透射電鏡形貌，左上角的內(nèi)嵌圖是納米粒子的透射選取電子衍射花樣(SAED， Selected Area Electron Diffraction)，表明該納米粒子結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是單一的WC或者Fe 結(jié)構(gòu)，而是一種混合結(jié)構(gòu)，但不包含Π相結(jié)構(gòu)，圖3(b)是納米粒子的高分辨形貌圖，可見(jiàn)明顯的晶格(放大晶格如內(nèi)嵌圖所示)，邊緣晶格的傅里葉變換(Fourier Transform)如右上角內(nèi)嵌圖所示。因此，根據(jù)XRD試驗(yàn)結(jié)果、SEM和背散射試驗(yàn)和透射電鏡高分辨分析結(jié)構(gòu)， 可以判定本發(fā)明的WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金是一種以WC和狗均勻混合，納米粒子少量團(tuán)聚，沒(méi)有n相形成的合金。提出的稀土Y2OjPk2O3的加入，抑制了 n相的形成。
權(quán)利要求
1.一種WC-Fe-Y2O3 (Sc2O3)納米熔覆合金，其特征在于制備該合金所用的材料由納米 WC粉、納米狗粉、納米IO3粉、納米Sc2O3粉組成，混合物中各組分按重量百分比計(jì)分別為 WC粉48 62 %、納米!^e粉33 49 %、納米^O3粉2 8 %、納米Sc2O3粉1 3 %。
2.—種可抑制混合粉末機(jī)械激活過(guò)程中的η相的制備方法，其特征在于制備這種 WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金的方法，包括如下步驟(1)按配比稱量各原料，將稱量后的納米WC粉、納米!^e粉、納米IO3粉、納米Sc2O3粉在研缽中混合研磨均勻，時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，防止鐵粉氧化；(2)采用機(jī)械激活工藝，將步驟(1)的混合粉末通過(guò)機(jī)械激活，得到WC-Fe-Y2O3(Sc2O3) 納米熔覆合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的機(jī)械激活工藝為球料重量比為15 1、主軸的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，副軸轉(zhuǎn)速-400轉(zhuǎn)/分、球磨時(shí)間15h;磨球材料可選用碳化鎢合金(WC)，磨球直徑5 10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于球磨罐中裝樣及取樣均在氣氛保護(hù)下的手套箱中進(jìn)行；保護(hù)氣體為氬氣或氦氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟⑴中所述WC、^2O3粉末顆粒的粒徑是lOOnm，F(xiàn)e、Y2O3粉末顆粒的粒徑是50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金，其特征在于可應(yīng)用于厚板鋼及因瓦合金表面的激光修復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金，制備該合金所用的材料由納米WC粉、納米Fe粉、納米Y2O3粉、納米Sc2O3粉組成，混合物中各組分按重量百分比計(jì)分別為WC粉48～62％、納米Fe粉33～49％、納米Y2O3粉2～8％、納米Sc2O3粉1～3％。本發(fā)明通過(guò)加入稀土納米Y2O3、納米Sc2O3，聯(lián)合抑制納米WC和Fe粉高能球磨過(guò)程中容易形成的η相。本發(fā)明的WC-Fe-Y2O3(Sc2O3)納米熔覆合金可應(yīng)用于厚板鋼及因瓦合金表面的激光修復(fù)，用于船體、閥門(mén)等產(chǎn)品的生產(chǎn)和修復(fù)。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102560170SQ201210046589
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者任江偉, 盧慶華, 徐培全, 楊尚磊, 鄧沛然, 閆華 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)