一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，向鎳基碳化鎢涂層粉末中加入稀土氧化鑭粉末，其組分的質(zhì)量百分比為：氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基為59.2%，將上述原料粉末置于密封容器中，放入混料機(jī)中混合1-3h；步驟2，激光熔覆以普通A3鋼為基材，用400目砂紙將基體打磨光潔，并用丙酮溶液擦拭除表面油污；激光功率為1500-1800w，所選用的光斑寬為5-10mm，掃描速度為1-2m/min，保護(hù)氣為氮?dú)?，氣流量?5l/min，送粉率為3-10g/min。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合材料領(lǐng)域，是一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，尤其涉及一種激光金屬陶瓷合金粉末及其制備方法和熔覆工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料的磨損與腐蝕會(huì)出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域，是破壞機(jī)械零部件、工程構(gòu)件的兩大主要方式之一，腐蝕將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零件的大量消耗，而磨損則是導(dǎo)致機(jī)械零件失效的重要原因之一。它們?cè)趽p耗大量金屬材料的同時(shí)，也浪費(fèi)了大量資源，在經(jīng)濟(jì)損失中占據(jù)非常大的比重。
[0003]高溫、腐蝕、摩擦和磨損引起的工程構(gòu)件的失效大多發(fā)生在表面，這一現(xiàn)象促使材料科學(xué)工作者對(duì)材料表面的極大關(guān)注，并促使材料表面改性技術(shù)的迅猛發(fā)展。人們希望在材料整體保持足夠的韌性和強(qiáng)度的同時(shí)，使材料表面獲得較高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蝕和抗氧化等。
[0004]據(jù)報(bào)道，目前，在全世界工業(yè)化國(guó)家中，在磨損上消耗的能量占總能量的二分之一，約有60%~80%的機(jī)械零部件由于磨損而失效。在一個(gè)高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家,每年因磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失幾乎占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的1%~2%。例如，美國(guó)平均每年由于磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200億美元；英國(guó)平均每年由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)51500萬(wàn)英鎊。在我國(guó)，由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失同樣也相當(dāng)嚴(yán)重。僅據(jù)石油、化工、煤炭、電力、農(nóng)機(jī)等部門(mén)粗略統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年 就有高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸的鋼材消耗在磨損上，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到200~300億元之多。所以說(shuō)，金屬材料的磨損影響著機(jī)械零件的性能質(zhì)量和使用壽命，進(jìn)而影響著這些機(jī)械零件在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。
[0005]同時(shí)，金屬腐蝕問(wèn)題也遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，從尖端科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從日常生活中的應(yīng)用到國(guó)防工業(yè)的制造，凡是使用金屬材料的地方，都不同程度上存在著腐蝕問(wèn)題。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)，全球每一分半鐘就有一噸鋼材被腐蝕成鐵銹。例如，1975年，美國(guó)每年由腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)820億美元，占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4.9%; 1995年，美國(guó)由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失直線上升到3000億美元。統(tǒng)計(jì)表明，在一個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%~4%，超過(guò)水災(zāi)、火災(zāi)、地震、和咫風(fēng)等所有自然災(zāi)害造成的損失的總和。雖然我國(guó)僅為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但由于腐蝕帶來(lái)的損失也相當(dāng)可觀，每年大約5000億元人民幣，約占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的6%左右。僅在石油與天然氣領(lǐng)域每年由腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失就約100億元，煤炭工業(yè)每年由腐蝕造成的資金浪費(fèi)約為55.6億元，而電力系統(tǒng)每年的腐蝕損失則近17億元。
[0006]因此，從有限的資源與能源出發(fā)，現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械零部件具有足夠的耐磨耐蝕性能，可以在高溫、高負(fù)荷等極其惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，因此解決金屬的磨損與腐蝕問(wèn)題已迫在眉睫。
[0007]激光熔覆金屬陶瓷技術(shù)可以將金屬高的強(qiáng)韌性、良好的工藝性與陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為最有價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)力的表面強(qiáng)化技術(shù)，也是激光熔覆技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。
[0008]激光熔覆是一項(xiàng)新興、迅猛發(fā)展的技術(shù)，它是在高能量密度激光束照射下，基體表面一薄層與根據(jù)需要加入的合金同時(shí)熔化，形成厚度為10~1000 μ m表面熔化層，快速凝固以滿足某一特殊性能要求的工藝方法，是集激光加熱熔化、熔池中物質(zhì)交互作用及快速凝固成型等多學(xué)科交叉的一門(mén)新技術(shù)，此技術(shù)在表面處理方面得到較細(xì)致的研究。
[0009]由于局部表面受熱密度大，光斑直徑小，受熱時(shí)間短，故工件表面上熔化區(qū)很小，傳到工件內(nèi)部熱量少，熔化區(qū)內(nèi)存在很大的溫度梯度，冷卻速度可達(dá)104~109°C /s。正是由于快速凝固，賦予合金不同于正常凝固的特點(diǎn)。作為表面改性手段之一的激光熔覆，適于各類(lèi)金屬的表層改性和修復(fù)。激光表面熔覆能保持原涂層合金成份(稀釋率5~8%)，僅在重熔區(qū)與基體的交界處存在很有限的相互擴(kuò)散區(qū)，而此擴(kuò)散區(qū)正是實(shí)現(xiàn)涂覆層與基體的冶金結(jié)合所必須的。它能把高性能的合金粉末涂覆在普通材料(工件)上，從而獲得優(yōu)異特性的表面涂層(如耐熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊等優(yōu)良涂層)。
[0010]與傳統(tǒng)的表面改性(熱噴涂、等離子噴涂等)技術(shù)相比，它主要有以下優(yōu)點(diǎn):界面為冶金結(jié)合；組織極細(xì)；熔覆層成分均勻及稀釋度低；覆層厚度可控；熱畸變??；易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆和工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在表面改性技術(shù)中，激光熔覆已成為比較活躍的研究領(lǐng)域。
[0011]激光表面涂層技術(shù)是七十年代中期發(fā)展起來(lái)的材料表面工程領(lǐng)域的前沿課題之一，國(guó)內(nèi)外正在蓬勃發(fā)展。隨著高功率激光器及配套技術(shù)的發(fā)展與完善，它已從實(shí)驗(yàn)室研究逐步走向工業(yè)應(yīng)用，在未來(lái)材料表面改性領(lǐng)域?qū)⒕哂袕?qiáng)大的生命力。激光熔覆既可用于傳統(tǒng)材料的表面改性，提升材料的性能，又可用于表面失效零件的修復(fù)，故可用的基體材料十分廣泛，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵以及鋁合金、銅合金、鎳基高溫合金等。此外，材料科研人員還開(kāi)發(fā)了非晶態(tài)及準(zhǔn)晶涂層 等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光技術(shù)在傳統(tǒng)材料表面的改性研究較多，高合金鋼、高溫合金表面改性的研究也有報(bào)道，然而應(yīng)用激光熔覆修復(fù)一些機(jī)械零部件的實(shí)際工程應(yīng)用卻有待于進(jìn)一步推廣，主要原因是激光熔覆過(guò)程中常有裂紋、涂層不均勻等問(wèn)題，有待于科技工作者更深一步研究。
[0012]激光熔覆層材料的狀態(tài)一般有粉末狀、絲狀、膏狀等。另外還可將金屬板材、粉末冶金制品、鋼帶和焊條等作為熔覆材料，其中合金粉末在激光熔覆技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。
[0013]視工件的實(shí)際使用環(huán)境條件不同，對(duì)工件表面涂層的性能要求也不一樣。激光熔覆合金體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鉆基合金及復(fù)合合金粉末等。鐵基合金粉末適于要求局部耐磨且容易變形的零件；鎳基合金適于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件，所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高；鉆基合金涂層適于要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件；陶瓷涂層在高溫下有較高的強(qiáng)度，且熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。
[0014]耐磨涂層是激光熔覆陶瓷涂層中研究得最早也是最多的I種。Ni基、Co基、Fe基自熔合金雖然本身就具有良好的耐磨、耐蝕、耐熱性能，利用它們的激光熔覆層進(jìn)行材料表面強(qiáng)化的研究報(bào)道已經(jīng)很多。但在滑動(dòng)、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下，單純的Ni基、Co基、Fe基自熔性合金已不能勝任使用要求。
[0015]復(fù)合材料是一種新型的表面強(qiáng)化工程材料，金屬與金屬、金屬與陶瓷、陶瓷與陶瓷等，合金粉末之間以及合金粉末與陶瓷之間的搭配的選擇范圍十分廣泛。為此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了在上述激光熔覆的合金粉末體系中加入一定含量的各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬陶瓷復(fù)合涂層甚至純陶瓷涂層，以提高熔覆層的耐磨性。
[0016]盡管采用復(fù)合材料進(jìn)行激光熔覆可制備高性能的復(fù)合材料涂層，但目前國(guó)內(nèi)大多仍然處于實(shí)驗(yàn)室的研究中，而且其制備工藝大多都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用將鎳基自熔合金與一定含量的WC粉末混合均勻，然后加入飽和松節(jié)油或自制的有機(jī)粘結(jié)劑，調(diào)成料漿或膏狀，預(yù)涂覆于工件上，然后進(jìn)行激光熔覆或燒結(jié)。其所加入的硬質(zhì)顆粒較大、密度與基體金屬不同，顆粒在熔覆層中的分布往往不均勻，通常呈現(xiàn)梯度分布；所加的顆粒材料與基體的潤(rùn)濕性、穩(wěn)定性、膨脹系數(shù)及化學(xué)反應(yīng)活性等均導(dǎo)致熔覆層的組織與性能的不均勻性。且所制備的組合粉末由于各組元比重相差懸殊，因而在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中而易產(chǎn)生偏析。無(wú)法進(jìn)行商品化市場(chǎng)供應(yīng)，目前在市場(chǎng)上尚未見(jiàn)有顆粒增強(qiáng)激光熔覆專(zhuān)用粉末商品銷(xiāo)售。由于上述原因，至今尚未見(jiàn)激光熔覆專(zhuān)用組合粉末，從而制約了激光熔覆在高耐磨工況領(lǐng)域上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，通過(guò)添加稀土氧化鑭，優(yōu)化工藝，開(kāi)發(fā)出一種進(jìn)一步改善鎳基碳化鎢涂層的方法，以提高在嚴(yán)重磨粒磨損工況條件下工作的零件的使用壽命。
[0018]本發(fā)明提出一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0019]步驟1，向鎳基碳化鎢涂層粉末中加入稀土氧化鑭粉末，其組分的質(zhì)量百分比為:氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基為59.2%，將上述原料粉末置于密封容器中，放入混料機(jī)中混合 l-3h ；
[0020]步驟2，激光熔覆以普通A3鋼為基材，用400目砂紙將基體打磨光潔，并用丙酮溶液擦拭除表面油污；
[0021]步驟3，使用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆，其中激光功率為1500-1800?，所選用的光斑寬為5-10mm，掃描速度為l_2m/min，保護(hù)氣為氮?dú)?，氣流量?51/min，送粉率為3_10g/mino
[0022]步驟I中的氧化鑭的粒度為0.023~0.043mm，碳化鎢的粒度為0.025~0.033mm,鎳基的平均粒度是0.049~0.104mm。
[0023]本發(fā)明的激光熔覆用合金粉末既有較高的硬度、又有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性，特別適用于有較高表面硬度和高耐磨性的合金工件的激光熔覆，而且能夠有效防止在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中由于各組元比重相差懸殊而產(chǎn)生偏析。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的SEM金相圖片；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的SEM金相圖片；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的SEM金相圖片?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0028]實(shí)施例1:一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，包括以下步驟:
[0029]一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，其組分的百分?jǐn)?shù)為:其組分的質(zhì)量百分比為:氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基59.2% ;氧化鑭的粒度為0.023~0.043mm,碳化鎢的粒度為0.025~0.033mm，鎳基的平均粒度是0.049~0.104mm。
[0030]1.將上述原料粉末置于混合機(jī)中混合lh。
[0031]2.激光熔覆以A3鋼為基材，用400目的砂紙打磨光潔，用丙酮除去表面的油污。激光功率為1500?，采用光斑大小為5mm，掃描速度為lm/min，保護(hù)氣為氮?dú)?，流量?51/min，送粉率為3g/min。
[0032]3.經(jīng)測(cè)試，所得涂層厚度為1mm，硬度為55HRC，腐蝕速率為0.52g/m2*h，冶金質(zhì)量好，SEM金相圖片如圖1所示。:
[0033]實(shí)施例2:—種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，包括以下步驟:
[0034] 一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，其組分的百分?jǐn)?shù)為:其組分的質(zhì)量百分比為:氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基59.2% ;氧化鑭的粒度為0.023~0.043mm,碳化鎢的粒度為0.025~0.033mm，鎳基的平均粒度是0.049~0.104mm。
[0035]1.將上述原料粉末置于混合機(jī)中混合1.5h。
[0036]2.激光熔覆以中碳鋼為基材，用400目的砂紙打磨光潔，用丙酮除去表面的油污。激光功率為1700?，采用光斑大小為6mm，掃描速度為1.5m/min，搭接為50%，保護(hù)氣為氬氣，流量為151/min，送粉率為8g/min。
[0037]3.經(jīng)測(cè)試，所得涂層厚度為1.2mm,硬度為57HRC，腐蝕速率為0.4952g/m2*h，冶金質(zhì)量好，SEM金相圖片如圖2所示。
[0038]實(shí)施例3:—種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，包括以下步驟::一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的工藝和方法，其組分的百分?jǐn)?shù)為:其組分的質(zhì)量百分比為:氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基59.2% ;氧化鑭的粒度為0.023~0.043mm,碳化鎢的粒度為0.025~0.033mm，鎳基的平均粒度是0.049~0.104mm。
[0039]1.將上述原料粉末置于混合機(jī)中混合2h。
[0040]2.激光熔覆以中碳鋼為基材，用400目的砂紙打磨光潔，用丙酮除去表面的油污。激光功率為1800?，采用光斑大小為7mm，掃描速度為2m/min，保護(hù)氣為氮?dú)猓髁繛?51/min,送粉率為10g/min。
[0041]3.經(jīng)測(cè)試，所得涂層厚度為1.5mm，硬度為58HRC，腐蝕速率為0.4952g/m2*h，冶金質(zhì)量好，SEM金相圖片如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，向鎳基碳化鎢涂層粉末中加入稀土氧化鑭粉末，其組分的質(zhì)量百分比為:氧化鑭0.8%，碳化鎢40%，鎳基為59.2%，將上述原料粉末置于密封容器中，放入混料機(jī)中混合l-3h ； 步驟2，激光熔覆以普通A3鋼為基材，用400目砂紙將基體打磨光潔，并用丙酮溶液擦拭除表面油污； 步驟3，使用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆，其中激光功率為1500-1800?，所選用的光斑寬為5-10mm，掃描速度為l_2m/min，保護(hù)氣為氮?dú)?，氣流量?51/min，送粉率為3_10g/min
2.如權(quán)利要求1所述的改善鎳基碳化鎢激光熔覆涂層的方法，其特征在于，步驟I中的氧化鑭的粒度為0.023~0.043mm,碳化鎢的粒度為0.025~0.033mm,鎳基的平均粒度是·0.049 ~0.10 4mm。
【文檔編號(hào)】C22C32/00GK103866320SQ201410126288
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】王智勇, 王震 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)