一種耐磨激光熔覆層材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料表面工程領(lǐng)域，特別涉及一種耐磨激光熔覆層材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光熔覆技術(shù)是通過在基材的表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束使之與基 材表面薄層一起熔凝，與基體形成冶金結(jié)合的熔覆涂層的一種新型表面改性技術(shù)。它通過 采用"涂層+基體"模式，在低成本基體上制備耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、熱輻 射、抗輻射、導(dǎo)電和生物功能等多種特性的表面強化層，既可形成幾微米至幾毫米厚且比較 均勻的強化涂層，又可使強化涂層與被強化材料之間實現(xiàn)冶金結(jié)合，可以有針對性地提高 材料的相關(guān)表面性能，是一種應(yīng)用前景廣闊的有效強化手段。與常規(guī)熱處理相比，激光熔覆 能夠進行局部處理，而且具有工件變形小、冷卻速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需 要淬火介質(zhì)、清潔無污染、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。
[0003] 利用激光熔覆能制備出新型耐高溫氧化、熱腐蝕、磨損和沖蝕涂層材料，可以用來 修復(fù)和強化耐磨耐蝕部件。目前已經(jīng)有鈦合金表面激光熔覆Ni-Ti-Si涂層、A3鋼表面激光 熔覆Ni-Cr-Si涂層的專利，但是其高溫耐磨性能并不好。不利于零件在高溫條件下服役。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種耐磨激光熔覆層材料，是在不銹鋼零件表面制備Si/W/ Ni的合金涂層，顯著提高了不銹鋼零件的高溫耐磨性，拓寬了不銹鋼的使用范圍。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的是提供上述耐磨激光熔覆層材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種耐磨激光熔覆層材料，其特征在于：在不銹鋼基體表面復(fù)合有熔覆層，該熔覆 層材料的復(fù)合相為附 251、1512和15513，該熔覆層材料的化學(xué)成分51為18-25 &丨％，1為 45-62at%，Ni為14-37at%。優(yōu)選的，所述熔覆層厚度為0. 5-2mm。
[0008] 上述耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其步驟包括，
[0009] (1)將粒徑為100-300目的Si、W及Ni三種單元素粉末球磨混合1-3小時，形成 復(fù)合粉末；；然后用二丙酮醇將粉末調(diào)至粘糊狀；
[0010] (2)不銹鋼基體表面進行清洗、打磨、擦凈并吹干；將步驟（1)中的粘糊狀合金粉 磨均勻涂覆在基體表面形成涂覆層、風干，在150_200°C的下干燥2-3小時；優(yōu)選的，所述不 銹鋼基體為lCrl8Ni9Ti不銹鋼。
[0011] (3)采用激光熔覆技術(shù)，激光束垂直于步驟（2)中的基體表面掃描，掃描過程 中側(cè)向吹送惰性氣體保護，氣流量為15-25L/min，激光功率為2500-3500W，掃描速度為 800-1500mm/min，離焦量為 25_65mm。
[0012] 所述步驟（1)中，Si、W及Ni三種單元素粉末的原子個數(shù)比為1:2-3:0. 5-2。優(yōu)選 的，所述Si、W及Ni三種單元素粉末的原子個數(shù)比為1:2. 5-2. 8:0. 7-1.8。合適的Si、W及 Ni三種單元素粉末的加入量配比，決定了復(fù)合相的組分，有利于充分吸收激光，熔化合金粉 末，形成稀釋率低且與基體冶金結(jié)合的Ni基硅化物涂層。
[0013] 所述步驟（1)中，Si、W及Ni三種單元素的復(fù)合粉末和二丙酮醇的加入量配比為 l-20g :10mL。優(yōu)選的，Si、W及Ni三種單元素的復(fù)合粉末和二丙酮醇的加入量配比為15g : IOmL0
[0014] 所述步驟（2)中，惰性氣體為氬氣。
[0015] 所述步驟（2)中，干燥后的不銹鋼基體表面的涂覆層的厚度為0. 8-1. 6_。涂覆層 的厚度決定了形成涂層質(zhì)量。二丙酮醇為有機粘結(jié)劑，在激光加工過程中要燃燒，汽化。若 涂覆層太厚容易引起熔覆層氣孔、裂紋等缺陷；涂覆層太薄制備的熔覆層可能因為太薄而 無實際應(yīng)用價值。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] (1)通過本制備方法得到的基體表面的熔覆層組織細小均勻，無明顯的氣孔和裂 紋，與基體材料之間完全冶金結(jié)合，熔覆層厚度達到〇. 5-2_，其與金屬基體表面的粘結(jié)力 強，不易脫落。
[0018] (2)本發(fā)明制備的耐磨激光熔覆層材料具有較高的硬度，其硬度達到996HV，耐磨 性比不銹鋼基體提高了 4?6倍，對于鋼鐵材料的表面改性和修復(fù)效果極為顯著，拓寬了鋼 鐵的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0019] (3)本制備方法簡單、工藝可控度高。
【附圖說明】
[0020] 圖1為實施例1中的制得的激光熔覆層的形貌圖。
[0021] 圖2為實施例1中的制得的激光熔覆層的SEM圖。
[0022] 圖3為實施例2中的制得的激光熔覆層的SEM圖。
[0023] 圖4為實施例1和實施例2中的激光熔覆層的XRD分析圖。
[0024] 圖5為實施例1和實施例2中的激光熔覆層及不銹鋼基體的摩擦系數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步說明：
[0026] 實施例1
[0027] (1)、將Si、W和Ni三種粒徑為200目的單元素粉末，三種粉末的純度均大于或等 于99. 5%。按照原子個數(shù)百分比計為：19% Si、48% W、33% Ni的比例稱取，然后在球磨機 中進行粉末混合1. 5小時，得到均勻的混合粉體；
[0028] (2)、將lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體，尺寸為：50_X50_X IOmm，表面進行清理、打 磨，并擦凈，吹干、備用；
[0029] (3)、稱取步驟（1)中的混合粉體15g，加入IOmL的二丙酮醇溶液，將粉末調(diào)至粘稠 狀，預(yù)置在步驟（2)中的基體表面形成涂覆層并自然風干，在干燥箱內(nèi)烘干2小時，干燥溫 度為190°C，其涂覆層的厚度為I. 5mm。
[0030] (4)、采用激光熔覆技術(shù)，將激光束對步驟（3)中的基體表面進行處理，制備得到 耐磨激光熔覆層材料，工藝參數(shù)為：激光束垂直于工件表面掃描，過程中側(cè)向吹送氬氣保 護，氣流量為20L/min，激光功率為2700W，掃描速度為900mm/min，離焦量為40mm。
[0031] 熔覆層組織細小均勻，無明顯的氣孔和裂紋，與基體結(jié)合良好，如圖1所示。
[0032] 高倍組織SEM照片如圖2所示，結(jié)合圖4中XRD分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熔覆層中存在 未熔的W顆粒，淺色的花瓣狀枝晶及胞狀晶為W5Si3、WSi2復(fù)合相，深色區(qū)域主要為Ni 2Si及 Ni基固溶體。本實施例的熔覆層的EDS分析結(jié)果如表1所示。
[0033] 表I :EDS分析結(jié)果表
[0034]
【主權(quán)項】
1. 一種耐磨激光熔覆層材料，其特征在于：在不銹鋼基體表面復(fù)合有熔覆層，該熔覆 層材料的復(fù)合相為附 251、1512和15513，該熔覆層材料的化學(xué)成分51為18-25 &丨％，1為 45-62at %，Ni 為 14-37at %。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨激光熔覆層材料，其特征在于：所述熔覆層厚度為 0· 5_2mm〇
3. 權(quán)利要求1或2所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其步驟包括， (1) 將粒徑為100-300目的Si、W及Ni三種單元素粉末球磨混合1-3小時，形成復(fù)合 粉末；然后用二丙酮醇將粉末調(diào)至粘糊狀； (2) 不銹鋼基體的表面進行打磨、清洗、擦凈并吹干；將步驟（1)中的粘糊狀合金粉磨 均勻涂覆在基體表面形成涂覆層、風干，在150_200°C的下干燥2-3小時； (3) 采用激光熔覆技術(shù)，激光束垂直于步驟（2)中的基體表面掃描，掃描過程中側(cè)向吹 送惰性氣體保護，氣流量為15_25L/min，激光功率為2500-3500W，掃描速度為800-1500mm/ min，離焦量為25_65mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（1) 中，Si、W及Ni三種單元素粉末的原子個數(shù)比為1:2-3:0. 5-2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（1) 中，Si、W及Ni三種單元素粉末的原子個數(shù)比為1:2. 5-2. 8:0. 7-1. 8。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（1) 中，Si、W及Ni三種單元素的復(fù)合粉末和二丙酮醇的加入量配比為l-20g :10mL。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（2) 中，惰性氣體為氬氣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐磨激光熔覆層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（2) 中，干燥后的不銹鋼基體表面的涂覆層的厚度為0. 8-1. 6_。
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料表面工程領(lǐng)域，特別涉及一種耐磨激光熔覆層材料及其制備方法。本發(fā)明制備的熔覆層材料的復(fù)合相為Ni2Si、WSi2和W5Si3，該熔覆層材料的化學(xué)成分Si為18-25at％，W為45-62at％，Ni為14-37at％。其制備方法為，將Si、W及Ni三種單元素粉末球磨、混合，然后用二丙酮醇將粉末調(diào)至粘糊狀；不銹鋼基體表面進行清洗、打磨、擦凈并吹干；粘糊狀合金粉末均勻涂覆在基體表面形成涂覆層、風干、干燥，采用激光熔覆技術(shù)，激光束垂直于基體表面掃描。通過本制備方法得到的基體表面的熔覆層組織細小均勻，無明顯的氣孔和裂紋，與基體材料之間完全冶金結(jié)合、不易脫落、硬度高、耐磨性好。
【IPC分類】B22F1-00, C22C30-00, C23C24-10, C22C27-04
【公開號】CN104561720
【申請?zhí)枴緾N201410836658
【發(fā)明人】劉曉鵬, 張培磊, 盧云龍
【申請人】上海工程技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月24日