CN102978444A

CN102978444A - 纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料及其激光熔覆工艺

Info

Publication number: CN102978444A
Application number: CN2012104950610A
Authority: CN
Inventors: 王存山; 柴龙顺; 董星龙; 黄昊
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN102978444B

Abstract

纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料与激光熔覆工艺属于材料表面改性技术领域。其特征是以Ni_65.83Cr₁₅B_3.0Si_3.5C_0.7Fe₁₂镍基自熔性合金粉末为基质材料，以0.5-20vol.%的纳米碳包碳化钛为增强相，利用激光熔覆技术在钢和合金基体上制备纳米增强镍基复合涂层。本发明的优点是涂层组织均匀致密，韧性好，耐蚀性和耐磨性能优异，与基体之间具有良好的冶金结合，可满足碳钢、合金钢构件在不同工况条件下对摩擦磨损性能要求，且涂层制备过程规模化和自动化程度高，可广泛应用于航空航天、机械、汽车和军工等领域。

Description

纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料及其激光熔覆工艺

技术领域

本发明属材料表面改性技术领域。是提供一种碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料及其激光熔覆工艺。

背景技术

激光熔覆是以不同的填料方式，在被熔覆基材表面上放置被选择的涂层材料，经激光辐照使之与基材表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基材呈冶金结合的表面涂层，从而显著提高基材表面性能的工艺方法。

镍基自熔性合金具有良好耐蚀性、抗氧化性和润湿性，是目前激光熔覆普遍采用的一类涂层材料体系。为了满足剧烈摩擦磨损工况条件下工件使用性能的要求，通常是增加镍基自熔性合金中碳和硅的含量，以增加其耐磨性能，但这势必会增大涂层的开裂倾向。如果在镍基自熔性合金中引入纳米碳包碳化钛颗粒，构成所谓的纳米增强复合材料，则因纳米颗粒对基质相生长的控制作用，纳米颗粒与位错的相互作用，以及纳米颗粒周围特殊的应力场分布，可极大改善镍基自熔性合金的韧性。同时，纳米碳包碳化钛作为一种包覆材料，其不仅具有核心碳化钛高的硬度和强度，而且因碳包覆层特殊的六边形薄层结构及薄层间微弱的范德华力，使其层间具有低的剪切强度，在受到摩擦挤压和热的作用下易在摩擦界面转移形成润滑转移膜，而展示出良好的自润滑特性，且碳对激光束高的吸收率，可降低激光熔覆过程中的能量密度，减少核心纳米碳化钛颗粒的烧蚀。从而全面提升镍基自熔性合金的摩擦磨损性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料体系及相应的激光熔覆工艺。

本发明的技术解决方案是：

一种纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料，以镍基自熔性合金为基质材料；以尺寸范围为100-500nm的碳包碳化钛为增强相，其添加的体积百分比为0.5-20%。

根据构件的工况需要，在镍基自熔性合金粉体中加入一定化学计量比的纳米碳包碳化钛。复合粉体经充分混合后，在惰性气体保护下，采用预置法进行激光熔覆，以此获得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层。具体方法操作步骤如下：

（1）根据构件的性能要求，在镍基自熔性合金中加入一定比例的纳米碳包碳化钛粉体；

（2）采用研磨法，将配制好的复合粉体进行长时间湿混，以使其均匀混合；

（3）采用预置法，在钢和合金基体上利用连续CO₂激光器进行激光熔覆。

其中：

步骤（1）中所述自熔性合金为Ni_65.83Cr₁₅B_3.0Si_3.5C_0.7Fe₁₂镍基合金，其粉体的粒度范围介入30~180μm范围内；碳包碳化钛尺寸分布在100-500nm之间，加入量为0.5-20 vol.%；

步骤（2）中所述的研磨法中湿混介质为无水酒精溶液；

步骤（3）中所述的惰性气体为氩气或氦气；

步骤（3）中所述的预置涂层厚度为0.2-1.0mm；

步骤（3）中所述激光工艺参数为：激光功率2.5-4.5KW，扫描速度2.0-6.0mm/s，光斑直径2.0-6.0mm，搭接率10-40%。

本发明的有益效果是，碳包碳化钛增强镍基复合涂层组织均匀致密，耐蚀性能和摩擦磨损性能优异，可满足碳钢、合金钢构件在腐蚀环境和剧烈摩擦磨损服役条件下使用性能要求，且涂层制备过程规模化和自动化程度高，可实现柔性加工。

附图说明

图1是实施例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的XRD图谱。

图2是实施例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的SEM形貌。

图中：a 0.0 wt.%TiC/C ; b 0.5 wt.%TiC/C; c1.5 wt.%TiC/C;

d 3.5 wt.%TiC/C; e 5.0 wt.%TiC/C; f 15.0 wt.%TiC/C;

图3是实施例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层中碳包碳化钛纳米颗粒分布。

图4 是实施例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的显微硬度。

图5是实例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的摩擦系数。

图6是实例纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的耐磨性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。

选用粒度为45-180μm的 Ni_65.8Cr₁₅B_3.0Si_3.5C_0.7Fe₁₂镍基自熔性合金粉末为熔覆层基质材料，选用粒度为500nm的碳包碳化钛为增强相，其添加量为0.5-14 vol.%。首先按化学计量比配制复合粉体。然后，采用研磨法将配制好的复合粉体进行湿混。将复合粉体预置于300M钢表面（预置层厚度为1mm），在氩气保护下利用5KW横流CO₂激光器进行多道搭接激光熔覆。激光熔覆具体工艺参数为：激光功率3.0KW，扫描速度3.0mm/s，光斑直径5.0mm，搭接率20%。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的XRD图谱如图1所示。可见，不同纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层主要是由γ-Ni、Ni₃B、M₂₃C₆、M₇C₃和TiC相所组成。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的SEM形貌如图2所示。可见，不同碳包碳化钛含量的复合涂层皆呈现出典型的树枝晶+共晶组织形貌特征。但有所不同的是：随着碳包碳化钛含量的增加，复合涂层组织逐渐细化，共晶组织数量逐渐减低；当碳包碳化钛含量超过5wt.%时，复合涂层组织开始粗化，共晶组织数量随之增加。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层中碳包碳化钛颗粒典型的分布如图3所示。可见，在激光熔覆后，碳包碳化钛仍保持原始的形貌特征，且其分布比较均匀。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的显微硬度如图4所示。随着碳包碳化钛含量的增加，复合涂层平均显微硬度由 HV635逐渐降至HV475。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的摩擦系数如图5所示。可见，随着碳包碳化钛含量的增加，复合涂层的摩擦系数由0.710逐渐降低至0.630；当碳包碳化钛含量超过5wt.%时，复合涂层摩擦系数开始升高，且在碳包碳化钛含量为15wt.%时，摩擦系数达到0.638。

实施例所得纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层的磨损体积如图6所示。可见，随着碳包碳化钛的增加，复合涂层的磨损体积由7.6×10^-3mm³逐渐降至3.2×10^-3mm³；当碳包碳化钛含量超过5wt.%时，复合涂层磨损体积开始升高，且在碳包碳化钛含量为15wt.%时，磨损体积达到4.9×10^-3mm³。

本发明的实施例，摩擦磨损实验是在CETRUMT-2型磨损试验机上进行的，采用球盘往复磨损方式，使用直径为5mm的GCr15钢球(其硬度为HRC55)，法向加载5N的载荷，往复运动距离3mm，磨损时间30min。

Claims

1.一种纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料，其特征是以镍基自熔性合金为基质材料；以尺寸范围为100-500nm的碳包碳化钛为增强相，其添加的体积百分比为0.5-20%。

2.制备权利要求1所述的纳米碳包碳化钛增强镍基复合涂层材料的激光熔覆，其特征在于，工艺参数范围为：激光功率2.5-4.5KW，扫描速度2.0-6.0mm/s，光斑直径2.0-6.0mm，搭接率10-40%，氩气或氦气保护。