CN102995013A - 复合涂层及熔覆工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合涂层及熔覆工艺。复合涂层包括底层和铬层，底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。熔覆工艺包括四个步骤。本发明的复合涂层及其熔覆工艺，可以将厚度大于1mm的复合涂层冶金结合于工件等基体表面，复合涂层的硬度、强度和结合力高，具有优良的耐磨性能，能大大提高工件的服役寿命。另外，本发明的熔覆工艺还具有无污染、生产效率高、能耗低且修复的残余应力小，无加工变形等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，特别地，涉及一种复合涂层。此外，本发明还涉及一种包括上述复合涂层的熔覆工艺。
背景技术
压气机转子为某型航改燃气轮机的核心部件，其生产难度大，成本高，且在轴颈部位发生磨损现象，返修时会出现加工余量不够，甚至有时会在轴颈处发现1-3mm深的沟槽。目前采用的修复工艺是刷镀和热喷涂，当需要修复的尺寸较少（＜0.4mm）且轴颈处表面无沟槽时，一般在其表面刷镀一层镍来修复尺寸，之后再进行精车和抛光来满足装配尺寸；当需要修复的尺寸为0.4mm～1mm，其表面无沟槽时，一般采用等离子喷涂NiCrAlY来修复尺寸，之后再进行精车和抛光来达到装配尺寸。然而，刷镀工艺制备的涂层厚度有限，无法完全满足需修复的尺寸要求，且涂层硬度不高，使用寿命较短，对沟槽修复无能为力。热喷涂制备的涂层结合强度不好，涂层硬度也不高，服役中涂层容易掉，使用寿命也不长，对沟槽修复也无能为力。
发明内容
本发明目的在于提供一种复合涂层及熔覆工艺，以解决现有的喷涂材料和刷镀涂层及其工艺使得修复结合强度不好、涂层硬度不高，使用寿命短的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种复合涂层，包括其包括底层和铬层，底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。
进一步地，底层包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe；铬层包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、14wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
根据本发明的另一方面，还提供了一种熔覆工艺，包括如下步骤：
步骤S1：对工件进行表面处理；
步骤S2：将表面处理后的工件预热至60℃~100℃，将底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将铬层材料升温熔化后涂覆于底层表面，形成铬层；两者进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
步骤S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火，其中，底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。
进一步地，步骤S1包括两个分步骤S11和S12，步骤S11包括对工件进行除锈、整平、毛化处理直至露出金属本色，步骤S12包括对经步骤S11处理后的工件的表面进行丙酮清洗，得到干净的工件。
进一步地，步骤S2中，选用激光器进行熔覆，工作台为数控机床，利用激光器自动送粉装置把底层和铬层分别熔覆于工件的表面。
进一步地，步骤S2中，底层的熔覆厚度为0.7mm~1mm，铬层的熔覆厚度为1.5mm~2mm。
进一步地，底层的熔覆厚度为0.8mm，铬层的熔覆厚度为1.5mm。
进一步地，激光器熔覆功率为2900W~3000W，激光束扫描线速度为8~9mm/s，光斑直径为6mm~7mm，离焦量175mm~180mm，熔覆材料送粉率7~8g/s。
进一步地，激光器熔覆功率为2950W，激光束扫描线速度为8.6mm/s，光斑直径为6mm，离焦量为178mm，熔覆材料送粉率为7.5g/s。
进一步地，步骤S3中，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在100℃～200℃，时间为30min~120min。
本发明具有以下有益效果：本发明的复合涂层及其熔覆工艺，可以将厚度大于1mm的复合涂层冶金结合于工件等基体表面，复合涂层的硬度、强度和结合力高，具有优良的耐磨性能，能大大提高工件的服役寿命。另外，本发明的熔覆工艺还具有无污染、生产效率高、能耗低且修复的残余应力小，无加工变形等优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的底层和铬层组成的复合涂层的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种复合涂层，其包括底层和铬层，底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。本发明为了解决涂层与工件的结合强度不高，特在工件和铬层之间设置一层底层，底层选用了与工件的材料接近的元素配制，两者热膨胀系数接近，底层能缓冲工件和铬层的热应力，防止涂层出现裂纹，且能与铬层和工件很好的冶金结合，增强了铬层与工件的结合强度。铬层的C、Cr和Mo的成分可以增加涂层的硬度，尤其是Cr增加涂层的硬度最显著，Ni可以降低涂层的脆性，从而提高涂层的结合强度、硬度，以便实现耐磨和提高使用寿命。增设的底层对于铬层而言，减少了Cr、Ni的含量后与工件材料元素接近，提高了涂层与工件的结合强度，同时，底层取代了铬层的一部分厚度，从而节省了Cr和Ni的成本。两者合适的配比可以制备出耐磨而抗冲击的涂层。在实际使用中，底层的熔覆厚度为0.7mm~1mm，铬层的熔覆厚度为1.5mm~2mm。在本实施例中，底层和铬层的厚度分别为0.8mm和1.5mm，工件为轴颈。
底层包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe；铬层包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、14wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。此组份的配比使得涂层结合强度更高，涂层的硬度更好，使用寿命更长。
本发明还提供了一种包括前述复合涂层的熔覆工艺，参见图1，用于修复工件的表面磨损、裂纹或沟槽等缺陷，其熔覆工艺采用以下步骤：
步骤S1：对工件进行表面处理；
具体地，步骤S1还包括两个分步骤S11和S12：其中，步骤S11包括对工件进行除锈、整平、毛化处理直至露出金属本色；步骤S12包括经步骤S11处理后的工件的表面进行丙酮清洗，得到干净的工件。
步骤S2：将表面处理后的工件预热至60~100℃，将底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将铬层材料升温熔化后涂覆于底层的表面，形成铬层；两者进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件。
送粉和熔覆步骤采用激光实现，优选地，选用激光器进行熔覆，工作台为数控机床，利用激光器自动送粉装置把底层和铬层分别熔覆于工件的表面。此时，熔覆功率2900W~3000W，激光束扫描线速度8~9mm/s，光斑直径6mm~7mm，离焦量175mm~180mm，熔覆材料送粉率7~8g/s。在本实施例中，激光器为DL-T5000型CO2激光器。
更优选地，熔覆功率为2950W，激光束扫描线速度为8.6mm/s，光斑直径为6mm，离焦量为178mm，熔覆材料送粉率为7.5g/s。
步骤S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火；其中，底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。
具体地，熔覆完成后，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在100℃～200℃，时间为30min~120min。
实施例
实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
底层的成分包括0.12wt%的C、2wt%的Ni、11wt%的Cr、0.9wt%的Si、0.9wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.1wt%的C、1.0wt%的Mo、5wt%的Ni、13wt%的Cr、0.9wt%的Si、0.9wt%的B，余量为Fe。
S1：对工件进行表面处理；
S2：将表面处理后的工件预热至60℃，用型号为DL-T5000型CO2激光器自动送粉装置将上述底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将上述铬层材料升温熔化后涂覆于底层的表面，形成铬层；底层和铬层进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
此时，熔覆功率2900W，激光束扫描线速度8mm/s，光斑直径6mm，离焦量175mm，熔覆材料送粉率7g/s；
S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火；具体地，熔覆完成后，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在100℃，时间为30min。
实施例2
底层的成分包括0.15wt%的C、2wt%的Ni、13wt%的Cr、1.2wt%的Si、1.3wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.15wt%的C、1.5wt%的Mo、7wt%的Ni、17wt%的Cr、1.2wt%的Si、1.2wt%的B，余量为Fe。
S1：对工件进行表面处理；
S2：将表面处理后的工件预热至100℃，用型号为DL-T5000型CO2激光器自动送粉装置将上述底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将上述铬层材料升温熔化后涂覆于底层的表面，形成铬层；底层和铬层进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
此时，熔覆功率3000W，激光束扫描线速度9mm/s，光斑直径7mm，离焦量180mm，熔覆材料送粉率8g/s；
S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火；具体地，熔覆完成后，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在200℃，时间为120min。
实施例3
底层的成分包括0.12wt%的C、2wt%的Ni、11wt%的Cr、1.2wt%的Si、1.3wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.1wt%的C、1wt%的Mo、5wt%的Ni、17wt%的Cr、1.2wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
S1：对工件进行表面处理；
S2：将表面处理后的工件预热至80℃，用型号为DL-T5000型CO2激光器自动送粉装置将上述底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将上述铬层材料升温熔化后涂覆于底层的表面，形成铬层；底层和铬层进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
此时，熔覆功率2950W，激光束扫描线速度8.5mm/s，光斑直径6.5mm，离焦量177mm，熔覆材料送粉率7.5g/s；
S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火；具体地，熔覆完成后，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在150℃，时间为75min。
实施例4
底层的成分包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、14wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
S1：对工件进行表面处理；
S2：将表面处理后的工件预热至80℃，用型号为DL-T5000型CO2激光器自动送粉装置将上述底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成底层；再将上述铬层材料升温熔化后涂覆于底层的表面，形成铬层；底层和铬层进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
此时，熔覆功率2950W，激光束扫描线速度8.6mm/s，光斑直径6mm，离焦量178mm，熔覆材料送粉率7.5g/s；
S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火；具体地，熔覆完成后，采用火焰喷枪对复合涂层进行去应力退火，温度控制在100℃，时间为30min。
对比例1
NiCrAlY的成分包括15wt%的Cr、8wt%的Al、0.5wt%的Y，余量为Ni。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将NiCrAlY熔覆于工件表面。
对比例2
底层的成分包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、1wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将对比例2的底层和烙层熔覆于工件表面。
对比例3
底层的成分包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe。
铬层的成分包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、14wt%的Cr、1wt%的Ni、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将对比例3的底层和烙层熔覆于工件表面。
对比例4
底层包括0.1wt%的C、1wt%的Ni、9wt%的Cr、0.8wt%的Si、0.8wt%的B，余量为Fe；
铬层包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、14wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将对比例4的底层和烙层熔覆于工件表面。
对比例5
底层包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe；
铬层包括0.08wt%的C、0.8wt%的Mo、4wt%的Ni、10wt%的Cr、0.7wt%的Si、0.8wt%的B，余量为Fe。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将对比例5的底层和烙层熔覆于工件表面。
对比例6
底层包括0.1wt%的C、1wt%的Ni、9wt%的Cr、0.8wt%的Si、0.8wt%的B，余量为Fe；
铬层包括0.08wt%的C、0.8wt%的Mo、2wt%的Ni、20wt%的Cr、0.7wt%的Si、0.8wt%的B，余量为Fe。
熔覆工艺采用实施例4的步骤将对比例6的底层和烙层熔覆于工件表面。
将实施例1~4的底层和铬层按照上述的熔覆工艺涂覆在工件表面得到的复合涂层，对实施例1~4的复合涂层进行质量检测，检测结果列于表1中。硬度按GB/T230.1-2004的检测方法进行检测，结合强度按GB/T8642-200的检测方法进行检测。在本实施例中，使用寿命为转子轴颈部位涂层制备好后，开始服役作为起始点，直到涂层失效（脱落，掉块，磨损导致的尺寸不够），所经历的时间。
表1实施例1~4的质量检测结果表
| 结合强度（MPa） | 硬度（HRC） | 使用寿命（小时） | |
| 实施例1 | 冶金结合（远大于70MPa） | 48.5 | 9000小时 |
| 实施例2 | 冶金结合（远大于70MPa） | 53.1 | 8000小时 |
| 实施例3 | 冶金结合（远大于70MPa） | 52.7 | 6000小时 |
| 实施例4 | 冶金结合（远大于70MPa） | 51.3 | 10000小时 |
实验结果的分析：由于是冶金结合，所以按GB/T8642-200标准无法得出具体数值，只能定性判断其结合强度远大于70MPa；硬度值随着Cr含量的增加而增加，由于金属间化合物的形成，脆性也会增加，实施例3中Cr的含量最高硬度高，而Ni的含量最低脆性最大，综合使用寿命较短，使用过程中容易开裂，因此，实施例1~4相比，实施例4的结合强度较高、硬度高，耐磨性能好，而使用寿命最长，因而其综合使用性能最好。
将实施例1~4的复合涂层与对比例1~6的复合涂层技术进行质量检测对比，对比结果列于表2中。
表2实施例1~4与对比例1~6的质量检测结果表
| 结合强度（MPa） | 硬度（HRC） | 使用寿命（小时） | |
| 实施例1 | 冶金结合（远大于70MPa） | 48.5 | 9000小时 |
| 实施例2 | 冶金结合（远大于70MPa） | 53.1 | 8000小时 |
| 实施例3 | 冶金结合（远大于70MPa） | 52.7 | 6000小时 |
| 实施例4 | 冶金结合（远大于70MPa） | 51.3 | 10000小时 |
| 对比例1 | 55MPa | 28 | 3000小时 |
| 对比例2 | 冶金结合（远大于70MPa） | 47.2 | 7000小时 |
| 对比例3 | 冶金结合（远大于70MPa） | 51.2 | 5000小时 |
| 对比例4 | 冶金结合（远大于70MPa） | 51.5 | 6000小时 |
| 对比例5 | 冶金结合（远大于70MPa） | 42.1 | 7000小时 |
| 对比例6 | 冶金结合（远大于70MPa） | 53.6 | 4000小时 |
经对比结果可知，实施例1~4的复合涂层与对比例1相比其硬度高约1倍，结合强度高出很多，使用寿命高约提高约2倍；实施例1~4的复合涂层与对比例2相比，对比例2的铬层Cr含量偏低，硬度降低；实施例1~4的复合涂层与对比例3相比，对比例3的铬层Ni含量偏低，脆性增加，导致使用寿命降低约1倍。实施例1~4的复合涂层与对比例4相比，涂层脆性增加和结合性能降低，导致使用寿命降低。实施例1~4的复合涂层与对比例5相比，涂层脆性和硬度均降低，综合导致使用寿命不太高。实施例1~4的复合涂层与对比例6相比，涂层硬度增加和脆性降低，导致使用寿命大大降低。由此可知，复合涂层必须按照本发明的底层和铬层的元素成份和重量配比配置，才能达到本发明结合强度、硬度更高，使用寿命更长的有益效果。
本发明的复合涂层及其熔覆工艺，可以将厚度大于1mm的复合涂层冶金结合于工件等基体表面，复合涂层的硬度、强度和结合力高，具有优良的耐磨性能，能大大提高工件的服役寿命。另外，本发明的熔覆工艺还具有无污染、生产效率高、能耗低且修复的残余应力小，无加工变形等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合涂层，其特征在于，其包括底层和铬层，
所述底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；
所述铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，
所述底层包括0.13wt%的C、2wt%的Ni、12wt%的Cr、1wt%的Si、1.1wt%的B，余量为Fe；
所述铬层包括0.15wt%的C、1.2wt%的Mo、6wt%的Ni、14wt%的Cr、1.1wt%的Si、1wt%的B，余量为Fe。
3.一种熔覆工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：对工件进行表面处理；
步骤S2：将表面处理后的工件预热至60℃~100℃，将底层材料升温熔化后涂覆于工件的表面形成所述底层；再将铬层材料升温熔化后涂覆于所述底层表面，形成铬层；底层和铬层进行冶金复合，形成具有复合涂层的工件；
步骤S3：对具有复合涂层的工件进行去应力退火，其中，
所述底层的成分包括0.12~0.15wt%的C、2wt%的Ni、11~13wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.3wt%的B，余量为Fe；
所述铬层的成分包括0.1~0.15wt%的C、1.0~1.5wt%的Mo、5~7wt%的Ni、13~17wt%的Cr、0.9~1.2wt%的Si、0.9~1.2wt%的B，余量为Fe。
4.根据权利要求3所述的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S1包括两个分步骤S11和S12，所述步骤S11包括对所述工件进行除锈、整平、毛化处理，所述步骤S12包括对经所述步骤S11处理后的工件的表面进行丙酮清洗，得到干净的工件。
5.根据权利要求3所述的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S2中，选用激光器进行熔覆，工作台为数控机床，利用激光器自动送粉装置把所述底层材料熔覆于所述工件的表面形成所述底层，以及把铬层材料熔覆于所述工件的表面形成所述铬层。
6.根据权利要求5所述的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述底层的熔覆厚度为0.7mm~1mm，所述铬层的熔覆厚度为1.5mm~2mm。
7.根据权利要求6所述的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述底层的熔覆厚度为0.8mm，所述铬层的熔覆厚度为1.5mm。
8.根据权利要求6或7所述的熔覆工艺，其特征在于，激光器熔覆功率为2900W~3000W，激光束扫描线速度为8~9mm/s，光斑直径为6mm~7mm，离焦量175mm~180mm，熔覆材料送粉率7~8g/s。
9.根据权利要求8所述的熔覆工艺，其特征在于，所述激光器熔覆功率为2950W，所述激光束扫描线速度为8.6mm/s，所述光斑直径为6mm，所述离焦量为178mm，所述熔覆材料送粉率为7.5g/s。
10.根据权利要求3所述的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S3中，采用火焰喷枪对所述复合涂层进行去应力退火，温度控制在100℃～200℃，时间为30min~120min。
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