CN103060725A

CN103060725A - 一种镍基非晶合金粉末和镍基非晶复合涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103060725A
Application number: CN2013100254198A
Authority: CN
Inventors: 李瑞峰; 李铸国; 朱彦彦; 黄坚
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种可以获得镍基非晶复合涂层的镍基非晶合金粉末及非晶复合涂层的激光制备方法，镍基非晶合金粉末主要由Ni、Fe、B、Si和Nb等5中元素组成，该粉末具有较强的非晶形成能力；采用同轴送粉的方式将镍基非晶合金粉末在低碳钢表面制备激光熔覆涂层，再采用高速激光重熔的方式制备非晶复合涂层。本发明制备的镍基非晶复合涂层具有良好的致密度，非晶体积含量高，硬度值高。这种涂层在耐磨、耐蚀、防辐射等领域具有极好的应用前景。

Description

一种镍基非晶合金粉末和镍基非晶复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种表面涂层技术领域的材料及方法，尤其涉及一种具有强非晶形成能力的镍基非晶合金粉末，以及镍基非晶复合涂层的激光制备方法。

背景技术

非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。目前，非晶合金材料还没有大范围推广应用，主要是其制备工艺过程难以控制，在实际中很难制备大块非晶材料，其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等低维度形状上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其应用，在绝大部分条件下不能作为结构材料使用。通过表面工程技术在传统材料表面获得一层非晶涂层可以大大提高其表面硬度、耐蚀及耐磨性能，在材料表面改性领域具有十分巨大的潜在应用价值，目前受到国内外学者的广泛重视，是当前表面工程技术领域研究的热点之一。

目前，非晶纳米晶涂层的制备方法主要有物理气相沉积法（PVD）、溅射法、辉光放电、离子注入、电化学沉积法和热喷涂技术等来实现。这些技术在一定程度上促进了非晶涂层的发展，但又存在一定的局限性。例如，物理气相沉积法仅能得到博得沉积膜，而且沉积速度比较慢，效率低；热喷涂技术所得涂层不完全致密，存在少量间隙，并且涂层中纳米晶的形成还需要对涂层进行后热处理。关于非晶纳米晶涂层的制备也有相关报道。例如，中国知识产权局2010年8月6日公开的《铁基非晶纳米晶涂层的激光制备方法》发明专利申请公开说明书中公开了一种铁基非晶纳米晶涂层的激光制备方法，以铁、镍、硅、硼和铌等单质元素粉末混合后作为熔覆粉末成分，利用CO₂激光熔覆技术在低碳钢表面制备出铁基非晶涂层，最终形成具有高硬度和优异耐磨性能的铁基非晶纳米晶涂层。在采用CO₂激光进行制备时，由于激光热量分布为高斯分布，不可避免的会造成母材的大量熔化提高熔覆层的稀释率而改变其名义成分，最终导致涂层的非晶含量较低；同时，由于采用的粉末为单质元素混合，容易导致在激光熔覆时Si、B和Nb等易氧化单质元素的烧损，也会导致涂层的非晶含量降低。并且，镍基涂层由于其具有更好的塑韧性结合，因此制备镍基非晶复合涂层也比制备铁基非晶纳米晶涂层更可能实现工程应用。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种镍基非晶合金粉末及其制备方法，并提供一种镍基非晶复合涂层的激光制备方法。以镍、铁、硼、硅和铌等单质混合并在氩气保护下雾化成非晶合金粉末，利用激光加工方法获得致密的冶金结合并具有较高非晶体积含量的镍基非晶复合涂层。

本发明提供了一种镍基非晶合金粉末，其特征在于，按重量百分比计量其成分为，包括30-33%Fe、3-5%B、5-7%Si，7-9%Nb，余为Ni。

所述粉末为球形、近球形或类球形。

所述粉末为完全非晶态或者晶化体积分数小于10%。

所述粉末的粒度为100目~350目。

一种如上所述的镍基非晶粉末的制备方法，按所述合金成分进行配料，将配好的原材料预热后装入电炉中熔化，待温度升至1450~1550℃时加入脱氧剂，排气、清渣，然后加入稀土合金，搅拌后静置3~5分钟出炉，将合金液注入脂粉装置中，在惰性气体保护下或者真空状态下雾化合金，将合金制备成100~350目粉末。

优选地，所述惰性气体为氩气。

一种如权利要求1所述的镍基非晶粉末复合涂层的激光制备方法，其中，在激光熔覆时将镍基粉末经同轴送粉的方式送粉，在氩气保护气氛中熔覆制成镍基合金熔覆层，再经激光重熔制备成镍基非晶复合涂层。

优选地，所述的激光熔覆制备镍基涂层是指：设定激光功率为700W~900W，光斑为3.3mm×2mm的长方形，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为12~15L/min。

优选地，所述的激光重熔是指，在重熔时选用的激光功率为3500W，氩气保护气流量为15L/min，重熔时激光扫描速度为6m/min~9m/min。

一种镍基非晶复合涂层，其中，其非晶体积含量较高，微观结构由非晶基体及γ(Fe,Ni)相和NbC晶体相等组成。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将雾化所得非晶合金粉末采用同轴送粉的方式送粉，在氩气保护气氛中在低碳钢表面制成镍基合金涂层，再经激光重熔制成镍基非晶复合涂层。

所述的镍基非晶合金粉末，该镍基非晶合金粉末的重量百分比计量，其成分为：30-33%Fe、3-5%B、5-7%Si，7-9%Nb，余量为Ni。

所述的镍基非晶合金粉末制备的雾化方法是指：按上述合金成分进行配料，将配好的原材料预热后装入电炉中熔化，待温度升至1450~1550℃时加入脱氧剂，排气、清渣，然后加入稀土合金，搅拌后静置3~5分钟出炉，将合金液注入脂粉装置中，在惰性气体保护下或者真空状态下雾化合金，将合金制备成100~350目粉末。所得粉末为球形、近球形或类球形，获得非晶合金粉末为完全非晶态或者晶化体积分数小于10%。

所述的激光熔覆制备镍基合金涂层是指：将合金粉末在氩气保护下通过同轴送粉器送入激光光束下方熔化，在基材表面凝固形成熔覆层。激光功率为700W～900W，光斑为3.3mm×2mm的长方形，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为12~15L/min。

所述激光重熔是指：在熔覆层获得良好成形的基础上（熔覆层具有一定的高度并且其稀释率较低），对所得熔覆涂层在氩气保护下进行激光重熔，重熔时为获得较深的重熔层深度和重熔后液态合金的冷却速度。在重熔时，选用的激光功率为3500W，氩气保护气流量为15L/min，重熔时激光扫描速度为6m/min～9m/min。

通过上述方法制备得到的镍基非晶复合涂层具有较高的非晶体积含量，微观结构由非晶基体及γ(Fe,Ni)相和NbC晶体相等组成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：（a）镍基熔覆粉末具有较强的非晶形成能力；（b）经雾化所得粉末为球状、近球形或类球形，便于提高激光熔覆过程中送粉的流畅性；（c）由于使用雾化粉末，可极大避免在熔覆过程中单质元素的烧损；（d）所得涂层具有较高的非晶体积含量和显微硬度；（e）本发明方法的应用范围广，通过合理的工艺调整，也可适用于其它非晶复合涂层的制备。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的镍基非晶粉末宏观形貌；

图2是本发明的一个较佳实施例的镍基非晶粉末X射线衍射图谱；

图3是本发明的一个较佳实施例的镍基涂层的扫描电镜像；

图4是本发明的一个较佳实施例的镍基涂层的X射线衍射图谱；

图5是本发明的另一个较佳实施例的镍基涂层的扫描电镜像；

图6是本发明的另一个较佳实施例的镍基涂层的X射线衍射图谱；

图7是本发明的另一个较佳实施例的镍基涂层的扫描电镜像；

图8是本发明的另一个较佳实施例的镍基涂层的X射线衍射图谱。

具体实施方式

实施例1，选用的粉末成分为（按重量百分比）：32.4%Fe、4.4%B、6.3%Si，8.2%Nb，余量为Ni，经雾化以后所得粉末的宏观形貌和X射线衍射图谱如图1和图2所示，由图1可知，其所得粉末粒度比较均匀，并且绝大部分都为球状，这样可保证激光熔覆送粉时的流动性，粉末的力度为100目~350目。粉末的XRD图谱（图2）主要表现为漫散射峰，因此认为粉末主要由非晶相组成，仅有少量晶体相，经计算晶体相数量约为5%。这一方面说明本研究中给出的合金体系具有较高的非晶形成能力；另一方面，说明在粉末制备过程中保证了粉末的成分十分接近给定的名义成分。

先用激光熔覆在低碳钢表面上制备镍基合金激光熔覆涂层，然后对涂层表面进行激光快速重熔处理。激光熔覆参数为：激光功率为800W，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为15L/min。激光重熔时的参数为：激光功率为3500W，重熔时激光扫描速度为8m/min，保护气流量为15L/min。

图3为所得激光重熔层的显微组织扫面电镜照片，其表现为没有明显晶界的基体上分布着很多白色的颗粒相的微观形貌，其基体为非晶相的典型特征，白色点状相主要为NbC。图4为涂层X射线衍射图谱及其分析结果。可以发现涂层在44°(2θ)角附近出现漫散射包（宽化现象），也就是说在这些重熔层内生成了非晶相组织。同时在图4中的XRD测试结果中也出现部分尖锐峰，表明在涂层内部也出现了晶体相。这些晶体峰经和标准图谱进行比对，分别标定为γ(Fe,Ni)和NbC相。对涂层X射线衍射图谱进行分析和计算可得该涂层的非晶体积含量为62%。证明在激光重熔层内获得了具有较高非晶体积含量的非晶复合组织。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度为1207HV_0.5，此硬度值超过了传统镍基涂层的硬度值，可极大的提高涂层的耐磨性能。

实施例2，选用的粉末成分为（按重量百分比）：30.4%Fe、3.6%B、5.2%Si，7%Nb，余量为Ni。经雾化以后所得粉末的粒度为100~350目。先用半导体激光熔覆在低碳钢表面上制备镍基合金激光熔覆涂层，然后对涂层表面进行激光快速重熔处理。激光熔覆参数为：激光功率为700W，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为15L/min。激光重熔时的参数为：激光功率为3500W，重熔时激光扫描速度为8m/min，保护气流量为15L/min。

图5为所得激光重熔层的显微组织扫面电镜照片，其表现为没有明显晶界的基体上分布着很多白色的颗粒相的微观形貌，其基体为非晶相的典型特征，白色点状相主要为NbC。图4为涂层X射线衍射图谱及其分析结果。可以发现涂层在44°(2θ)角附近出现漫散射包（宽化现象），也就是说在这些重熔层内生成了非晶相组织。同时在图4中的XRD测试结果中也出现部分尖锐峰，表明在涂层内部也出现了晶体相。这些晶体峰经和标准图谱进行比对，分别标定为γ(Fe,Ni)和NbC相。对涂层X射线衍射图谱进行分析和计算可得该涂层的非晶体积含量为63%。证明在激光重熔层内获得了具有较高非晶体积含量的非晶复合组织。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度为1214HV_0.5，此硬度值超过了传统镍基涂层的硬度值，可极大的提高涂层的耐磨性能。

实施例3，选用的粉末成分为（按重量百分比）：32.4%Fe、4.4%B、6.3%Si，8.2%Nb，余量为Ni。经雾化以后所得粉末的粒度为100~350目。先用半导体激光熔覆在低碳钢表面上制备镍基合金激光熔覆涂层，然后对涂层表面进行激光快速重熔处理。激光熔覆参数为：激光功率为700W，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为15L/min。激光重熔时的参数为：激光功率为3500W，重熔时激光扫描速度为7m/min，保护气流量为15L/min。

图7为所得激光重熔层的显微组织扫面电镜照片，可以发现获得的涂层非常致密，无裂纹、气孔等缺陷的存在。组织上表现为没有明显晶界的基体上分布着很多白色的颗粒相的微观形貌，其基体为非晶相的典型特征，白色点状相主要为NbC；同时在激光重熔层内也出现了部分等轴晶组织，主要是γ(Fe,Ni)。图4为涂层X射线衍射图谱及其分析结果。可以发现涂层在44°(2θ)角附近出现漫散射包（宽化现象），也就是说在这些重熔层内生成了非晶相组织。同时在图8中的XRD测试结果中也出现部分尖锐峰，表明在涂层内部也出现了晶体相。这些晶体峰经和标准图谱进行比对，分别标定为γ(Fe,Ni)和NbC相。对涂层X射线衍射图谱进行分析和计算可得该涂层的非晶体积含量为51.5%。证明在激光重熔层内获得了具有较高非晶体积含量的非晶复合组织。此时非晶体积含量有所降低，是由于激光重熔时扫描速度降低导致的。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度为1157HV_0.5，此硬度值超过了传统镍基涂层的硬度值，可极大的提高涂层的耐磨性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种镍基非晶合金粉末，其特征在于，按重量百分比计量其成分为，包括30-33%Fe、3-5%B、5-7%Si，7-9%Nb，余为Ni。

2.如权利要求1所述的镍基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末为球形、近球形或类球形。

3.如权利要求1所述的镍基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末为完全非晶态或者晶化体积分数小于10%。

4.如权利要求1所述的镍基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末的粒度为100目~350目。

5.一种如权利要求1所述的镍基非晶粉末的制备方法，其特征在于，按所述合金成分进行配料，将配好的原材料预热后装入电炉中熔化，待温度升至1450~1550℃时加入脱氧剂，排气、清渣，然后加入稀土合金，搅拌后静置3~5分钟出炉，将合金液注入脂粉装置中，在惰性气体保护下或者真空状态下雾化合金，将合金制备成100~350目粉末。

6.如权利要求5所述的镍基非晶粉末的制备方法，所述惰性气体为氩气。

7.一种如权利要求1所述的镍基非晶粉末复合涂层的激光制备方法，其特征在于，在激光熔覆时将镍基粉末经同轴送粉的方式送粉，在氩气保护气氛中熔覆制成镍基合金熔覆层，再经激光重熔制备成镍基非晶复合涂层。

8.如权利要求7所述的镍基非晶粉末复合涂层的激光制备方法，所述的激光熔覆制备镍基涂层是指：设定激光功率为700W~900W，光斑为3.3mm×2mm的长方形，激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，保护气流量为12~15L/min。

9.如权利要求7所述的镍基非晶粉末复合涂层的激光制备方法，其特征在于，所述的激光重熔是指，在重熔时选用的激光功率为3500W，氩气保护气流量为15L/min，重熔时激光扫描速度为6m/min~9m/min。

10.一种镍基非晶复合涂层，其特征在于，通过权利要求书7~9中任一所述的激光制备方法制备得到，其非晶体积含量较高，微观结构由非晶基体及Fe,Ni相和NbC晶体相等组成。