CN103993201A - 一种用于制备镍基非晶复合涂层的合金粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备镍基非晶复合涂层的合金粉末及其制备方法，该粉末按质量百分比由组分Fe为29～32％、B为3～5％、Si为5～7％，Nb为7～9％，C为1～3％，余量为Ni组成。制备方法是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，搅拌后静置3～5分钟出炉，得到合金液；再将合金液注入制粉装置中，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100～300目粉。本发明制备的镍基非晶复合涂层具有高于传统镍基非晶涂层的硬度值，涂层具有良好的力学和摩擦学性能，在对摩擦学性能有较高要求的关键机械零部件上具有良好的应用前景。

Description

一种用于制备镍基非晶复合涂层的合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料表面涂层技术领域，涉及一种用于金属材料表面涂层的材料及制备方法，更具体是涉及一种用于制备NbC颗粒增强镍基非晶复合涂层的合金粉末及其制备方法。
背景技术
激光非晶化技术是用连续激光对待加工零部件表面进行均匀扫描，使零部件表面形成一定厚度的非晶组织，可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，是表面工程技术领域研究的热点之一。Ni基合金由于和基体(碳钢或不锈钢等)满足包括热膨胀系数和熔点相近及润湿性好等激光熔覆材料成分的设计原则，并且所得涂层一般具有良好的韧性、耐冲击性、耐蚀性、抗氧化性、高温自润滑作用和适中的价格，更适于激光熔覆制备非晶涂层，因此，近年来国内外学者多侧重于这些合金体系开展研究。然而由于镍基合金的特点，所得涂层的硬度一般较低。例如，西北工业大学李金山等采用激光熔覆方式制备了Ni-Zr-Ti-Si-Sn-Nb非晶涂层，其显微硬度最大值为828HV，大连理工大学王存山等采用Ni-Zr-Al粉末在镁合金表面制备了镍基非晶涂层，其显微硬度最大值为930HV。于2013年6月26日中国知识产权局公开的《一种用于高速电弧喷涂制备NiCrBMoSiFe-Ni/C非晶纳米晶自润滑减摩涂层的粉芯丝材》制备的涂层硬度约为600HV。而于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》中的铁基非晶纳米晶的显微硬度值最高可达到1380HV。因此可以看出镍基涂层的硬度和铁基非晶涂层的硬度还有一定的差距，低的硬度降低了涂层的耐磨性能，也限制了镍基涂层的具体应用。
发明内容
本发明的目的为解决上述现有技术存在的问题和不足，主要针对激光熔覆镍基非晶涂层硬度相对较低的问题，提供一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末及其制备方法。
本发明是通过合金成分设计，在非晶基体中引入NbC颗粒相，以镍、铁、硼、硅、铌和碳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NbC颗粒相增强镍基非晶复合涂层。从而进一步提高涂层的硬度，改善涂层的摩擦学性能，并且实现对NbC颗粒相含量的初步控制。
为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，按质量百分比由组分Fe为29～32％、B为3～5％、Si为5～7％，Nb为7～9％，C为1～3％，余量为Ni组成，总质量比为100％。
上述所述粉末的粒度为100～300目。
上述所述粉末为球形、近球形或类球形。
为达到上述目的，本发明实现目的所采取的另一个技术方案是：
本发明的用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
1、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，搅拌后静置3～5分钟出炉，得到合金液；
2、将合金液注入制粉装置中，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100～300目粉末。
其中，所述惰性气体为氩气。
本发明的用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末采用激光熔覆制备法或激光重熔制备法制备镍基非晶复合涂层。
其中，所述的激光熔覆制备法制备镍基非晶复合涂层的方法是：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800W，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12L/min。
所述激光重熔制备法制备镍基非晶复合涂层的方法是：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8m/min。
通过上述方法制备得到的NbC颗粒相增强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和NbC晶体相组成，涂层硬度较高，达到1272HV0.5～1313HV0.5，并且涂层NbC相颗粒的体积含量随Nb元素和C元素的增加而增加。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果在于：
1、经氩气雾化所得粉末为球状、近球形或类球形，有利于激光熔覆过程中的送粉过程；
2、制备的涂层除了具有非晶相外，还存在一定体积含量的NbC相，因此涂层有较高的显微硬度，达到1272HV0.5～1313HV0.5，提高了涂层的摩擦学性能；
3、本发明粉末的应用范围广，通过合理的工艺调整，可适用于等离子喷涂等其它非晶复合涂层的制备。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的镍基合金粉末形状；
图2为本发明实施例1中制备的涂层截面的扫描电镜像；
图3为本发明实施例1中制备的涂层截面的透射电镜像；
图4为本发明实施例1中制备的镍基涂层的扫描电镜像；
图5为本发明实施例3中制备的镍基涂层的扫描电镜像。
具体实施方式
为充分、清楚地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作说明，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
实施例1
一、质量百分比含量配方
一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，按质量百分比由30.4％的Fe、3.0％的B、6.1％的Si，7.3％的Nb，1.4％的C，余量为Ni组成，组分总质量比为100％。
二、制备方法
1、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，搅拌后静置3～5分钟出炉，得到合金液；
2、将合金液注入制粉装置中，在氩气保护下或者真空状态下雾化合金，将合金制备成100～300目粉末。
三、有益效果
经雾化以后所得粉末的微观形貌如图1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，粉末的粒度为100目～300目。
四、涂层的制备方法
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12L/min。
图2为所得激光重熔层截面的显微组织扫面电镜照片，图中在灰色的基体上弥散分布着一定数量的白色颗粒相，其中基体为非晶相，颗粒为NbC相。图3为重熔层截面的透射电镜图，可以发现形成的颗粒在微观上为方块状，经对基体和颗粒相分别进行衍射分析，发现分别为非晶相和NbC颗粒相。对照片中颗粒所占面积计算可得，涂层中NbC颗粒的体积含量约为2％。证明在激光重熔层内获得了具有NbC颗粒相增强的非晶复合组织。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度平均值为1272HV0.5，此硬度值超过了无NbC颗粒相的镍基非晶涂层的硬度值，可有力提高非晶涂层的摩擦学性能。
实施例2
一、按质量百分比含量配方
一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，按质量百分比由29.8％的Fe、3.8％的B、6.6％的Si，7.9％的Nb，2.2％的C，余量为Ni组成，组分总质量比为100％。
二、制备方法同实施例1。
三、有益效果
经雾化以后所得粉末的粒度为100～300目。
四、涂层的制备方法
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12L/min。
图4为所得激光重熔层的截面显微组织扫描电镜照片，图中在灰色的基体上弥散分布着一定数量的白色颗粒相，其中基体为非晶相，颗粒为NbC相。对照片中颗粒所占面积计算可得，涂层中NbC颗粒的体积含量约为2.2％。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度的平均值为1294HV0.5，此硬度值超过了无NbC颗粒相的镍基非晶涂层的硬度值，可有力提高非晶涂层的摩擦学性能。
实施例3
一、按质量百分比含量配方
一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，按质量百分比由31.8％的Fe、4.6％的B、6.8％的Si，8.4％的Nb，2.8％的C，余量为Ni组成，组分总质量比为100％。
二、制备方法同实施例1。
三、有益效果
经雾化以后所得粉末的粒度为100～300目。
四、涂层的制备方法
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12L/min。
图5为所得激光重熔层截面的显微组织扫面电镜照片，图中在灰色的基体上弥散分布着一定数量的白色颗粒相，其中基体为非晶相，颗粒为NbC相。证明在激光重熔层内获得了具有非晶相和NbC颗粒相共存的非晶复合组织。对照片中颗粒所占面积计算可得，涂层中NbC颗粒的体积含量约为2.3％。采用显微硬度仪对涂层的硬度进行测量发现其显微硬度的平均值为1313HV0.5，此硬度值超过了无NbC颗粒相的镍基非晶涂层的硬度值，可有力提高非晶涂层的摩擦学性能。

Claims (5)

1.一种用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，其特征在于，按质量百分比由组分Fe为29～32％、B为3～5％、Si为5～7％，Nb为7～9％，C为1～3％，余量为Ni组成，总质量比为100％。
2.根据权利要求书1所述的用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，其特征在于，所述粉末的粒度为100目～300目。
3.根据权利要求书1所述的用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末，其特征在于，所述粉末为球形、近球形或类球形。
4.一种如权利要求1～3任一所述的用于制备镍基非晶复合涂层的镍基合金粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)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，搅拌后静置3～5分钟出炉，得到合金液；
(2)将合金液注入制粉装置中，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100～300目粉末。
5.根据权利要求书4所述的镍基合金粉末的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
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