CN104005021B - 一种超音速激光沉积低应力涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，将合适粒度和形状的硬质相颗粒和软质相颗粒按照一定的比例进行球磨混合，混合后的粉末颗粒在经过预处理的不同材质和形状的基体上进行超音速激光沉积，得到涂层。本技术方案，软质相均匀分布在高硬度涂层中，且具有较大的塑性变形，可以吸收消除涂层中的内应力，从而获得致密、无裂纹的涂层。此外，在涂层与基体界面处，原位生成软质相富集层，为高硬度涂层与基体的结合起到了过渡的作用，显著提高了涂层/基体的界面结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及超音速激光沉积技术领域，具体涉及一种原位消除超音速激光沉积高硬度涂层内应力并同时提高涂层与基体结合力的方法。
背景技术
冷喷涂亦称冷气体动力学喷涂(Cold Gas Dynamic Spray,CGDS)，它是以压缩气体(氦气、氮气、空气或混合气体等)为加速介质，携带固态颗粒进入拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)内产生超音速气-固两相流，固态颗粒经过加速后以极高的速度(大于等于其临界沉积速度)碰撞基体表面，使颗粒和基体同时发生强烈的塑性变形而形成涂层的一种新型喷涂技术。与热喷涂相比，冷喷涂技术的一个显著特点是无需将喷涂颗粒加热至熔融状态，喷涂过程中颗粒不易发生氧化、烧损、相变、晶粒长大等现象，因此冷喷涂涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，尤其适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的涂层制备。
但是，单纯的冷喷涂技术尚存在以下缺点：1)制备高质量涂层时，需要使用高压氦气，致使成本大大提高；2)对于硬度较高的颗粒(如铁基、镍基、钴基等)，很难实现有效沉积；3)涂层与基体的结合机制主要是机械咬合，因此涂层结合力较差。
为了实现高硬度颗粒的沉积、提高涂层与基体的结合力以及降低冷喷涂技术的使用成本，近些年来人们开始把激光引入冷喷涂技术(即超音速激光沉积技术)，通过激光辐射对冷喷涂颗粒、基体或者两者同时起到软化的效果，改善其材料力学性能和碰撞沉积状态，从而提高冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度。由于激光的加热作用，喷涂颗粒的临界沉积速度大大降低，从而可以降低冷喷涂工艺中的工作气体压力和加热温度，而且可以实现高硬度材料(如铁基、镍基、钴基等)涂层的制备，拓宽了冷喷涂涂层的材料范围。
虽然相比冷喷涂技术而言，超音速激光沉积技术已经实现了高硬度颗粒的有效沉积、提高了涂层结合力、降低了涂层孔隙率，但是在高硬度涂层制备过程中依然存在以下缺点：1)当沉积颗粒硬度超过50HRC时，由于高硬度颗粒塑性变形不充分，涂层存在孔隙；2)由于激光的加热作用，高硬度涂层内应力大，容易产生开裂；3)由于高硬度涂层与基体的热膨胀系数、硬度等特性不同，涂层与基体结合力差，涂层容易剥落；4)由于受到喷涂零件材质、大小的限制，很难利用其它热处理方法去除涂层内应力。
因此，需要开发一种易于操作、简单可控以及成本低廉的消除超音速激光沉积高硬度涂层内应力并同时提高涂层与基体结合力的方法。
发明内容
针对超音速激光沉积技术制备高硬度涂层存在的上述不足，本发明的目的是提供一种简单、可靠且易于推广应用的原位去除超音速激光沉积高硬度涂层内应力并提高涂层与基体结合力的方法。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，包括如下步骤：
1)选择硬质相颗粒M和软质相颗粒N：硬质相颗粒M的硬度大于400HV0.3，粒度为10～20μm；软质相颗粒N的硬度小于100HV0.3，粒度为30～50μm；硬质相颗粒M和软质相颗粒N的形状均为球形或类球形；
2)采用球磨法制备按比例混合的硬质相M和软质相N的复合粉末；软质相颗粒N的添加量为硬质相颗粒M和软质相颗粒N重量总和的5％～20％；
3)对基体进行预处理；
4)采用超音速激光沉积方法在经过预处理的基体上喷涂混合均匀的复合粉末，得到涂层。
本方案将合适粒度和形状的硬质相颗粒和软质相颗粒按照一定的比例进行球磨混合，混合后的粉末颗粒在经过预处理的不同材质和形状的基体上进行超音速激光沉积实验，得到涂层。软质相均匀分布在高硬度涂层中，且具有较大的塑性变形，可以吸收消除涂层中的内应力，从而获得致密、无裂纹的涂层。此外，在涂层与基体界面处，原位生成软质相富集层，为高硬度涂层与基体的结合起到了过渡的作用，显著提高了涂层/基体的界面结合强度。
作为优选，所述硬质相颗粒M为Ni/Co/Fe基硬质颗粒中的一种或几种。进一步优选，所述硬质相颗粒M为Ni45、Ni60、Stellite6、9Cr18中的一种或几种。
作为优选，软质相颗粒N为包括Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Al、Ni25的纯金属或软质合金颗粒中的一种或几种。
作为优选，所述步骤2)中，球磨法为行星式球磨或振动式球磨。进一步优选，所述行星式球磨的球料比为30～100:1，球磨转速为200～500r/min，球磨时间为2～24h，球磨气氛为氮气或氩气。进一步优选，所述振动式球磨的球料比为30～100:1，振动频率为1200r/min，球磨时间为20～60min，球磨气氛为氮气或氩气。
作为优选，所述基体为任意形状的铁基材料。
作为优选，所述步骤3)中，基体预处理方法为喷砂粗化或超声波表面清洗。
作为优选，所述步骤4)中，超音速激光沉积方法采用半导体激光，波长为960～1100nm，功率密度3～5×105W/cm2，扫描速度10～50mm/s；冷喷涂载气压力2～3MPa，载气预热温度300～600℃，喷涂距离15～40mm，送粉量40～80g/min，载气为压缩空气或氮气中的一种。
本发明与现有技术相比，具有的有益技术效果如下：
(1)在不同硬度基体上获得结合力良好的高硬度涂层；
(2)提高了高硬度涂层的喷涂厚度，改善高硬度涂层在激光热作用下内应力较大的问题，防止了高硬度涂层太厚容易剥落的缺点；
(3)涂层中软质相均匀分布，且有较明显的塑性变形，有效缓冲涂层中的残余应力，起到消除涂层内应力、提高涂层致密度、防止高硬度涂层开裂等问题；
(4)利用硬质相颗粒和软质相颗粒大小、硬度、物理特性不同的特点，在喷涂时产生不同的颗粒运动状态，从而在高硬度涂层与基体间原位生成软质相富集过渡层，提高涂层结合力和涂层抗疲劳性能。
附图说明
图1是实施例1的金相图(Ni60/Ni复合涂层的宏观形貌)；
图2是实例1的金相图(软质相Ni颗粒在复合涂层中的分布情况)；
图3是实例1的金相图(软质相Ni颗粒富集层)；
图4是实例1的金相图(软质相Ni富集层与基体的界面结合)；
图5是实例5中Ni60+30％Ni激光熔覆涂层宏观形貌图；
图6是实例5中Ni60+30％Ni激光熔覆涂层硬度曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和依照本发明的技术方案作出具体事例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。
实例1：
选取粒度为10～20μm的硬质相颗粒Ni60，粒度为30～50μm的软质相颗粒Ni，粉末形状为球形或椭球形；按照质量比15％的比例添加软质相Ni颗粒，接着在行星式球磨机中对复合粉末进行机械合金化，球料比为40:1，球磨时间为2h，转速为500r/min，获得混合均匀的Ni60/Ni复合粉末；然后利用激光超音速沉积技术制备涂层，基体选择100×50×10mm的45#钢板，喷涂前对基体表面用24#白刚玉喷砂处理；冷喷涂载气为压缩氮气，氮气预热温度为500℃，氮气压力3MPa，送粉量50g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为30mm/s，喷涂区域激光同步加热，激光功率密度为3×105W/cm2；制备涂层厚度约400μm，无宏观裂纹，如图1所示；软质相Ni颗粒在涂层中均匀分布，且具有较大的塑形变形，涂层致密无裂纹，如图2所示；涂层与基体结合处形成约100μm的Ni富集层，为涂层与基体的结合起到了过渡的作用，如图3所示；Ni富集层与基体界面结合良好，如图4所示，有效提高了高硬度涂层与基体的结合力以及其抗疲劳性能。
实例2：
选取粒度为10～20μm的硬质相颗粒stellite6，粒度为30～50μm的软质相颗粒Co，粉末形状为球形或椭球形；按照质量比10％的比例添加软质相Co颗粒，接着在行星式球磨机中对复合粉末进行机械合金化，球料比为30:1，球磨时间为3h，转速为400r/min，获得混合均匀的stellite6/Co复合粉末；然后利用激光超音速沉积技术制备涂层，基体选择100×50×10mm的不锈钢板，喷涂前对基体表面用24#白刚玉喷砂处理；冷喷涂载气为压缩氮气，氮气预热温度为550℃，氮气压力3MPa，送粉量50g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为30mm/s，喷涂区域激光同步加热，激光功率密度为4×105W/cm2；制备涂层厚度大于400μm，无宏观裂纹；涂层中软质相Co颗粒分布均匀，且具有较大的塑形变形，涂层致密无裂纹；涂层与基体结合处形成约100μm的Co富集层，与基体具有良好结合。
实例3：
选取粒度为10～20μm的硬质相颗粒Ni45，粒度为30～50μm的软质相颗粒Co，粉末形状为球形或椭球形；按照质量比15％的比例添加软质相Co颗粒，接着在行星式球磨机中对复合粉末进行机械合金化，球料比为30:1，球磨时间为3h，转速为600r/min，获得混合均匀的Ni45/Co复合粉末；然后利用激光超音速沉积技术制备涂层，基体选择45#钢棒，喷涂前对基体表面用24#白刚玉喷砂处理；冷喷涂载气为压缩氮气，氮气预热温度为400℃，氮气压力2.5MPa，送粉量50g/min，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为30mm/s，喷涂区域激光同步加热，激光功率密度为3×105W/cm2；制备涂层厚度大于400μm；涂层中软质相Co颗粒分布均匀，且具有较大的塑形，涂层致密无裂纹；涂层与基体结合处形成约100μm的Co富集层，与基体具有结合良好。
实例4：
选取粒度为10～20μm的硬质相Ni45/Ni60复合颗粒，粒度为30～50μm的软质相颗粒Ni，粉末形状为球形或椭球形；按照质量比15％的比例添加软质相Ni颗粒，接着在振动式球磨机中对复合粉末进行机械合金化，球料比为60:1，球磨时间为60min，振动频率为1200r/min，获得混合均匀的Ni60/Ni45/Co复合粉末；然后利用激光超音速沉积技术制备涂层，基体选择100×50×10mm的不锈钢板，喷涂前对基体表面用24#白刚玉喷砂处理；冷喷涂载气为压缩氮气，氮气预热温度为500℃，氮气压力3MPa，送粉量50g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为30mm/s，喷涂区域激光同步加热，激光功率密度为3×105W/cm2；制备涂层厚度大于400μm；涂层中软质相Ni颗粒分布均匀，且具有较大的塑形，涂层致密无裂纹；涂层与基体结合处形成约100μm的Ni富集层，与基体具有结合良好。
实例5(对比例)：
选取粒度为50～100μm的硬质相Ni60复合颗粒，粒度为50～100μm的软质相颗粒Ni，粉末形状为球形或椭球形；按照质量比30.wt％的比例添加软质相Ni颗粒，接着在振动式球磨机中对复合粉末进行机械混合，球料比为30:1，球磨时间为30min，振动频率为1200r/min，获得混合均匀的Ni60/Ni复合粉末；然后利用激光熔覆技术制备涂层，基体选择100×50×10mm的45#钢板，熔覆前对基体表面用24#白刚玉喷砂处理；激光熔覆采用氩气保护，激光功率为1.2kW，扫描速度8mm/s，送粉速率15g/min；熔覆制备涂层宏观形貌产生大量显微裂纹，如图5所示；且熔覆过程中Ni颗粒熔入涂层组织，Ni颗粒的熔入导致涂层的硬度显著降低且分布不均匀，如图6所示。相比激光超音速沉积技术，熔覆制备涂层无法保留涂层中的Ni颗粒，起不到缓冲涂层内应力的作用。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选择硬质相颗粒M和软质相颗粒N：硬质相颗粒M的硬度大于400HV0.3，粒度为10～20μm；软质相颗粒N的硬度小于100HV0.3，粒度为30～50μm；硬质相颗粒M和软质相颗粒N的形状均为球形或类球形；
2)采用球磨法制备按比例混合的硬质相颗粒M和软质相颗粒N的复合粉末；软质相颗粒N的添加量为硬质相颗粒M和软质相颗粒N重量总和的5％～20％；
3)对基体进行预处理；
4)采用超音速激光沉积方法在经过预处理的基体上喷涂混合均匀的复合粉末，得到涂层；
其中，所述硬质相颗粒M为Ni/Co/Fe基硬质颗粒中的一种或几种；所述软质相颗粒N为包括Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Al的纯金属或软质合金颗粒中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述硬质相颗粒M为Ni45、Ni60、Stellite6、9Cr18中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述步骤2)中，球磨法为行星式球磨或振动式球磨。
4.根据权利要求3所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述行星式球磨的球料比为30～100:1，球磨转速为200～500r/min，球磨时间为2～24h，球磨气氛为氮气或氩气。
5.根据权利要求3所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述振动式球磨的球料比为30～100:1，振动频率为1200r/min，球磨时间为20～60min，球磨气氛为氮气或氩气。
6.根据权利要求1所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述基体为任意形状的铁基材料。
7.根据权利要求1所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述步骤3)中，基体预处理方法为喷砂粗化或超声波表面清洗。
8.根据权利要求1所述的一种超音速激光沉积低应力涂层的方法，其特征在于，所述步骤4)中，超音速激光沉积方法采用半导体激光，波长为960～1100nm，功率密度3～5×105W/cm2，扫描速度10～50mm/s；冷喷涂载气压力2～3MPa，载气预热温度300～600℃，喷涂距离15～40mm，送粉量40～80g/min，载气为压缩空气或氮气中的一种。
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