CN104357839A - 一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法 - Google Patents

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雷剑波
王植
赵冬梅
陈小明
顾振杰
王云山
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

本发明提出了一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法。其特征在于，包括以下步骤：步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；步骤二：使用烘干机烘干镍基合金粉末，烘干温度200℃，时间1.5小时；步骤三：采用预置粉末方式，将碳纤维放置在基体上，再将烘干后的镍基合金粉末铺在基体表面，预置粉末层厚度为1mm～5mm；步骤四：使用高功率半导体激光器熔覆，激光输出功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距325mm，扫描速度分别为8mm/s、16mm/s，保护气体为氩气。

Description

一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，涉及一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法。 
背景技术
激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点，如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。因此，20世纪80年代以来，激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在诸多工业领域获得应用。 
激光熔覆工艺和熔覆层性能决定了激光熔覆技术的应用。激光熔覆层的形成过程是一个复杂的物理化学过程和熔体快速凝固过程。在此过程中，影响激光熔覆层成形质量和性能的因素复杂，其中，激光熔覆材料是一个主要因素。 
按熔覆材料的初始供应状态，熔覆材料可分为粉末状、膏状、丝状、棒状和薄板状，其中应用最广泛的是粉末状材料。按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。自熔性合金粉末是指具有强烈脱氧和自熔作用的硅、硼等元素的合金粉末。常用的自熔性合金粉末包括铁基、钴基和镍基三种自熔性合金。其中，铁基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗磨性能好，但与镍基、钴基自熔性合金粉末相比，铁基自熔性合金粉末存在自熔性较差、熔覆层易开裂、易氧化、易产生气孔等缺点；钴基自熔性合金粉末具有良好的高温性能和耐蚀耐磨性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合；镍基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光熔覆材料中研究最多、应用最广。它主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度比熔覆铁基合金的略高。 
高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性，是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 
目前，高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种，具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，具有优异的力学性能。 
随着科技的发展，碳纤维的应用领域与日俱增，它们除了广泛应用于航空航天等高技术领域，还可用在文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。此外，在开发不用润滑油的轴承、 齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面有很好的前景。 
碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的环境中，在一定张力、温度、压强下，经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。 
碳纤维的抗拉强度一般都在3500MPa(1.2N/tex～1.9N/tex)以上，比钢材(0.35N/tex)大4倍～5倍，比强度为钢材的10倍左右，碳纤维的体积质量为1.50g/cm3～2.16g/cm3，相当于钢材(7.8g/cm3)的1/4，铝合金(2.72g/cm3～2.82g/cm3)的1/2，钛合金(4.5g/cm3)的1/3。 
碳纤维性能独特，例如其热膨胀系数较小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂，碳纤维的耐酸性较好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等腐蚀，并且碳纤维可加工性能较好，由于碳纤维及其织物质量轻又可折可弯，可适应不同的构件形状，成型较方便，可根据受力需要黏贴若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需要采用临时固定，而且对原结构又无损伤。 
用碳纤维复合材料代替金属，已经在化工、机电、造船、特别是航天航空工业中得到广泛应用。例如：用碳纤维屑加塑料制成的轴承，摩擦系数小，抗磨蚀性好，甚至可用在重型轧机上；用碳纤维与聚四氟乙稀制成的复合材料密封圈具有耐热、耐磨和耐腐蚀的特点，适用于高压化工泵和液压系统的密封；碳纤维复合材料制作的齿轮，重量轻、强度高，完全可以代替金属而又无须用润滑剂等。 
在纤维金属基复合材料中，纤维绝大多数情况下是作为承载组分，而金属基体主要起黏结纤维″传递载荷″部分承载的作用。由于性能优良的连续纤维加入，使得复合材料具有轻质，比强度、比模量高，耐磨性强，耐高温性能好，导电、导热性好，抗疲劳，抗老化等优良的综合性能，在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景。 
激光熔覆材料是制约激光熔覆技术发展和应用的主要因素，而目前，纤维金属基复合材料在激光熔覆领域的研究应用几乎没有，因此，提出新的激光熔覆材料的制备方法极为重要。 
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法，丰富激光熔覆材料的制备工艺种类，开拓新思路。 
本发明所采用的技术方案是，其特征在于，包括以下步骤： 
步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹； 
步骤二：使用烘干机烘干镍基合金粉末，烘干温度200℃，时间1.5小时； 
步骤三：采用预置粉末方式，将碳纤维放置在基体上，再将烘干后的镍基合金粉末铺铺在基体表面，预置粉末层厚度为1mm～5mm。 
步骤四：使用高功率半导体激光器熔覆，激光输出功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距325mm。扫描速度分别为8mm/s、16mm/s，保护气体为氩气。 
步骤二、三中的镍基合金粉末粒度为-140～325目。 
本发明的有益效果是： 
1、本发明提出了一种新的激光熔覆复合涂层的制备工艺，丰富了目前复合涂层制备工艺的种类，开拓了新思路； 
2、碳纤维强度高、体积小、质量轻、性能独特、稳定，并且价格便宜，易于获得； 
3、镍基粉末具有良好的润湿性、耐腐蚀性及高温自润滑作用，可以得到性能优良的熔覆层； 
4、激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。 
附图说明
图1是实例一熔覆层整体微观形貌图； 
图2是实例二熔覆层整体微观形貌图； 
图3是实例一熔覆层碳纤维处的SEM金相图； 
图4是实例一与实例二熔覆层宏观形貌图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 
实例一： 
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，在其表面加工出0.5(深)×1.0(宽)mm的V型槽，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹； 
(2)使用烘干机烘干镍基合金粉末，烘干温度200℃，时间1.5小时； 
(3)采用预置粉末方式，将碳纤维放置在V槽底部，再将烘干后的镍基合金粉末铺入V槽，预置粉末层厚度为1.5mm。 
(4)使用高功率半导体激光器熔覆，激光输出功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距325mm。扫描速度分别为8mm/s，保护气体为氩气。所得熔覆层微观形貌如图1所示； 
实例二： 
(1)选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，在其表面加工出0.5(深)×1.0(宽)mm的V型槽，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹； 
(2)使用烘干机烘干镍基合金粉末，烘干温度200℃，时间1.5小时； 
(3)采用预置粉末方式，将碳纤维放置在V槽底部，再将烘干后的镍基合金粉末铺入V槽，预置粉末层厚度为1.5mm。 
(4)使用高功率半导体激光器熔覆，激光输出功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距325mm。扫描速度分别为16mm/s，保护气体为氩气。所得熔覆层微观形貌如图2所示。 

Claims (2)

1.一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法。其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取45#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，在其表面加工出0.5(深)×1.0(宽)mm的V型槽，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；
步骤二：使用烘干机烘干镍基合金粉末，烘干温度200℃，时间1.5小时；
步骤三：采用预置粉末方式，将碳纤维放置在V槽底部，再将烘干后的镍基合金粉末铺入V槽，预置粉末层厚度为1mm～5mm；
步骤四：使用高功率半导体激光器熔覆，激光输出功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距325mm，扫描速度分别为8mm/s、16mm/s，保护气体为氩气。
2.如权利要求1所述的一种激光熔覆碳纤维与镍基合金复合材料涂层的制备方法，其特征在于，步骤二、三中的镍基合金粉末粒度为-140～325目。
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