CN104561720B - 一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料表面工程领域，特别涉及一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法。本发明制备的熔覆层材料的熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18‑25at％，W为45‑62at％，Ni为14‑37at％。其制备方法为，将Si、W及Ni三种单元素粉末球磨、混合，然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；不锈钢基体表面进行清洗、打磨、擦净并吹干；粘糊状合金粉末均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干、干燥，采用激光熔覆技术，激光束垂直于基体表面扫描。通过本制备方法得到的基体表面的熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合、不易脱落、硬度高、耐磨性好。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程领域，特别涉及一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法。
背景技术
激光熔覆技术是通过在基材的表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，与基体形成冶金结合的熔覆涂层的一种新型表面改性技术。它通过采用“涂层+基体”模式，在低成本基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层，既可形成几微米至几毫米厚且比较均匀的强化涂层，又可使强化涂层与被强化材料之间实现冶金结合，可以有针对性地提高材料的相关表面性能，是一种应用前景广阔的有效强化手段。与常规热处理相比，激光熔覆能够进行局部处理，而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。
利用激光熔覆能制备出新型耐高温氧化、热腐蚀、磨损和冲蚀涂层材料，可以用来修复和强化耐磨耐蚀部件。目前已经有钛合金表面激光熔覆Ni-Ti-Si涂层、A3钢表面激光熔覆Ni-Cr-Si涂层的专利，但是其高温耐磨性能并不好。不利于零件在高温条件下服役。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨激光熔覆层材料，是在不锈钢零件表面制备Si/W/Ni的合金涂层，显著提高了不锈钢零件的高温耐磨性，拓宽了不锈钢的使用范围。
本发明的另一个目的是提供上述耐磨激光熔覆层材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：在不锈钢基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18-25at％，W为45-62at％，Ni为14-37at％。优选的，所述熔覆层厚度为0.5-2mm。
上述耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其步骤包括，
(1)将粒径为100-300目的Si、W及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；
(2)不锈钢基体表面进行清洗、打磨、擦净并吹干；将步骤(1)中的粘糊状合金粉磨均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干，在150-200℃的下干燥2-3小时；优选的，所述不锈钢基体为1Cr18Ni9Ti不锈钢。
(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保护，气流量为15-25L/min，激光功率为2500-3500W，扫描速度为800-1500mm/min，离焦量为25-65mm。
所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2-3:0.5-2。优选的，所述Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2.5-2.8:0.7-1.8。合适的Si、W及Ni三种单元素粉末的加入量配比，决定了复合相的组分，有利于充分吸收激光，熔化合金粉末，形成稀释率低且与基体冶金结合的Ni基硅化物涂层。
所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素的复合粉末和二丙酮醇的加入量配比为1-20g：10mL。优选的，Si、W及Ni三种单元素的复合粉末和二丙酮醇的加入量配比为15g：10mL。
所述步骤(2)中，惰性气体为氩气。
所述步骤(2)中，干燥后的不锈钢基体表面的涂覆层的厚度为0.8-1.6mm。涂覆层的厚度决定了形成涂层质量。二丙酮醇为有机粘结剂，在激光加工过程中要燃烧，汽化。若涂覆层太厚容易引起熔覆层气孔、裂纹等缺陷；涂覆层太薄制备的熔覆层可能因为太薄而无实际应用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过本制备方法得到的基体表面的熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合，熔覆层厚度达到0.5-2mm，其与金属基体表面的粘结力强，不易脱落。
(2)本发明制备的耐磨激光熔覆层材料具有较高的硬度，其硬度达到996HV，耐磨性比不锈钢基体提高了4～6倍，对于钢铁材料的表面改性和修复效果极为显著，拓宽了钢铁的应用领域。
(3)本制备方法简单、工艺可控度高。
附图说明
图1为实施例1中的制得的激光熔覆层的形貌图。
图2为实施例1中的制得的激光熔覆层的SEM图。
图3为实施例2中的制得的激光熔覆层的SEM图。
图4为实施例1和实施例2中的激光熔覆层的XRD分析图。
图5为实施例1和实施例2中的激光熔覆层及不锈钢基体的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
(1)、将Si、W和Ni三种粒径为200目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：19％Si、48％W、33％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1.5小时，得到均匀的混合粉体；
(2)、将1Cr18Ni9Ti不锈钢基体，尺寸为：50mm×50mm×10mm，表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；
(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入10mL的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为190℃，其涂覆层的厚度为1.5mm。
(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到耐磨激光熔覆层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为2700W，扫描速度为900mm/min，离焦量为40mm。
熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体结合良好，如图1所示。
高倍组织SEM照片如图2所示，结合图4中XRD分析结果可以发现，熔覆层中存在未熔的W颗粒，浅色的花瓣状枝晶及胞状晶为W5Si3、WSi2复合相，深色区域主要为Ni2Si及Ni基固溶体。本实施例的熔覆层的EDS分析结果如表1所示。
表1：EDS分析结果表
对所制备的耐磨激光熔覆层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，载荷为30N，摩擦半径4mm，摩擦时间为60min。摩擦系数曲线如图5所示。
实施例2
(1)、将Si、W和Ni三种粒径为150目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：22％Si、59％W、19％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1小时，得到均匀的混合粉体；
(2)、将1Cr18Ni9Ti不锈钢基体表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；
(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入10mL的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干1.5小时，干燥温度为150℃，其涂覆层的厚度为1.2mm。
(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到耐磨激光熔覆层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为3400W，扫描速度为1200mm/min，离焦量为35mm。
高倍组织SEM照片如图3所示，结合图4中XRD分析结果可以发现，浅色的花瓣状枝晶及胞状晶为W5Si3、WSi2复合相，深色区域主要为W、Ni2Si及Ni基固溶体。
本实施例的熔覆层的EDS分析结果如表2所示：
表2：EDS分析结果表
对所制备的耐磨激光熔覆层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，载荷为30N，摩擦半径4mm，摩擦时间为60min。摩擦系数曲线如图5所示。
综上所述，本实施例制备的耐磨激光熔覆层材料具有较高的硬度、优异的高温耐磨性，对于钢铁材料的表面改性效果极为显著。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：在不锈钢基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18-25at％，W为45-62at％，Ni为14-37at％。
2.根据权利要求1所述的耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：所述熔覆层厚度为0.5-2mm。
3.权利要求1或2所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其步骤包括，
(1)将粒径为100-300目的Si、W及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；
(2)不锈钢基体的表面进行打磨、清洗、擦净并吹干；将步骤(1)中的粘糊状合金粉末均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干，在150-200℃的条件下干燥2-3小时；
(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保护，气流量为15-25L/min，激光功率为2500-3500W，扫描速度为800-1500mm/min，离焦量为25-65mm。
4.根据权利要求3所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2-3:0.5-2。
5.根据权利要求4所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2.5-2.8:0.7-1.8。
6.根据权利要求3所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素的复合粉末和二丙酮醇的加入量配比为1-20g：10mL。
7.根据权利要求3所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，干燥后的不锈钢基体表面的涂覆层的厚度为0.8-1.6mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Peilei Inventor after: Liu Xiaopeng Inventor after: Lu Yunlong Inventor after: Wen Qianyi Inventor after: Zhuang Qiaoqiao Inventor after: Nie Yunpeng Inventor after: Li Lei Inventor before: Liu Xiaopeng Inventor before: Zhang Peilei Inventor before: Lu Yunlong |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170201 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |