CN105112909A

CN105112909A - 一种添加CeO2的铁基Cr3C2激光熔覆涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN105112909A
Application number: CN201510609285.3A
Authority: CN
Inventors: 斯松华; 刘自龙; 贺文文; 王振兴; 张磊
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui Masteel Surface Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: CN105112909B

Abstract

本发明公开了一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层及其制备方法，属于表面改性技术领域。本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末65％～73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％～34％和CeO₂粉末0.5％～1％；上述激光熔覆涂层的制备包括以下步骤：粉末的配制、混合均匀及烘干、涂层的制备和后处理。通过使用本发明的技术方案，能够提高激光熔覆铁基Cr₃C₂合金涂层的硬度、耐磨性和高温抗氧化性能，还能显著改善铁基Cr₃C₂复合涂层的成型质量及熔覆性能，抑制和消除气孔、裂纹的产生。

Description

一种添加CeO2的铁基Cr3C2激光熔覆涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，更具体地说，涉及一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层及其制备方法。

背景技术

材料表面的磨损和腐蚀是造成工程零部件失效的主要原因，每年由于磨损和腐蚀给各国造成了较大的经济损失，因此，提高材料的表面性能，尤其是提高其耐磨性和抗氧化性就至关重要。激光熔覆技术作为表面强化和材料保护方法之一，它是以高能量密度激光束为热源，通过在普通金属基体表面熔敷一层具有特殊性能的合金粉末，从而可以显著改善基体金属的表面性能，大大延长零件的使用寿命。与其他表面改性技术，如热喷涂、焊接、镀层等相比，激光熔覆技术具有熔敷率高、稀释率低、粉末适用范围广、基体受到的热影响小、不易变形等优点，且所得熔覆层组织晶粒细小，与基体之间呈牢固冶金结合。因此，激光熔覆技术已被广泛应用于零件表面微观结构和成分的改良，以提高其耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性等性能。

目前，国内外研究学者通常选用Ni基、Co基和Fe基自熔性合金粉末作为激光熔覆涂层材料，其中，Ni基和Co基合金具有良好的高温性能和抗氧化性，但它们均属稀缺金属，成本较高。Fe基合金的来源较为广泛、价格低廉，耐磨性较好，且目前需要进行修复及表面改性处理的工程零件也主要是钢铁材料，采用Fe基合金作为熔覆材料，涂层与基体之间的相容性和润湿性良好，同时降低了对稀释率的严格要求，有利于激光熔覆工艺的控制。因此，研究和开发Fe基合金系列的激光熔覆涂层有利于减少战略性稀有元素的用量、降低加工成本，具有重要的科研意义和实践价值。

但在一些比较苛刻的工作环境下，单纯的Fe基合金涂层并不能满足使用要求，国内外学者通常采用向Fe基合金粉末中添加一定含量的高熔点碳化物、氮化物、硼化物或氧化物陶瓷颗粒，制成金属基陶瓷复合涂层以进一步提高熔覆层的硬度、耐磨性、抗氧化性等性能，其中以碳化物陶瓷和氧化物陶瓷的添加为主。而激光熔覆涂层中使用较多的碳化物陶瓷主要为WC和TiC，WC和TiC的添加在一定程度上能够细化涂层的组织，提高熔覆层的硬度、耐磨性等性能，但目前为止，对于激光熔覆Fe基陶瓷复合涂层的研究主要集中在提高涂层的硬度、耐磨性等方面，而对涂层的熔覆性及成型性，如气孔、裂纹等缺陷则关注较少，从而使涂层的使用性能有所下降，且目前对Fe基涂层高温性能的提高也处于实验研究阶段，有待进一步改善。

如，中国专利申请号为201410652414.2，申请日为2014年11月14日的申请案公开了一种铁基碳化钛激光熔覆涂层的制备方法，该申请案以45#钢作为激光熔覆的基体，以质量百分比分别为10％、20％、30％、40％和50％的碳化钛粉末与铁基合金粉末的混合粉末作为熔覆材料，使用高功率半导体激光器进行激光熔覆，其中激光功率为3000W，所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370，扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。该申请案在一定程度上能够改善基体金属表面的耐磨、耐蚀和耐热性能，但由于TiC的熔点较高，在激光熔覆过程中熔解量较少，难以获得硬质相弥散分布的熔覆层，且其熔敷性、与基体金属的润湿性均较差，熔敷时熔池的流动性不好，导致成形不良，所得涂层与基体的结合较差，且熔敷层在长时间使用时也易出现裂纹。又如，中国专利申请号为201410835692.1，申请日为2014年12月30日的申请案公开了一种铁基镍包碳化钨激光熔覆材料的制备方法，该申请案选取45钢作为熔覆基体，选用质量百分比为30％的镍包碳化钨粉末与70％的铁基合金粉末组成的混合粉末作为熔覆材料，使用高功率半导体激光器进行激光熔覆来制备熔覆涂层，但由于WC与铁基合金粉末的相容性相对较差，涂层中易产生裂纹，且WC粉末在激光熔覆过程中易发生“沉底”现象，涂层中可以看到较大颗粒未熔WC的存在，这些大颗粒未熔WC在磨损过程中易从涂层中剥落下来，从而易导致涂层产生大面积剥落，耐磨性较差。此外，以WC和TiC作为陶瓷添加相时所得涂层的高温抗氧化能力也相对较差。

大量研究表明，稀土氧化物具有细化晶粒、净化晶界，提高材料的韧性和高温性能的作用，其中，常用的稀土氧化物主要有La₂O₃、Y₂O₃、CeO₂、In₂O₃等。关于通过加入稀土氧化物来提高合金涂层性能的研究已有相关公开，如，中国专利申请号为201310247604.1的专利公开了一种含稀土元素的NbC颗粒增强铁基耐磨激光熔覆涂层及制备方法，该申请案中采用原位合成方法产生NbC颗粒，并通过稀土CeO₂的添加在一定程度上提高了铁基激光熔覆层的硬度，但其涂层组织以树枝晶为主，组织粗大且分布不均匀，因而所得铁基合金涂层的耐磨性、高温抗氧化性均较差。

因此，进一步研究出一种耐磨性、耐蚀性、韧性及高温抗氧化性等综合性能良好，且同时又具有优良的成型性和熔覆性能的激光熔覆铁基合金涂层及其制备方法就具有重要的意义。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有激光熔覆铁基合金涂层的成型性和熔覆性能相对较差，熔覆过程中易产生气孔和裂纹等质量缺陷，从而影响铁基合金涂层的使用性能的不足，提供了一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层及其制备方法。通过使用本发明的技术方案，能够制备出耐磨性、韧性及高温性能等综合性能良好，且同时具有优良的成型性和熔覆性能的激光熔覆铁基合金涂层，从而提高了熔覆层的综合使用性能，延长了表面改性工件的使用寿命，有利于减少战略性稀有元素钴和镍的用量，降低了生产成本。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末65％～73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％～34％和CeO₂粉末0.5％～1％，其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.07％～0.09％、Cr15％～18％、Ni5％～6.5％、Si2.0％～2.8％、B0.7％～1.0％、Mo0.5％～0.6％，Fe为余量。

更进一步地，该涂层由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：Fe基自熔性合金粉末68％～71％、Cr₃C₂合金粉末28％～31％和CeO₂粉末0.8％～1％。

更进一步地，该涂层由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：Fe基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29.2％和CeO₂粉末0.8％。

更进一步地，所述的Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，Fe为余量。

更进一步地，所述的Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中，Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％。

更进一步地，所述的Fe基自熔性合金粉末的粒度为60～120μm，Cr₃C₂合金粉末的粒度为50～110μm，CeO₂粉末的粒度为60～100nm。

本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其步骤为：

步骤一、基板预处理：

除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，并对其表面进行打磨，保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于150～200℃下烘干2.5～3.5h；

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称量以下三种组分：铁基自熔性合金粉末65％～73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％～34％和CeO₂粉末0.5％～1％，将称好的三种粉末进行混合分散均匀得到熔覆用复合粉末，然后将复合粉末置于烘箱中于120～150℃下烘干1.5～2h；

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，采用CO₂激光器进行激光熔覆，熔敷过程中使用Ar气进行保护；

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于150～200℃的保温炉中保温1.5～2.5h后随炉冷却。

更进一步地，步骤二中将称好的三种粉末进行混合分散均匀是通过先在研钵中进行手动研磨1～2h，然后采用球磨机进行机械球磨1.5～2h来实现的，球磨机的转速为250r/min。

更进一步地，步骤三中粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，预置涂层的厚度为1～2mm；其中，火棉胶的加入量为4～6ml/100g复合粉末。更进一步地，步骤三中激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5-7mm，激光功率2.2～2.4kW，多道搭接量2.5～3mm，扫描速率160～185mm/min。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由铁基自熔性合金粉末、Cr₃C₂合金粉末和CeO₂粉末混合均匀后经激光熔覆制备的，通过向铁基自熔性合金粉末中添加Cr₃C₂合金粉末和CeO₂粉末，并通过大量实验研究对各组分的含量进行优化控制，使所得铁基合金涂层的组织更加均匀和细化，确保熔覆层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性和韧性等综合性能得到显著改善的条件下，仍能保持优良的成型性和熔覆性能，熔覆层与基体冶金结合良好，基本消除了气孔、裂纹等质量缺陷。

(2)本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其所用Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，本发明通过对Fe基自熔性合金粉末中的C、Cr含量进行进一步优化控制，使之与Cr₃C₂的含量相适应，从而使所得激光熔覆涂层中含Cr碳化物的数量和分布形态得到有效优化，使涂层的硬度、耐磨性与韧性实现了良好结合，且Ni的添加有助于改善熔覆合金的流动性，少量Mo的添加进一步改善了涂层的磨损性能及润湿性。而Fe基自熔性合金粉末中的Si、B与CeO₂共同作用，有助于熔覆过程中进行脱氧、脱硫，可有效防止气孔的产生，并对Si、B的添加量进行控制，从而可降低熔覆层的收缩率，减少裂纹的产生。

(3)本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，复合粉末中CeO₂粉末的粒度为60～100nm，该稀土CeO₂集稀土、纳米特性于一体，从而有效抑制了柱状晶的生长，使熔覆层组织得到进一步细化与均匀化，提高了熔覆层的韧性、耐磨性和高温性能，并使稀土元素净化晶界、抑制气孔和裂纹产生的功能得到进一步提高。

(4)本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，激光熔覆前将基板和复合粉末均置于烘箱中进行烘干处理，一方面能够去除粉末和钢板表面的水蒸气，减少熔覆过程中气孔的产生，另一方面还可以减少基板与熔覆层之间的温差，降低熔覆层冷缩产生的热应力，防止熔覆层裂纹的产生。发明人还通过大量实验研究，对激光熔覆过程中的各种工艺参数进行优化控制，使Cr₃C₂粉末的熔解量、未熔Cr₃C₂的含量和尺寸及先共晶碳化物的分布形态、尺寸等均得到有效优化，从而使熔覆层的硬度、耐磨性与韧性实现了良好结合，进一步提高了熔覆层的综合性能和表面宏观质量。

(5)本发明的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，选用粉末预置方式进行激光熔覆，其中以火棉胶作为粘结剂，并控制火棉胶的加入量，从而可以避免熔覆过程中熔覆粉末发生“飞溅”现象，使熔覆层与基板之间实现良好的冶金结合，且避免火棉胶添加量较多时易导致大量气孔产生，从而影响熔覆层的成型性能。

附图说明

图1(a)为对比例1所得涂层的表面宏观形貌；

图1(b)为本发明实施例1所得涂层的表面宏观形貌；

图2(a)为对比例1所得涂层的底部典型金相显微组织；

图2(b)为对比例1所得涂层的中部典型金相显微组织；

图2(c)为本发明实施例1所得涂层的底部典型金相显微组织；

图2(d)为本发明实施例1所得涂层的中部典型金相显微组织；

图3为对比例1与本发明实施例1所得涂层的截面显微硬度曲线；

图4为对比例1与本发明实施例1所得涂层的磨损失重对比图；

图5(a)为对比例1所得涂层的滑动磨损表面形貌；

图5(b)为本发明实施例1所得涂层的滑动磨损表面形貌；

图6为对比例1与本发明实施例1所得涂层的氧化增重曲线对比图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29.2％和CeO₂粉末0.8％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为70μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

本实施例中，向铁基自熔性合金粉末中添加Cr₃C₂合金粉末作为陶瓷增强相，一方面，这些Cr₃C₂粒子在激光束的作用下发生部分熔解，使熔池中的C、Cr含量增加，从而使C和Cr的固溶量明显增加，固溶强化作用大大增强；另一方面，添加的Cr₃C₂由于熔点较高存在部分未熔，这些未熔Cr₃C₂以及C和Cr在凝固过程中重新结合形成的新的含Cr化合物均可以作为异质形核的核心，大大增加了形核率，细化了组织，使细晶强化作用和弥散强化作用均有所增强，从而使熔覆层的硬度、耐磨性、抗氧化性等性能均得到明显提高。上述Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，从而可以提高Cr₃C₂颗粒与Fe基合金的润湿性，有利于提高涂层的质量。而复合粉末中CeO₂的加入一方面能够促进Cr₃C₂的熔解，进一步增强固溶强化作用，且使涂层中先共晶碳化物与未熔Cr₃C₂的形态及数量均发生明显变化；另一方面还能够增加非自发形核的核心，阻碍柱状晶的长大，进一步增强了细晶强化作用。CeO₂的添加还能够改善熔化合金的流动性与润湿性，防止气孔和裂纹的产生，有利于形成一个光滑的完整表面，使组织更加致密与均匀，显著改善了熔覆层的成型性与熔覆性能，基本消除了气孔、裂纹等质量缺陷。发明人经过大量实验研究，对熔覆粉末中各组分的含量进行优化控制，并根据Cr₃C₂的含量对Fe基自熔性合金粉末中的C、Cr含量进行优化设计，从而使涂层中先共晶碳化物的数量和分布形态得到有效优化，防止大颗粒和长条状碳化物的产生，从而使熔覆层在具有较高硬度、耐磨性和高温抗氧化性下仍能保持良好的韧性。本实施例中，Fe基自熔性合金粉末中的Si、B则与CeO₂共同作用，有助于熔覆过程中进行脱氧、脱硫，可有效防止气孔的产生，并对Si、B的添加量进行控制，从而可降低熔覆层的收缩率，减少裂纹的产生，进一步保证了熔覆层的成型质量。

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其步骤为：

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于150℃下烘干3.5h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29.2％和CeO₂粉末0.8％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，Fe为余量，且其粒度约为70μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨2h，然后采用球磨机进行机械球磨1.5h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于120℃下烘干2h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为4ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为2mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于烘箱中于200℃下烘干2h，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5mm，激光功率2.2kW，多道搭接量2.5mm，扫描速率185mm/min。

值得说明的是，由于与WC、TiC及其他碳化物陶瓷相比，Cr₃C₂的熔点适中，具有高硬度、高耐磨性等特点，与铁基合金的相容性相对较好，且Cr是强碳化物形成元素，在一定程度上能够有效提高熔覆层的耐蚀性及抗高温氧化性。因此，发明人曾研究了添加20％Cr₃C₂对激光溶覆铁基合金涂层组织与性能的影响(斯松华,陈娟,等.激光熔覆Cr₃C₂/Fe复合涂层的组织与磨损性能,安徽工业大学学报,2008,25(4):367-370)。结果表明，添加20％Cr₃C₂在一定程度上能够提高Fe基合金涂层的硬度和耐磨性，发明人在研究中还发现添加20％Cr₃C₂的Cr₃C₂/Fe复合涂层的高温抗氧化性明显优于添加WC、TiC的Fe基合金涂层，但涂层的硬度、耐磨性和高温抗氧化性等性能并不能满足严苛环境下的使用要求，还有待进一步提高。因此，发明人不断改变Cr₃C₂的含量，结果发现当Cr₃C₂含量较低时，涂层的韧性及成型性相对较好，涂层中气孔、裂纹等质量缺陷也较少；而在一定范围内，随着Cr₃C₂含量的增加，涂层的硬度、耐磨性和高温抗氧化性等性能均可以得到一定提高，但涂层中的先共晶碳化物较粗大，其韧性明显下降，易出现裂纹倾向，且在激光熔覆过程中，熔覆粉末易发生“飞溅”，所得涂层的成型性和熔覆性能较差，涂层中存在大量气孔，且与基体的结合较差，易从基体上剥落下来。因此，如何保证涂层在具有较高的硬度、耐磨性基础上仍然能保持优良的韧性、成型性及熔覆性能就成了困扰发明人最大的难题。

基于国内外学者关于稀土氧化物在表面改性方面的研究，发明人试图通过向Cr₃C₂/Fe复合粉末中添加稀土氧化物来改善熔覆层的成型性与熔覆性能。虽然理论上激光熔覆可以用于制备各种金属基陶瓷复合涂层，但由于不同物质之间的相容性及热物理特性不同，并不是将稀土氧化物与陶瓷材料及金属粘接剂进行任意组合就能够获得耐磨性、抗氧化性、高温性能等综合性能良好，且成型美观，无气孔、裂纹等质量缺陷的熔覆层，且添加物的种类、含量及熔覆层中各组织的分布状态、种类等都会影响熔覆层的性能。因此当发明人向Cr₃C₂/Fe复合粉末中添加La₂O₃、Y₂O₃和In₂O₃时，即使改变熔覆粉末中各组分的含量并对激光熔覆过程中的各工艺参数进行调整，结果仍不理想。此外，研究表明，激光功率、激光扫描速度、光斑尺寸、涂层材料的添加方式、涂层材料的保护手段、搭接率和前后热处理等激光熔覆工艺也都将直接决定所得激光熔覆层的宏观形貌、显微组织结构和力学性能。因此，当发明人直接采用申请号为201410652414.2的中国专利中的CeO₂含量时，由于CeO₂含量相对较高且为纳米尺寸，从而降低了熔池中熔体的流动性；纳米CeO₂在机械混合时难以充分混合均匀，团聚较严重，且与其它成分形成的内部夹杂物较多，造成熔覆层内部组织致密度减小，导致熔覆层的硬度和耐磨性的下降，且仍有许多气孔产生。发明人通过长期大量的实验研究，根据各组分的性质及在激光熔覆过程中的特性对熔覆粉末中各组分的含量、铁基自熔性合金粉末中各元素的含量以及激光熔覆工艺参数进行优化控制，并对Cr₃C₂及CeO₂粉末中不同粒度粉末的质量百分比进行优化设计，从而可以使熔解Cr₃C₂与未熔Cr₃C₂的比例以及先共晶碳化物的尺寸、数量与分布状态实现最佳匹配，使所得熔覆层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性与韧性实现良好结合，且同时能够确保熔覆层的成型性与熔覆性能得到明显改善。此外，在采用预置方式添加熔覆合金粉末时，粘结剂的种类及用量对熔覆层的成型质量同样重要，当粘结剂选择不当或添加量不合适时，同样可能在熔化过程中产生气孔或发生“飞溅”，发明人通过对预置粉末时粘结剂种类及含量的选择，进一步保证了熔覆层的成型质量，减少了气孔及“飞溅”的发生。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于200℃的保温炉中保温1.5h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于熔覆粉末是由70％的铁基自熔性合金粉末与30％Cr₃C₂合金粉末组成，其他实验条件完全相同。

观察并比较对比例1制得的涂层与本实施例所得涂层的成型质量，并对两种涂层分别进行硬度、耐磨性及高温抗氧化性测试，实验方法及结果如下。

(1)、熔覆层成型质量

如图1(a)和图1(b)所示分别为对比例1和本实施例制备的激光熔覆涂层的表面宏观形貌对比，由图可以看出，对比例1中制备的激光熔覆涂层表面较粗糙，存在严重的褶皱现象和较大气孔，涂层表面裂纹较多，其成型性较差。而采用本实施例的方法所制备涂层的表面宏观质量良好，成型美观，表面平整、连续光滑，且无裂纹、气孔等质量缺陷。

(2)激光熔覆涂层组织观察

分别在对比例1与本实施例的激光熔覆试样上沿垂直于激光扫描方向的横截面截取试样进行显微组织观察，试样尺寸约为15mm×15mm×10mm。使用砂轮机将两个试样的待观察面粗磨打平，然后用金相砂纸由粗到细将试样磨光，直到看不见明显划痕；然后进行抛光，完毕后先水洗再用酒精清洗并吹干；最后使用王水作为腐蚀剂对试样进行腐蚀。将腐蚀后的两试样采用Axiovert40MAT型光学显微镜(OM)进行组织形貌观察。如图2(a)和图2(b)所示分别为对比例1制备的激光熔覆涂层底部和中部的金相显微组织，图2(c)和图2(d)所示分别为本实施例制备的激光熔覆涂层底部和中部的金相显微组织，由图可以看出，对比例1所得涂层的组织主要由大量杆状的先共晶碳化物组成，其碳化物较粗大且分布不均匀，且涂层底部存在较多的大块状未熔Cr₃C₂(图2(a)中的白亮色颗粒)，而本实施例所得涂层组织中粗大杆状碳化物数量大大减少，先共晶碳化物明显细化和均匀化，在涂层中弥散分布，其共晶组织也更加细密，且涂层底部大块状未熔Cr₃C₂的数量明显减少。

(3)激光熔覆涂层硬度与耐磨性测试

在对比例1与本实施例所得激光熔覆试样上分别截取尺寸为15mm×15mm×10mm的长方体块状试样作为硬度测试试样，截取尺寸为30mm×6.5mm×6.5mm的试样作为磨损试样，且15mm×15mm和30mm×6.5mm面为涂层待测试表面。将两涂层的硬度试样使用砂轮机将待测试面粗磨打平，然后用金相砂纸由粗到细将试样磨光，并进行抛光处理，完毕后先水洗再用酒精清洗并吹干。采用国产HV-1000型显微硬度计测量两涂层的显微硬度，加载载荷为0.98N，载荷持续时间20s，观察视场为400倍。沿熔覆层剖面从顶部至基材依次每隔0.2mm打一个点，用打三条平行轨迹取平均值的方法，以减少随机误差。在MM-200环－块磨损试验机上进行滑动磨损试验，试验加载载荷为30kg，试验机转速200r/min，磨损时间45分钟，用1:50乳化液作为冷却液，磨辊环为环状试块，其尺寸为外径40mm，内径16mm，厚度10mm，材料为模具钢表面激光熔覆WC_P/Ni基涂层。如图3所示为两试样涂层的截面显微硬度分布曲线图，由图可以看出，相对于对比例1，本实施例所得涂层的截面显微硬度得到明显提高，提高幅度达15.4％。图4所示为上述两种涂层的滑动磨损失重对比图，由图可以看出，本实施例所得涂层的磨损失重相对于对比例1明显减少。图5(a)和图5(b)所示分别为两种涂层的磨损表面形貌，由图可以看出，对比例1所得涂层磨损表面存在严重的脆性剥落迹象，能观察到明显的脆性剥落坑，且磨损表面存在明显的裂纹，而本实施例所得涂层的磨损表面十分平整且无裂纹，无脆性剥落存在，犁沟细而且浅，磨痕比较均匀，属轻微磨损，耐磨性较好。因此，相对于对比例1，本实施例所得涂层的硬度及耐磨性均得到明显提高。

(4)高温抗氧化性试验

从对比例1和本实施例的激光熔覆试样上分别截取试样，经砂轮磨平、砂纸磨光、抛光，最终尺寸为10mm×10mm×1mm，其中涂层厚度保留为1mm。然后用丙酮清洗，以去除表面油污，再用酒精清洗并吹干。高温氧化性能试验参照GB/T13303-91进行，用间断称重法来比较不同涂层的抗氧化性，氧化介质为静止空气，试验温度为850℃，在箱式电阻炉内进行。将试样置于预先灼烧恒重的氧化铝坩埚中，然后用盖子盖上，以防止其它物质落入其中，而影响称重结果的准确度。每隔24h称重一次，共持续120h。每次到时间后，将氧化试样连同坩埚一起放入干燥器中冷却至室温，用感量为0.1mg的分析天平进行称量，多次称量，直到数据稳定不变，并计算试样氧化后的增重△W。如图6所示为两种涂层的氧化增重对比图，由图可以看出，相对于对比例1，本实施例所得涂层的氧化增重速度明显变慢，其高温抗氧化性得到显著改善，从而优化了工件在高温环境下的服役性能并延长了其工作寿命。

Cr₃C₂合金粉末熔解产生的Cr以及铁基自熔性合金粉末中的Cr均使涂层中的Cr含量大幅增加，氧化时易形成Cr₂O₃氧化物，而Cr₂O₃氧化膜熔点高，结构致密，能够阻碍氧向内扩散，具有保护作用。而纳米CeO₂的添加一方面细化了涂层组织、提高了涂层组织的致密度和均匀性，另一方面纳米CeO₂熔点较高，氧化初期，弥散分布的CeO₂微粒可以作为Cr₂O₃的形核核心，从而促进了致密Cr₂O₃膜的快速形成以及氧化晶粒的细化，增强了致密氧化物与基体组织之间的结合力，从而使涂层的高温抗氧化能力得到明显提高。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于激光熔覆所采用的激光功率为2.0kW，多道搭接量3.5mm，扫描速率200mm/min，且粉末预置时火棉胶的加入量为2.5ml/100g复合粉末，熔覆粉末中各组分的含量及其他工艺条件均相同。本对比例所得涂层中存在较多的大颗粒未熔Cr₃C₂，涂层与基体结合较差，在磨损过程易发生大面积剥落现象，且涂层硬度、耐磨性及高温抗氧化性均较差。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于熔覆粉末中CeO₂的添加量为1.5％，粒度约为60nm～75nm，铁基自熔性合金粉末的添加量为69.3％。本对比例所得熔覆层的硬度、耐磨性和高温抗氧化性略低于实施例1，但涂层组织中先共晶碳化物的尺寸分布相对不均匀，涂层组织致密度有所下降，存在较多气孔且与基体的结合较差。

对比例4

本对比例与实施例1的区别在于熔覆粉末中Cr₃C₂合金粉末的添加量为40％，铁基自熔性合金粉末的添加量为59.2％，本对比例所得涂层的硬度高于实施例1，但涂层耐磨性和抗氧化性有所降低，且涂层中存在较多气孔，在磨损过程中产生了明显裂纹并发生大面积脆性剥落，这主要是由于涂层中先共晶碳化物明显增多，主要为大量长条状碳化物，涂层脆性较大，且与基体的结合减弱造成的。

对比例5

本对比例与实施例1的区别在于Cr₃C₂合金粉末的添加量为20％，铁基自熔性合金粉末的添加量为79.2％，本对比例所得涂层的表面成型质量相对较好，与实施例1接近，无气孔、裂纹及褶皱等质量缺陷，本对比例涂层组织中只含有极少量的先共晶碳化物，涂层的硬度和耐磨性均优于对比例1，但其硬度、耐磨性及高温抗氧化性明显低于实施例1。

综合以上可知，采用本实施例的技术方案可以使激光熔覆铁基合金涂层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性与韧性实现良好结合，同时还能够确保涂层具有优良的成型质量和熔覆性能，所得涂层中几乎无气孔、裂纹等质量缺陷。

实施例2

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29％和CeO₂粉末1％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.07％、Cr17％、Ni6％、Si2.5％、B0.9％、Mo0.6％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为120μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于175℃下烘干2.8h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29％和CeO₂粉末1％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.07％、Cr17％、Ni6％、Si2.5％、B0.9％、Mo0.6％，Fe为余量，且其粒度约为120μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨1.5h，然后采用球磨机进行机械球磨2h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于140℃下烘干1.5h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为5ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.5mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于烘箱中于180℃下烘干3h，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径6mm，激光功率2.4kW，多道搭接量3mm，扫描速率175mm/min。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于180℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

观察分析本实施例所得涂层的表面宏观质量及金相组织，并对涂层的截面显微硬度、滑动磨损性能及高温抗氧化性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性略低于实施例1，其高温抗氧化性与实施例1接近，而涂层的表面宏观质量也略低于实施例1，涂层表面存在少量气孔。

实施例3

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末65％、Cr₃C₂合金粉末34％和CeO₂粉末1％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.08％、Cr18％、Ni6.5％、Si2.0％、B0.7％、Mo0.6％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为60μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于190℃下烘干2.6h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末65％、Cr₃C₂合金粉末34％和CeO₂粉末1％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.08％、Cr18％、Ni6.5％、Si2.0％、B0.7％、Mo0.6％，其余为Fe，且其粒度约为60μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨1h，然后采用球磨机进行机械球磨1.8h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于150℃下烘干1.8h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为6ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于烘箱中于190℃下烘干2.5h，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径7mm，激光功率2.3kW，多道搭接量2.8mm，扫描速率160mm/min。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于190℃的保温炉中保温2.4h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

观察分析本实施例所得涂层的表面宏观质量及金相组织，并对涂层的截面显微硬度、滑动磨损性能及高温抗氧化性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性略低于实施例1，其高温抗氧化性优于实施例1，而涂层的成型质量也略低于实施例1，熔覆过程中存在少量“飞溅”现象。

实施例4

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末68％、Cr₃C₂合金粉末31.1％和CeO₂粉末0.9％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr16％、Ni5.5％、Si2.3％、B0.8％、Mo0.5％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为90μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于200℃下烘干2.5h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末68％、Cr₃C₂合金粉末31.1％和CeO₂粉末0.9％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr16％、Ni5.5％、Si2.3％、B0.8％、Mo0.5％，Fe为余量，且其粒度约为90μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨1.7h，然后采用球磨机进行机械球磨1.6h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于135℃下烘干1.6h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为5.5ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.2mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于烘箱中于200℃下烘干2.5h，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径7mm，激光功率2.2kW，多道搭接量2.6mm，扫描速率180mm/min。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于200℃的保温炉中保温1.8h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

观察分析本实施例所得涂层的表面宏观质量及金相组织，并对涂层的截面显微硬度、滑动磨损性能及高温抗氧化性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性与实施例1接近，而涂层的成型质量略低于实施例1。

实施例5

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末71％、Cr₃C₂合金粉末28.2％和CeO₂粉末0.8％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.08％、Cr18％、Ni6.5％、Si2.0％、B0.7％、Mo0.6％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为100μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于160℃下烘干3.3h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末71％、Cr₃C₂合金粉末28.2％和CeO₂粉末0.8％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.08％、Cr18％、Ni6.5％、Si2.0％、B0.7％、Mo0.6％，Fe为余量，且其粒度约为100μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨1.4h，然后采用球磨机进行机械球磨2h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于140℃下烘干1.8h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为6ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.8mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于烘箱中于180℃下烘干2.5h，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5mm，激光功率2.2kW，多道搭接量2.5mm，扫描速率170mm/min。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于160℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

观察分析本实施例所得涂层的表面宏观质量及金相组织，并对涂层的截面显微硬度、滑动磨损性能及高温抗氧化性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性及涂层的表面宏观质量均与实施例1接近。

实施例6

本实施例的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％和CeO₂粉末0.5％。其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，Fe为余量，且Fe基自熔性合金粉末的粒度约为70μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％。

步骤一、基板预处理：

本实施例中选用Q235钢作为熔覆基板，将Q235钢基板加工成50mm×100mm×10mm，对其待熔覆表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗以除去基板待熔覆表面的油污和铁锈，同时保证待熔覆表面的平整与光洁，然后将基板置于烘箱中于185℃下烘干3h。

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

按照质量百分比含量称取以下三种组分：铁基自熔性合金粉末73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％和CeO₂粉末0.5％，其中，Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，其余为Fe，且其粒度约为70μm。Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％，并控制Cr₃C₂合金粉末中粒度处于50μm～80μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为60％，粒度处于80μm～110μm的粉末占Cr₃C₂合金粉末总质量的百分比为40％。上述CeO₂粉末中粒度处于60nm～95nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为85％，粒度处于95nm～110nm的粉末占CeO₂粉末总质量的百分比为15％，从而能够使激光熔覆过程中Cr₃C₂合金粉末与CeO₂粉末中未熔颗粒的数量及尺寸得到有效控制，确保未熔颗粒弥散均匀分布且尺寸细小，使固溶强化作用、细晶强化作用与弥散强化作用实现良好结合。将称好的三种粉末先在研钵中进行手动研磨1.5h，然后采用球磨机进行机械球磨1.5h后得到熔覆用复合粉末，球磨机的转速为250r/min，从而使粉末颗粒有所细化并确保各组分能够混合分散均匀，在熔覆过程中有利于提高粉末的流动性及涂层组织的均匀性。将上述混合分散均匀的复合粉末置于烘箱中于130℃下烘干2h，以去除粉末中的水蒸气，避免熔覆过程中气孔的产生，且降低了基板与熔覆层的温差，使熔覆层冷缩产生的热应力减小，降低了由于基材热影响区发生马氏体相变而引发熔覆层裂纹的倾向。此外，适当的预热处理还可增加熔覆层液相的停留时间，有利于熔覆层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善熔覆层的成型质量。

步骤三、涂层的制备：

将烘干后的复合粉末预置于基板的待熔覆表面，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，其中，火棉胶的加入量为5ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.6mm，本实施例中通过选用火棉胶作为粘接剂，并严格控制粘接剂的用量，从而既能使涂层与基体之间形成良好的冶金结合，防止剥落的产生，又能避免粘接剂使用过多时在粉末熔化过程中发生“飞溅”且导致大量气孔的产生，使所得熔覆层的成型质量得到进步一步保证。本实施例中将预置后的基板置于室温下自然干燥，然后采用CO₂激光器进行激光熔覆，本实施例中CO₂激光器选用最大输出功率为5kW的TJ-HL-T5000横流式CO₂激光器，熔敷过程中使用Ar气进行保护，以防止激光熔覆过程中合金元素的氧化。激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5mm，激光功率2.3kW，多道搭接量3mm，扫描速率185mm/min。

步骤四、后热处理：

将熔敷后的基板置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，从而可以消除或减小熔覆层的残余应力以及熔覆加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了熔覆层的质量和性能。

观察分析本实施例所得涂层的表面宏观质量及金相组织，并对涂层的截面显微硬度、滑动磨损性能及高温抗氧化性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性及高温抗氧化性略低于实施例1，而涂层的表面宏观质量与实施例1接近。

结合实施例1-6可知，通过向铁基自熔性合金粉末中添加Cr₃C₂合金粉末和纳米CeO₂粉末，对熔覆粉末中各组分的含量及铁基自熔性合金粉末中各组分的含量进行优化控制，并根据以上组分的含量选择合适的激光熔覆工艺参数、严格控制各组分的粒度，再结合适当的预热、后热处理及粉末预置工艺，从而使激光熔覆铁基合金涂层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性均得到进一步提高，且确保涂层同时能够保持优良的韧性和成型质量，有效避免了气孔、裂纹等质量缺陷的产生。

Claims

1.一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：该涂层是由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：铁基自熔性合金粉末65％～73％、Cr₃C₂合金粉末26.5％～34％和CeO₂粉末0.5％～1％，其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.07％～0.09％、Cr15％～18％、Ni5％～6.5％、Si2.0％～2.8％、B0.7％～1.0％、Mo0.5％～0.6％，Fe为余量。

2.根据权利要求1所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：该涂层由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：Fe基自熔性合金粉末68％～71％、Cr₃C₂合金粉末28％～31％和CeO₂粉末0.8％～1.0％。

3.根据权利要求1所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：该涂层由如下质量百分比的组分混合均匀后经激光熔覆制备的：Fe基自熔性合金粉末70％、Cr₃C₂合金粉末29.2％和CeO₂粉末0.8％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：所述的Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.09％、Cr15％、Ni5％、Si2.8％、B1.0％、Mo0.5％，Fe为余量。

5.根据权利要求4所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：所述的Cr₃C₂合金粉末选用Ni,Cr-Cr₃C₂复合粉末，其中，Cr₃C₂合金粉末中Cr₃C₂的质量百分比含量为85％。

6.根据权利要求5所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层，其特征在于：所述的Fe基自熔性合金粉末的粒度为60～120μm，Cr₃C₂合金粉末的粒度为50～110μm，CeO₂粉末的粒度为60～100nm。

7.一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、基板预处理：

步骤二、粉末的配制、混合均匀及烘干：

步骤三、涂层的制备：

步骤四、后热处理：

8.根据权利要求7所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中将称好的三种粉末进行混合分散均匀是通过先在研钵中进行手动研磨1～2h，然后采用球磨机进行机械球磨1.5～2h来实现的，球磨机的转速为250r/min。

9.根据权利要求8所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于：步骤三中粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于研钵中，并向其中加入乙醇作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基板待熔覆表面，预置涂层的厚度为1～2mm；其中，火棉胶的加入量为4～6ml/100g复合粉末。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种添加CeO₂的铁基Cr₃C₂激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于：步骤三中激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5-7mm，激光功率2.2～2.4kW，多道搭接量2.5～3mm，扫描速率160～185mm/min。