CN105132914A - 一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层及其制备方法，属于表面涂层及其制备方法技术领域。本发明的添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末59％～79％、纳米Cr3C2合金粉末20％～40％和纳米Ti粉0.5％～1％。上述激光熔覆复合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，能够使添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2涂层的硬度、耐磨性得到进一步提高的基础上，还能明显改善涂层的韧性，并提高了涂层与基体的相容性，可有效防止涂层裂纹的产生。
Description
技术领域
本发明属于表面涂层及其制备方法技术领域，更具体地说，涉及一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层及其制备方法。
背景技术
材料表面的磨损是造成工程零部件失效的主要原因之一，每年由于磨损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。与传统的表面改性技术，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。
Ni基、Co基和Fe基自熔合金粉末是激光熔覆技术中最常使用的合金粉末，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，从而限制了其广泛应用。与Ni基、Co基合金相比，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，研究和开发激光熔覆Fe基合金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工程实践价值
但在一些比较苛刻的工作环境下，单纯的铁基合金涂层并不能满足使用要求，国内外学者通常采用向铁基合金粉末中添加一定含量的各种高熔点碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属陶瓷复合涂层以提高熔覆层的硬度和耐磨性等。目前，在激光熔覆涂层中应用较多的碳化物陶瓷主要为WC和TiC陶瓷粉末，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。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，其熔敷性及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。
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高温抗氧化性。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，但该涂层的硬度、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，发明人试图通过增加Cr3C2的含量来进一步提高Fe基合金涂层的硬度、耐磨性和高温抗氧化性等性能，但当Cr3C2含量较高时，涂层以过共晶方式结晶，其组织主要由大量的长条状先共晶碳化物组成，先共晶碳化物较粗大且分布不均匀，涂层韧性明显下降，易产生裂纹，且与基体的相容性有待进一步改善。
因此，如何使激光熔覆铁基Cr3C2复合涂层的硬度、耐磨性得到进一步提高的基础上，使涂层仍然保持良好的韧性，降低裂纹倾向，对于激光熔覆铁基合金涂层的发展与应用具有重要的意义。
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技术中使用Cr3C2增强激光熔覆铁基合金涂层时，当Cr3C2的添加量较多时，涂层的脆性较大，易产生裂纹，且与基体的相容性较差的不足，提供了一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层及其制备方法。通过使用本发明的技术方案，可以有效细化和均匀化复合涂层组织，从而使激光熔覆Fe基合金涂层的硬度、耐磨性及高温抗氧化性得到进一步提高的基础上，仍能保持良好的韧性，大大提高了涂层与基体的相容性，可有效防止裂纹的产生。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末59％～79％、纳米Cr3C2合金粉末20％～40％和纳米Ti粉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：C0.1％～0.2％、Cr15％～18％、Ni6.5％～8％、Si2.0％～2.8％、B0.8％～1.2％、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经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末64％～71％、纳米Cr3C2合金粉末28％～35％和纳米Ti粉0.7％～1％。
更进一步地，该涂层由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末69％、纳米Cr3C2合金粉末30％和纳米Ti粉1％。
更进一步地，所述的铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，纳米Cr3C2合金粉末的粒度为40～80nm，纳米Ti粉的粒度为55～70nm。
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：C0.1％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B1.2％、Mo0.5％，Fe为余量。
本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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59％～79％、纳米Cr3C2合金粉末20％～40％和纳米Ti粉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160～200℃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2～3h，然后采用球磨机进行机械球磨30～40min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2.3～2.5kW，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)本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且同时使涂层仍然保持良好的韧性。本发明熔覆粉末中纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强了固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，这些弥散分布的TiC与未熔Cr3C2共同作用，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层耐磨性得到进一步提高的基础上仍具有较好的韧性。纳米Ti的添加还能够有效降低熔池中的C含量，改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并能有效降低熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高了涂层组织的均匀性。
(2)本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，通过大量实验研究并结合理论分析对熔覆粉末中各组分的含量进行优化控制，有利于使涂层的组织分布达到最佳状态，使涂层的硬度、耐磨性与韧性实现最好结合，并有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。
(3)本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，根据Cr3C2合金粉末的添加量合理设计铁基自熔性合金粉末C含量，从而实现对涂层中碳化物形态及尺寸的有效控制，铁基自熔性合金粉末中的Cr及Mo能够进一步改善涂层的硬度、耐磨性；铁基自熔性合金粉末中的Si、B能够有效脱除熔池中的O和S，减少气孔和夹杂数量，同时通过控制Si、B含量来降低熔覆层的收缩率，减少裂纹的产生。
(4)本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，根据熔覆粉末的特性及各组分含量，经大量实验研究对激光熔覆工艺参数进行优化控制，使材料质量配比与工艺实现最佳匹配，在改善复合涂层熔覆工艺性的同时实现了激光熔覆铁基复合涂层的强韧化和多功能化。
(5)本发明的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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，从而可以使熔覆层与基板之间实现良好的冶金结合，避免采用其他粘结剂及火棉胶使用量较多时易导致大量气孔产生，从而保证了熔覆层的成型质量。
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所得涂层的典型金相显微组织；
图2(b)为本发明实施例1所得涂层的典型金相显微组织；
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所得涂层的滑动磨损失重对比图；
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。
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纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末69％、纳米Cr3C2合金粉末30％和纳米Ti粉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：C0.1％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B1.2％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度约为65μm。本实施例中向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且由于晶粒细化使涂层仍然保持良好的韧性。本实施例纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层韧性与耐磨性得到进一步提高；纳米Ti的添加还能够有效改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，使熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚有所减轻，提高了涂层组织的均匀性。同时通过大量实验研究对以上各组分的含量进行优化控制，从而使涂层的硬度、耐磨性与韧性及成型质量实现最好结合，有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。本实施例中控制上述纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，纳米Ti粉的粒度为65～70nm。
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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69％、纳米Cr3C2合金粉末30％和纳米Ti粉1％，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.1％％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B1.2％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度为65μm。控制纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，从而能够使激光熔覆过程中未熔Cr3C2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，使涂层的韧性得到明显改善，并降低了Cr3C2粉末的团聚程度，上述纳米Ti粉的粒度为65～70nm。将上述称好的Fe基自熔性合金粉末与纳米Ti粉置于研钵中进行手动研磨2h，然后向其中加入称好的纳米Cr3C2合金粉末继续研磨0.5h，最后采用球磨机将以上混合粉末进行机械球磨35min，球磨机的转速为250r/min，从而可以使各粉末之间进行充分混合均匀，且通过控制各粉末的研磨时间来进一步防止纳米粉末的团聚。将上述复合粉末置于烘箱中于180℃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，乙醇的加入量为15ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为4ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为2mm。本实施例中通过粉末预置时的搅拌作用进一步增加了粉末间的混合均匀性，并降低了粉末团聚的倾向，提高了涂层组织的均匀性。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2.5kW，多道搭接量2.5mm，扫描速率185mm/min。
目前，随着纳米科技的发展，纳米陶瓷得到了较为广泛的研究与应用，将陶瓷材料纳米化制备纳米陶瓷涂层，可以克服普通陶瓷材料脆性大、结合强度低、易出现裂纹等缺点。同时，纳米陶瓷因晶粒的细化，晶界数量大幅增多，因此，与普通陶瓷涂层相比，纳米陶瓷涂层的强度、韧性以及耐磨性等性能均有望得到进一步提高。基于纳米陶瓷的以上特性，发明人期望通过添加纳米Cr3C2克服当增加Cr3C2含量来提高涂层耐磨性时涂层脆性较大、易产生裂纹，涂层与基体相容性较差的不足。但由于纳米Cr3C2的尺寸较小，在熔覆过程中易发生严重团聚，导致涂层组织分布不均匀，且纳米Cr3C2含量较多时与基体的润湿性较差，在熔覆过程中易发生“飞溅”，所得涂层组织中产生大量气孔，与基体的结合较差，易从基体上剥落下来，从而使纳米颗粒的纳米效应得不到有效发挥。因此，如何解决纳米Cr3C2在激光熔覆过程中的团聚，防止“飞溅”的发生，提高铁基合金涂层与基体的润湿性，降低涂层中的气孔率成了困扰发明人最大的问题。
发明人经过长期大量的实验研究并结合纳米陶瓷在激光熔覆过程中的熔覆特性，向熔覆粉末中添加少量的纳米Ti，纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强了固溶强化作用，同时与C结合形成弥散分布的TiC，增强了细晶强化作用与弥散强化作用，并降低了熔池中的C含量，使先共晶碳化物的数量及尺寸得到有效控制，从而使涂层的韧性与耐磨性均得到进一步提高。纳米Ti的添加在一定程度上还能够改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并通过Ti与Cr3C2之间的交互作用有效降低了熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高了涂层组织的均匀性，降低了涂层的气孔率。同时，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、成型质量和力学性能。因此，发明人继续对激光熔覆过程中的各种工艺参数进行优化控制，使其与熔覆材料的特性相匹配，对各熔覆粉末的粒度进行优化设计，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，并进一步降低了纳米Cr3C2的团聚倾向。
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％纳米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，并测试两种涂层的硬度、磨损性能及高温抗氧化性，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多的球形颗粒，该涂层的成型性相对较差，粉末团聚严重，且在熔覆过程中易发生“飞剑”。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和本实施例制备的激光熔覆涂层的典型金相显微组织，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，，而本实施例所得涂层组织中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，其枝晶及共晶组织也更加致密与细化。
(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300r/min，磨损时间1h，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9SiCr模具钢(硬度为63HRC)。如图3、图4所示分别为两试样涂层的截面显微硬度分布曲线图及滑动磨损失重对比图，由图可以看出，相对于对比例1，本实施例所得涂层的截面显微硬度得到明显提高，其滑动磨损失重也显著降低。如图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，磨损较严重，而本实施例所得涂层的磨损表面相对平整，犁沟细而且浅，且脆性剥落明显减少，耐磨性得到明显改善，这主要是由于本实施例所得涂层中先共晶碳化物的尺寸细小且弥散分布，枝晶及共晶组织更加致密，从而使涂层韧性增强，且碳化物与基体之间的结合更加牢固。
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纳米Cr3C2合金粉末的添加量为30.5％，纳米Ti的添加量为1.5％。本对比例所得熔覆层的硬度与耐磨性略低于实施例1，涂层组织中先共晶碳化物的尺寸比实施例1粗大，且涂层组织致密度有所下降，存在较多气孔且涂层与基体的结合较差。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于熔覆粉末中纳米Cr3C2合金粉末的添加量为50％，纳米Ti的添加量为1％，本对比例的熔覆粉末在熔覆过程中团聚较严重，所得涂层硬度高于实施例1，但耐磨性明显低于实施例1，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的区别在于熔覆粉末中纳米Cr3C2合金粉末的添加量为15％，纳米Ti的添加量为0.5％，本对比例所得涂层的成型质量及熔覆性能均较好，无气孔、裂纹等质量缺陷，熔覆粉末与基体的润湿性良好且团聚现象较轻，但涂层硬度与耐磨性较差，明显低于实施例1，不能满足工件的使用要求。
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、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，且纳米粉末的团聚程度较低，涂层组织细小均匀。
实施例2
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末59％、纳米Cr3C2合金粉末40％和纳米Ti粉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：C0.2％、Cr18％、Ni7％、Si2.0％、B0.8％、Mo0.6％，Fe为余量，其粒度为100μm。本实施例中向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且由于晶粒细化使涂层仍然保持良好的韧性。本实施例纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层韧性与耐磨性得到进一步提高；纳米Ti的添加还能够有效改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并能有效降低熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高涂层组织的均匀性。同时通过大量实验研究对以上各组分的含量进行优化控制，从而使涂层的硬度、耐磨性与韧性及成型质量实现最好结合，有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。本实施例中控制上述纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为40％，纳米Ti粉的粒度为55～70nm。
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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59％、纳米Cr3C2合金粉末40％和纳米Ti粉1％，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.2％、Cr18％、Ni7％、Si2.0％、B0.8％、Mo0.6％，Fe为余量，其粒度为100μm。控制纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，从而能够使激光熔覆过程中未熔Cr3C2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，使涂层的韧性得到明显改善，并降低了Cr3C2粉末的团聚程度，上述纳米Ti粉的粒度为55～70nm。将上述称好的Fe基自熔性合金粉末与纳米Ti粉置于研钵中进行手动研磨2h，然后向其中加入称好的纳米Cr3C2合金粉末继续研磨1h，最后采用球磨机将以上混合粉末进行机械球磨30min，球磨机的转速为250r/min，从而可以使各粉末之间进行充分混合均匀，且通过控制各粉末的研磨时间来进一步防止纳米粉末的团聚。将上述复合粉末置于烘箱中于160℃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，乙醇的加入量为18ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为6ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.5mm。本实施例中通过粉末预置时的搅拌作用进一步增加了粉末间的混合均匀性，并降低了粉末团聚的倾向。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220℃下烘干1.5h，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150℃的保温炉中保温2.5h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。
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与滑动磨损性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性均高于实施例1，而涂层的表面宏观质量略低于实施例1，涂层表面存在少量气孔，且粉末在熔覆过程中的团聚程度略高于实施例1。
实施例3
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末71％、纳米Cr3C2合金粉末28.5％和纳米Ti粉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：C0.15％、Cr15％、Ni6.5％、Si2.3％、B1.0％、Mo0.6％，Fe为余量，其粒度为180μm。本实施例中向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且由于晶粒细化使涂层仍然保持良好的韧性。本实施例纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层韧性与耐磨性得到进一步提高；纳米Ti的添加还能够有效改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并能有效降低熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高涂层组织的均匀性。同时通过大量实验研究对以上各组分的含量进行优化控制，从而使涂层的硬度、耐磨性与韧性及成型质量实现最好结合，有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。本实施例中控制上述纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为40％，纳米Ti粉的粒度为55～65nm。
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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71％、纳米Cr3C2合金粉末28.5％和纳米Ti粉0.5％，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.15％、Cr15％、Ni6.5％、Si2.3％、B1.0％、Mo0.6％，Fe为余量，其粒度为180μm。控制纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，从而能够使激光熔覆过程中未熔Cr3C2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，使涂层的韧性得到明显改善，并降低了Cr3C2粉末的团聚程度，上述纳米Ti粉的粒度为55～65nm。将上述称好的Fe基自熔性合金粉末与纳米Ti粉置于研钵中进行手动研磨96min，然后向其中加入称好的纳米Cr3C2合金粉末继续研磨24min，最后采用球磨机将以上混合粉末进行机械球磨40min，球磨机的转速为250r/min，从而可以使各粉末之间进行充分混合均匀，且通过控制各粉末的研磨时间来进一步防止纳米粉末的团聚。将上述复合粉末置于烘箱中于200℃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，乙醇的加入量为20ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为5ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1mm。本实施例中通过粉末预置时的搅拌作用进一步增加了粉末间的混合均匀性，并降低了粉末团聚的倾向。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与滑动磨损性能进行测定，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，而涂层的表面宏观质量与实施例1接近。
实施例4
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末65％、纳米Cr3C2合金粉末34.2％和纳米Ti粉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：C0.18％、Cr17％、Ni7.5％、Si2.8％、B1.1％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度为45μm。本实施例中向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且由于晶粒细化使涂层仍然保持良好的韧性。本实施例纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层韧性与耐磨性得到进一步提高；纳米Ti的添加还能够有效改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并能有效降低熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高涂层组织的均匀性。同时通过大量实验研究对以上各组分的含量进行优化控制，从而使涂层的硬度、耐磨性与韧性及成型质量实现最好结合，有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。本实施例中控制上述纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为40％，纳米Ti粉的粒度为60～70nm。
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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65％、纳米Cr3C2合金粉末34.2％和纳米Ti粉0.8％，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.18％、Cr17％、Ni7.5％、Si2.8％、B1.1％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度为45μm。控制纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，从而能够使激光熔覆过程中未熔Cr3C2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，使涂层的韧性得到明显改善，并降低了Cr3C2粉末的团聚程度，上述纳米Ti粉的粒度为60～70nm。将上述称好的Fe基自熔性合金粉末与纳米Ti粉置于研钵中进行手动研磨126min，然后向其中加入称好的纳米Cr3C2合金粉末继续研磨18min，最后采用球磨机将以上混合粉末进行机械球磨38min，球磨机的转速为250r/min，从而可以使各粉末之间进行充分混合均匀，且通过控制各粉末的研磨时间来进一步防止纳米粉末的团聚。将上述复合粉末置于烘箱中于170℃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，乙醇的加入量为16ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为5ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为1.2mm。本实施例中通过粉末预置时的搅拌作用进一步增加了粉末间的混合均匀性，并降低了粉末团聚的倾向。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5mm，激光功率2.5kW，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150℃的保温炉中保温2.5h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。
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与滑动磨损性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层的硬度、耐磨性略高于实施例1，而粉末在熔覆过程中的团聚程度略高于实施例1，涂层中有及少量的气孔存在，但本实施例所得涂层的综合性能优于实施例2。
实施例5
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，是由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末79％、纳米Cr3C2合金粉末20.1％和纳米Ti粉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：C0.2％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B0.9％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度为140μm。本实施例中向熔覆粉末中添加纳米Cr3C2，由于纳米Cr3C2在等离子堆焊过程中更容易被熔融，因此，当Cr3C2的添加量相同时，纳米Cr3C2粉末中Cr3C2的熔解量多于微米Cr3C2，同时纳米Cr3C2粉末中含有更多的颗粒数量且分布更加弥散，从而使得非自发形核的核心增多，使涂层组织得到明显细化，因此，相对于添加相同含量微米Cr3C2的涂层，纳米Cr3C2的添加使涂层的硬度、耐磨性得到了进一步提高，且由于晶粒细化使涂层仍然保持良好的韧性。本实施例纳米Ti的添加可以促进Cr3C2的熔解，增强固溶强化作用，同时析出弥散分布的TiC，增强了细晶强化与弥散强化作用，从而使涂层韧性与耐磨性得到进一步提高；纳米Ti的添加还能够有效改善熔覆粉末的流动性，使涂层与基体之间的相容性得到改善，并能有效降低熔覆过程中纳米Cr3C2粉末的团聚，提高涂层组织的均匀性。同时通过大量实验研究对以上各组分的含量进行优化控制，从而使涂层的硬度、耐磨性与韧性及成型质量实现最好结合，有效避免了涂层中气孔、裂纹等质量缺陷的产生。本实施例中控制上述纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为40％，纳米Ti粉的粒度为55～70nm。
本实施例的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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79％、纳米Cr3C2合金粉末20.1％和纳米Ti粉0.9％，上述Fe基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.2％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B0.9％、Mo0.5％，Fe为余量，其粒度为140μm。控制纳米Cr3C2合金粉末中粒度处于40nm～60nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为45％，粒度处于60nm～80nm的粉末占Cr3C2合金粉末总质量的百分比为55％，从而能够使激光熔覆过程中未熔Cr3C2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，使涂层的韧性得到明显改善，并降低了Cr3C2粉末的团聚程度，上述纳米Ti粉的粒度为55～70nm。将上述称好的Fe基自熔性合金粉末与纳米Ti粉置于研钵中进行手动研磨138min，然后向其中加入称好的纳米Cr3C2合金粉末继续研磨18min，最后采用球磨机将以上混合粉末进行机械球磨33min，球磨机的转速为250r/min，从而可以使各粉末之间进行充分混合均匀，且通过控制各粉末的研磨时间来进一步防止纳米粉末的团聚。将上述复合粉末置于烘箱中于190℃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，乙醇的加入量为15ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为4ml/100g复合粉末，预置涂层的厚度为2mm。本实施例中通过粉末预置时的搅拌作用进一步增加了粉末间的混合均匀性，并降低了粉末团聚的倾向。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7mm，激光功率2.3kW，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185℃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。
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与滑动磨损性能进行测定，方法同实施例1，结果表明，本实施例所得涂层以亚共晶方式结晶，涂层组织主要由细小、均匀的枝晶组成，其硬度、耐磨性略低于实施例1，而涂层的表面宏观质量及熔覆性能则优于实施例1。
Claims (9)
1.一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，其特征在于：该涂层由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末59％～79％、纳米Cr3C2合金粉末20％～40％和纳米Ti粉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：C0.1％～0.2％、Cr15％～18％、Ni6.5％～8％、Si2.0％～2.8％、B0.8％～1.2％、Mo0.5％～0.6％，Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，其特征在于：该涂层由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末64％～71％、纳米Cr3C2合金粉末28％～35％和纳米Ti粉0.7％～1％。
3.根据权利要求1所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，其特征在于：该涂层由如下质量百分比的组分经激光熔覆后制得的：铁基自熔性合金粉末69％、纳米Cr3C2合金粉末30％和纳米Ti粉1％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，其特征在于：所述的铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，纳米Cr3C2合金粉末的粒度为40～80nm，纳米Ti粉的粒度为55～70nm。
5.根据权利要求4所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层，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：C0.1％％、Cr16％、Ni8％、Si2.5％、B1.2％、Mo0.5％，Fe为余量。
6.一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，其特征在于：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59％～79％、纳米Cr3C2合金粉末20％～40％和纳米Ti粉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160～200℃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。
7.根据权利要求6所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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2～3h，然后采用球磨机进行机械球磨30～40min来实现的，球磨机的转速为250r/min。
8.根据权利要求7所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种添加纳米Ti的激光熔覆Fe基Cr3C2复合涂层的制备方法，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2.3～2.5kW，多道搭接量2.5～3mm，扫描速率160～185mm/min。
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