CN105420723A - 一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法 - Google Patents

一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法。该激光熔覆材料包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％～80％，Cr10％～15％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％～15％，氮化硼0.1％～0.3％，碳化钨0.5％～1％，B0.5％～0.7％，Cr25％～27％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量。本发明通过打底材料、功能材料的梯度设计，在保证熔覆层与铝青铜基体良好结合性能的基础上，赋予熔覆层较高的硬度，保证其耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。

Description

一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法
技术领域
本发明属于激光熔覆表面改性技术领域，具体涉及激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法。
背景技术
激光表面改性技术已广泛应用于零件表面微观结构和成分改良，以提高其耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性等性能。作为激光表面改性领域中最重要的技术之一，激光熔覆技术是改良材料表面性能的一种经济有效的手段，它利用激光光源的高能量，使特定的合金粉末在基材表面发生一系列复杂的物理化学过程和快速凝固过程，最终形成结合致密的冶金涂层。与传统的表面涂层技术，如热喷涂、等离子熔覆等技术相比，激光熔覆具有热影响区小，热形变量小，熔覆层组织晶粒细小、熔覆层和基层的结合为冶金结合等优点。激光熔覆技术可在低成本的基材上制备高性能的表面涂层以节省大量的贵重合金、稀有金属等材料，极大地降低了制作成本，可广泛应用与汽车、航空、磨具轧辊等工业应用，具有显著的经济效益和发展潜力。
CN103695899A公开了一种用于修复耐磨防腐熔覆层的铁基激光熔覆粉末及其制备方法，该粉末包括0.05wt％的氧、0.05wt％的碳、1.2wt％的硅、0.4wt％的硼、15wt％的铬、5wt％的镍、0.2wt％的锰、1.5wt％的钼和余量的铁，通过将原料粉末熔成液体后经过高压气雾化，在经过冷却后制得铁基激光熔覆粉末；CN103752818A公开了一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末，由Cr38～40％，C4.2～4.5％，Ni3～5％，Mo0.05～0.08％，Si0.8～1.02％，B1.2～1.78％和余量的铁组成。
现有技术中，熔覆粉末的设计多针对铁基基材，如碳钢、不锈钢等，针对其他基材的应用效果不得而知。在实际工程应用中，铝青铜材料因为具有良好的耐摩擦磨损性能，所以在一些关键的耐摩擦部位，铝青铜类零部件应用普遍。目前铝青铜零部件在使用过程中，磨损比较严重时，一般都作报废处理，但是铝青铜价格昂贵，直接报废给企业造成了极大的经济损失。
开发一种适用于铝青铜材质的激光熔覆粉末，对过度磨损失效的铝青铜零部件进行激光熔覆修复改性，恢复其有效尺寸，保证熔覆涂层的硬度，提高其摩擦磨损性能，同时提高其耐腐蚀性能，使其能够重新投入使用，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光熔覆材料，使其适用于铝青铜基材的激光熔覆修复改性，保证熔覆涂层的硬度，提高其摩擦磨损性能，同时提高其耐腐蚀性能。
本发明的第二个目的是提供上述激光熔覆材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种铝青铜基表面改性材料。
本发明的第四个目的是提供上述铝青铜基表面改性材料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种激光熔覆材料，包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％～80％，Cr10％～15％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％～15％，氮化硼0.1％～0.3％，碳化钨0.5％～1％，B0.5％～0.7％，Cr25％～27％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量。
本发明提供的激光熔覆材料，通过打底材料、功能材料的梯度设计，在保证熔覆层与基层材料良好结合性能的基础上，赋予熔覆层较高的硬度，保证其耐摩擦磨损性能；通过合金元素的合理搭配，使熔覆层兼具优良的耐腐蚀性能。
所述打底材料和功能材料均为粉末状。优选的，粉末状材料的粒度均为100～200目。
由打底材料形成的打底层中，Ni具有良好的润湿性，可与铜实现任意互溶，Ni含量在60％～80％，可保证熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合；Cr保证了打底层的耐摩擦磨损性能，其为固溶元素，可溶解于基体材料中，引起一定的晶格畸变，赋予打底层一定的硬度；Si有助于提高合金材料熔化熔覆过程中的造渣功能，使得合金在熔化过程产生的各类杂质，最大程度以废渣形式排出；C在合金熔化过程中，可以与Fe形成合金化合物，有助于提高打底层的硬度；打底层中各元素合理复配，可起到协同作用，在实现与基材良好结合同时，均匀一致性好，结合致密，为功能层的激光熔覆创造了良好条件。
由功能层材料形成的功能层中，Ni含量控制在9％～15％，可实现功能层与打底层良好的冶金结合，有助于功能层和打底层形成一体结构；Cr含量进一步提高，可提高功能层的硬度，保证其耐摩擦磨损性能；添加适量的B，可起到脱氧、造渣和润湿作用；添加适量的氮化硼和碳化钨，可以使激光熔覆涂层具有硬质点，进一步提高熔覆层的硬度，保证其耐摩擦磨损性能；功能层中各元素合理搭配，可起到协同作用，在保证与打底层良好结合力的基础上，赋予熔覆层高硬度、高耐摩擦磨损和耐腐蚀性好等功能，实现了在铝青铜表面进行抗腐蚀性能改性的目的，使得铝青铜材料通过激光表面改性可以获得较高的硬度，可应用于铝青铜材料的磨损修复，实现零部件的重新利用。
一种上述激光熔覆材料的制备方法，包括：将镍粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨，得粒度为100～200目的打底材料；将镍粉、氮化硼粉、碳化钨粉、硼粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨，得粒度为100～200目的功能材料。
所述打底材料和功能材料的制备中，研磨的时间至少为6h。
本发明提供的上述激光熔覆材料的制备方法，通过将原料粉充分研磨并控制粒度，可以保证原料粉粒度均匀，不易相互团聚，同时也容易采用同步送粉设备送粉；避免了因原料粉粒径粗大导致的熔覆层缺陷难以控制、涂层易开裂的问题，有助于获得金相组织细化均匀，硬度和耐腐蚀性优良的功能性熔覆涂层。
上述激光熔覆材料的使用方法，包括以下步骤：
1)将粉末状打底材料以同步送粉方式，对待覆基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到打底层；
2)将粉末状功能材料以同步送粉方式，在步骤1)所得打底层上进行激光熔覆，即可。
一种铝青铜基表面改性材料，包括铝青铜基体和由内向外依次覆着在基体上的打底层、功能层，所述打底层由打底材料通过激光熔覆于铝青铜基体上而成，功能层由功能材料通过激光熔覆于打底层上而成；所述打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％～80％，Cr10％～15％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％～15％，氮化硼0.1％～0.3％，碳化钨0.5％～1％，B0.5％～0.7％，Cr25％～27％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量。
上述铝青铜基表面改性材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取粉末状打底材料以同步送粉方式对铝青铜基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到具有打底层的半成品；
2)取粉末状功能材料以同步送粉方式在步骤1)所得半成品的打底层上进行激光熔覆，即得。
步骤1)和步骤2)中，所述激光熔覆的条件为激光输出功率P＝2.5KW～3.5KW，扫描速度V＝2.5mm/s～3.5mm/s，光斑尺寸d＝3mm，送粉速度为1.5g/s。
本发明提供的铝青铜基表面改性材料，通过对打底材料和功能材料的依次熔覆，有序的连接了打底层和功能层，实现了激光熔覆层对基体材料的梯度改性，所形成的涂层中无裂纹孔洞产生，从而大大减低了熔覆层的开裂敏感性；同时熔覆层可实现与铝青铜基体的良好化学冶金结合；磨损失效的铝青铜零部件经过表面熔覆改性后，硬度可达Hv1000，耐摩擦磨损性能与铝青铜基材相当，且对模拟海水的耐腐蚀性达到优质奥氏体不锈钢等级，可使零部件重新达到使用要求，从而有利于延长零部件的使用寿命，节省企业成本。
本发明提供的铝青铜基表面改性材料的制备方法，工艺过程简单，表面改性效果好，适宜于大规模推广应用。
附图说明
图1为实施例2所得铝青铜基表面改性材料的金相组织图；其中，(a)为铝青铜基体、打底层及二者结合区域的金相组织图，(b)为打底层、功能层及二者结合区域的金相组织图，(c)为功能层中部的金相组织图，(d)为功能层顶部的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的激光熔覆材料，包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％，Cr10％，Si0.5％，C0.3％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％，氮化硼0.3％，碳化钨0.5％，B0.5％，Cr27％，Si1％，C0.3％，Fe余量。
本实施例的激光熔覆材料的制备方法，采用精度等级为0.0001g的电子天平称取原料粉末，称量误差为±0.0005g，将镍粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨6h，得粒度为100目的打底材料；将镍粉、氮化硼粉、碳化钨粉、硼粉、铬粉、硅粉、碳粉和混合均匀，研磨6h，得粒度为100目的功能材料。
本实施例的铝青铜基表面改性材料，包括铝青铜基体和由内向外依次覆着在基体上的打底层、功能层，所述打底层由打底材料通过激光熔覆于铝青铜基体上而成，功能层由功能材料通过激光熔覆于打底层上而成。
本实施例的铝青铜基表面改性材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将粉末状打底材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝3.5KW，扫描速度V＝2.5mm/s，光斑尺寸d＝3mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度对铝青铜基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到具有打底层的半成品；
2)将粉末状功能材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝3.5KW，扫描速度V＝2.5mm/s，光斑尺寸d＝3.5mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度在步骤1)所得半成品的打底层上进行激光熔覆，即可。
实施例2
本实施例的激光熔覆材料，包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni80％，Cr15％，Si1％，C0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni15％，氮化硼0.1％，碳化钨1％，B0.7％，Cr25％，Si0.5％，C0.4％，Fe余量。
本实施例的激光熔覆材料的制备方法，采用精度等级为0.0001g的电子天平称取原料粉末，称量误差为±0.0005g，将镍粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨6h，得粒度为200目的打底材料；将镍粉、氮化硼粉、碳化钨粉、硼粉、铬粉、硅粉、碳粉和混合均匀，研磨6h，得粒度为200目的功能材料。
本实施例的铝青铜基表面改性材料，包括铝青铜基体和由内向外依次覆着在基体上的打底层、功能层，所述打底层由打底材料通过激光熔覆于铝青铜基体上而成，功能层由功能材料通过激光熔覆于打底层上而成。
本实施例的铝青铜基表面改性材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将粉末状打底材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝2.5KW，扫描速度V＝3.5mm/s，光斑尺寸d＝3mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度对铝青铜基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到具有打底层的半成品；
2)将粉末状功能材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝2.5KW，扫描速度V＝3.5mm/s，光斑尺寸d＝3mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度在步骤1)所得半成品的打底层上进行激光熔覆，即可。
实施例3
本实施例的激光熔覆材料，包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni70％，Cr12％，Si0.7％，C0.35％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni12％，氮化硼0.2％，碳化钨0.7％，B0.6％，Cr26％，Si0.7％，C0.35％，Fe余量。
本实施例的激光熔覆材料的制备方法，采用精度等级为0.0001g的电子天平称取原料粉末，称量误差为±0.0005g，将镍粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨6h，得粒度为150目的打底材料；将镍粉、氮化硼粉、碳化钨粉、硼粉、铬粉、硅粉、碳粉和混合均匀，研磨6h，得粒度为150目功能材料。
本实施例的铝青铜基表面改性材料，包括铝青铜基体和由内向外依次覆着在基体上的打底层、功能层，所述打底层由打底材料通过激光熔覆于铝青铜基体上而成，功能层由功能材料通过激光熔覆于打底层上而成。
本实施例的铝青铜基表面改性材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将粉末状打底材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝3KW，扫描速度V＝3mm/s，光斑尺寸d＝3mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度对铝青铜基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到具有打底层的半成品；
2)将粉末状功能材料放入同步送粉器，在激光输出功率P＝3KW，扫描速度V＝3mm/s，光斑尺寸d＝3mm的条件下，以1.5g/s的送粉速度在步骤1)所得半成品的打底层上进行激光熔覆，即可。
试验例1
采用华银HVS-1000型号硬度计进行硬度测试，各实施例所得铝青铜基表面改性材料及铝青铜基材的硬度如表1所示。
表1各实施例及铝青铜基材的硬度检测结果
项目 铝青铜基材 实施例1 实施例2 实施例3
硬度 Hv960 Hv1000 Hv1100 Hv1080
由表1的试验结果可知，实施例1～3得到激光熔覆层(功能层)硬度达到Hv1100，高于铝青铜基材的硬度，从而保证了经激光表面改性后的铝青铜零部件的硬度满足使用要求，赋予改性后的材料良好的耐摩擦磨损性能。
试验例2
采用科思特电化学工作站，在室温时以3.5wt％的NaCl溶液模拟海水进行电化学试验，对各实施例的熔覆层(功能层)进行耐腐蚀性能测试，并且与不锈钢(06Cr17Ni12Mo2(316))进行同期测试并比较耐腐蚀性能。检测结果如表2所示。
表2各实施例和对比例的耐腐蚀性能检测结果
项目 不锈钢 实施例1 实施例2 实施例3
自腐蚀电位Ecorr，V -0.310 -0.295 -0.311 -0.288
自腐蚀电流Icorr，μA/cm2 1.10 1.02 1.07 1.00
由表2的结果可知，实施例1～3激光熔覆层(功能层)的耐腐蚀性能达到了优质奥氏体不锈钢06Cr17Ni12Mo2(316)的耐腐蚀等级，体现出优良的耐腐蚀性能，可在海水、沿海高氯环境中长期使用。
试验例3
采用HSR—2M镀层往复摩擦试验机测试各实施例的熔覆层(功能层)摩擦系数用以评价熔覆层的耐磨性能，(参数设置：往复长度5mm，往复频率500次/min，载荷620g，时间120min，配对摩擦副硬度约为Hv1050的硬质球)。并且与铝青铜材料进行了同期测试比较。检测结果如表3所示。
表3各实施例和对比例的耐腐蚀性能检测结果
项目 铝青铜 实施例1 实施例2 实施例3
摩擦系数 -0.48 -0.45 -0.50 -0.47
由表3的结果可知，实施例1～3激光熔覆层(功能层)的耐摩擦磨损性能达到了铝青铜的耐摩擦磨损等级，摩擦系数均约为0.48，说明二者摩擦磨损性能相当。
试验例4
本试验例对实施例2所得铝青铜基表面改性材料的金相组织进行观察，结果如图1所示。其中，(a)为铝青铜基体1、打底层2及二者结合区域的金相组织图，(b)为打底层2、功能层3及二者结合区域的金相组织图，(c)为功能层3中部的金相组织图，(d)为功能层3顶部的金相组织图。从整体看来，熔覆层致密、晶粒细小，无裂纹孔洞，基体与打底层、打底层与功能层均实现了良好的化学冶金结合。

Claims (8)

1.一种激光熔覆材料，其特征在于，包括打底材料和功能材料，打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％～80％，Cr10％～15％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％～15％，氮化硼0.1％～0.3％，碳化钨0.5％～1％，B0.5％～0.7％，Cr25％～27％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量。
2.如权利要求1所述的激光熔覆材料，其特征在于，所述打底材料和功能材料均为粉末状。
3.如权利要求2所述的激光熔覆材料，其特征在于，所述打底材料和功能材料的粒度均为100～200目。
4.一种如权利要求1所述的激光熔覆材料的制备方法，其特征在于，包括：将镍粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨，得粒度为100～200目的打底材料；将镍粉、氮化硼粉、碳化钨粉、硼粉、铬粉、硅粉、碳粉和铁粉混合均匀，研磨，得粒度为100～200目的功能材料。
5.如权利要求4所述的激光熔覆材料的制备方法，其特征在于，打底材料和功能材料的制备中，研磨的时间至少为6h。
6.一种铝青铜基表面改性材料，其特征在于，包括铝青铜基体和由内向外依次覆着在基体上的打底层、功能层，所述打底层由打底材料通过激光熔覆于铝青铜基体上而成，功能层由功能材料通过激光熔覆于打底层上而成；所述打底材料由以下质量百分比的组分组成：Ni60％～80％，Cr10％～15％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量；功能材料由以下质量百分比的组分组成：Ni9％～15％，氮化硼0.1％～0.3％，碳化钨0.5％～1％，B0.5％～0.7％，Cr25％～27％，Si0.5％～1％，C0.3％～0.4％，Fe余量。
7.一种如权利要求6所述的铝青铜基表面改性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取粉末状打底材料以同步送粉方式对铝青铜基体进行激光熔覆，冷却至室温，得到具有打底层的半成品；
2)取粉末状功能材料以同步送粉方式在步骤1)所得半成品的打底层上进行激光熔覆，即得。
8.如权利要求7所述的铝青铜基表面改性材料的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中，所述激光熔覆的条件为激光输出功率P＝2.5KW～3.5KW，扫描速度V＝2.5mm/s～3.5mm/s，光斑尺寸d＝3mm，送粉速度为1.5g/s。
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