CN107217255A - 用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni‑WC复合涂层及其制备 - Google Patents

用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni‑WC复合涂层及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni‑WC复合涂层及其制备，复合涂层布设在金属基底表面上，复合涂层是由Ni45合金粉末与WC粉末复合而成，WC粉末的质量分数为10‑40％，其余为Ni45合金粉末；制备时，先将金属基底加工成板状试样块；将Ni45合金粉末与WC粉末加入球磨机中，混合均匀，烘干，再与粘结剂混合，刷涂板状试样块表面上；将板状试样块装夹固定于高频微振工作台上，通入惰性气体，以激光熔覆头为能量源，采用正离焦的方式，垂直作用于涂层表面，进行熔覆处理，即可。与现有技术相比，本发明制备方法简单，可控性好，制得的Ni‑WC复合涂层的显微硬度和耐磨性能都得到了显著提高，有利于复合涂层适应更加复杂和恶劣的工作环境。

Description

用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层及其制备
技术领域
本发明属于耐磨涂层技术领域，涉及一种用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层及其制备。
背景技术
Ni基-WC复合涂层具有较高的硬度、较强的韧性和良好的耐磨性能，目前已被广泛应用于工件的修复和表面强化。Ni基-WC复合涂层的制备方法主要有热喷涂法、电子束物理气相沉积法以及激光熔覆法等。从目前的研究现状来看，热喷涂法得到的涂层具有明显的层状结构，容易在涂层中产生气孔，且涂层与基体之间的结合方式为机械结合。而机械结合大多是以颗粒的机械联锁方式而形成，在热喷涂之前，材料基体表面都要经过粗化处理，喷涂过程中熔融粒子撞击并铺展在粗化的基材表面上，在冷却凝固收缩时粒子咬合凹凸材料表面凸点形成机械结合。然而，热喷涂技术不足之处在于涂层与基体结合强度不够，难以满足重载条件下的服役要求。而电子束物理气相沉积法需要在真空的环境下工作，工艺流程复杂，沉积效率较低且涂层厚度难以得到很好地控制。
激光熔覆法是伴随着激光而发展起来的新型表面工程技术，经过十几年的发展，激光熔覆技术在材料表面强化方面取得了丰富的成果。该技术中熔覆材料采用送丝或送粉(或预置)的形式，在高能量激光束的作用下熔覆材料与基体表面材料熔化，经历快速冷却和凝固的过程形成激光熔覆涂层，熔覆层与基体形成良好的冶金结合。在下述文献中：(1)AGarcia,MR Fernandez,JM Cuetos,R Gonzalez,A Ortiz,M Cadenas,Study of thesliding wear and friction behavior of WC plus NiCrBSi laser cladding coatingsas a function of actual concentration of WC reinforcement particles in ball-on-disk test,Tribology Letters,2016,64(3):41-50；(2)D Deschuyteneer,F Petit,MGonon,F Cambier,Processing and characterization of laser clad NiCrBSi/WCcomposite coatings-Influence of microstructure on hardness and wear,Surfaceand Coatings Technology,2015,283:162-171；(3)Shengfeng Zhou,Xiaoguang Dai,Xiaoyan Zeng,Effects of processing parameters on structure of Ni-based WCcomposite coatings during laser induction hybrid rapid cladding,AppliedSurface Science,2009,255(30):8494-8500。已经报道采用直接激光熔覆技术制备出的Ni基-WC复合涂层，其致密性较好，涂层没有明显的裂纹和气孔等缺陷，但从报道的结果来看，所制得涂层的硬度、耐磨性以及硬质相分布的均匀性仍需进一步提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表面连续、光滑，表面缺陷较少，致密性好，内部无气孔和缩松等缺陷的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层。
本发明的另一个目的就是提供上述用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层，该复合涂层布设在金属基底表面上，所述的复合涂层是由Ni45合金粉末与WC粉末复合而成，所述的WC粉末的质量分数为10-40％，其余为Ni45合金粉末。
所述的复合涂层的厚度为0.8-1mm。
所述的金属基底包括钛合金基底、铝合金基底或不锈钢基底中的一种。
用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1)：基底预处理：将金属基底加工成板状试样块，对板状试样块进行打磨，去除毛刺，并用砂纸打磨表面，去除板状试样块表面的氧化膜，后经超声清洗，烘干；
步骤2)：预置涂层：将Ni45合金粉末与WC粉末加入球磨机中，混合均匀，烘干，再与粘结剂混合，刷涂在步骤1)经烘干后的板状试样块表面上，制得表面负载有涂层的板状试样块；
步骤3)：高频微振辅助激光熔覆：将表面负载有涂层的板状试样块装夹固定于高频微振工作台上，通过调节测量电流和振动加速度的值，选择合适的振动频率，通入惰性气体，以激光熔覆头为能量源，采用正离焦的方式，垂直作用于涂层表面，进行熔覆处理，即可。
步骤1)中所述的金属基底通过电火花线切割机加工成30mm×20mm×6mm的板状试样块。
步骤2)中所述的Ni45合金粉末的平均粒度为20-50μm，所述的WC粉末的平均粒度为30-50μm。
步骤2)中所述的粘结剂为乙酸纤维素-二丙酮醇溶剂，每200ml二丙酮醇需要混合8.5g乙酸纤维素，二者通过水浴加热的方式均匀混合，水浴加热温度为90℃，加热时间为10min。Ni45合金粉末与WC粉末按照前述规定的质量分数混合，每10g混合粉末所需粘结剂为3ml。
步骤3)中所述的惰性气体的输送速率为15-20L/min，压力控制为0.05-0.15MPa。
步骤3)中所述的激光熔覆头的离焦量为300-350mm，激光功率为1000-2000W。
所述的激光熔覆头的扫描速度为300-600mm/min。
步骤3)中所述的高频微振工作台的振动频率为300-1000Hz。
在实际制备过程中，将激光熔覆头通过机器人固定在其手臂上，通过调节机器人的运动实现熔覆头的移动，完成熔覆工作。
为了表征本发明的Ni基-WC复合涂层的硬度以及与耐磨性，采用显微硬度计和多功能摩擦磨损试验机，通过涂层显微硬度测试方法表征该Ni基-WC复合涂层的硬度，通过涂层摩擦磨损测试方法表征该Ni基-WC复合涂层的耐磨性。
涂层显微硬度测试方法为：将Ni基-WC复合涂层样品的横截面镶嵌后抛光，采用HX-1000显微维氏硬度计测量涂层横截面的显微硬度，所加载荷为300g，加载时间为15s。各熔覆试样表面均匀选取5个点(点与点之间保持一定距离)，测试硬度值后取平均值。它的工作原理是通过加载一定值的负载将金刚石压头压入被检测材料的表面，加载一定的时间，卸载后残留在试样表面的近似菱形的印记，测量得到压痕的对角线的长度得到压痕面积，然后通过计算加载载荷和压痕面积的比值即可得出该材料的显微硬度。显微硬度测试的压头采用对面夹角为136°的正四面棱锥金刚石压头，维氏硬度值计算公式如下所示：
式中：F——载荷/kgf；
S——压痕表面积；
α——压头相对面夹角＝136°；
d——平均压痕对角线长度；
HV——维氏硬度值。
本发明Ni基-WC复合涂层的耐磨性是通过多功能摩擦磨损试验机测量的，试验条件为：载荷20N，转速100r/min，磨痕半径3mm，时间30min，运动模式为球盘式，对磨头材质为钢。测试前后，利用分析天平称量计算磨损量。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)以WC作为强化相，将涂层的硬度较基底提高了2倍多，显著改善涂层的耐磨性；
2)将高频微振和直接激光熔覆方法结合在一起，在高频微振的作用下，涂层更易成型，激光熔覆工艺制备的Ni基-WC复合涂层的表面连续、光滑，表面缺陷较少，涂层与金属基底间结合较好，且涂层内部无气孔和缩松等缺陷，组织致密性好，
3)制备方法简单，可控性好，制得的Ni-WC复合涂层的显微硬度和耐磨性能都得到了显著提高，有利于复合涂层适应更加复杂和恶劣的工作环境，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明制备方法示意图；
图2是对比实施例、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中制备得到的Ni-WC复合涂层的显微硬度比较图；
图3是对比实施例、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中制备得到的Ni-WC复合涂层的耐磨性比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
对比实施例：
为了与下述实施例1-9进行对比，对比实施例中基底表面为镍基涂层，不加入WC增强相，具体制备方法如下：
将基材加工成30mm×20mm×6mm的板状试样块，再对试样进行打磨去除毛刺以及表面的氧化膜，用超声波丙酮清洗，随后烘干。用粘接剂将干燥的Ni45合金粉末均匀刷涂在试样表面，刷涂厚度为0.8mm。预置成功后，在高频微振作用下对涂层进行激光熔覆。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述TiO2涂层的显微硬度约为562.6HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为2.62mg。
实施例1：
本实施例中，WC的质量分数为10％，该复合涂层的具体制备方法如下：
在平均粒度为20um-50um的Ni45合金粉末中混入质量分数为10％的平均粒度为30um-50um的WC粉末，经球磨机均匀混合后，烘干。将制备好的涂层原料粉末用粘结剂刷涂在已经被去除氧化膜的基底表面，刷涂厚度为0.8mm，涂层预置好之后装夹固定于高频微振工作台上。
如图1所示，将工作台的振动频率调节到300Hz，采用光纤激光器作为能量源，功率为1000W的激光垂直作用于涂层表面，离焦量为300mm，熔覆头在机器人的控制下作直线运动，扫描速度为600mm/min，保护气体输送方向与涂层表面平行，输送速率为15L/min。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为922.4HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为2.03mg。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中WC的质量分数为20％，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1152.7HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.86mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中WC的质量分数为30％，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1267.1HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.72mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中WC的质量分数为40％，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1303.4HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.79mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
图2是对比实施例、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中制备得到的Ni-WC复合涂层的显微硬度比较图。结果表明，WC含量的增加可以明显的提高熔覆层的硬度，不过随着WC含量的增加，熔覆层硬度增加的幅度是逐渐减小的，这是由于熔覆层稀释率的增加以及熔覆层缺陷形成的倾向性增加等因素所导致的。
图3是对比实施例、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中制备得到的TiO2涂层的耐磨性比较图。结果表明，当碳化钨含量低于30％时，随着碳化钨含量的增加，熔覆层中硬质颗粒数量增多，颗粒间的距离减小，对熔覆层粘结相的保护作用增强，从而能够减少基体相的磨损脱落，提高熔覆层的耐磨性。当碳化钨含量达到40％时，含量过高，虽然提高了熔覆层的硬度，但同时削弱了基体相对硬质相的固定作用，在磨损过程中，硬质颗粒极易脱落，因此熔覆层的耐磨性反而降低。
实施例5：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中工作台的振动频率改为500Hz，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1037.5HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.92mg。。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例6：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中工作台的振动频率改为1000Hz，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为983.6HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为2.01mg。由此可见振动频率与共振频率接近的时候，熔覆的效果最好，而非越高越好
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例7：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中激光功率为1500W，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1026.9HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.89mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例8：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中激光功率为2000W，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为868.1HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为2.17mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例9：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中离焦量为320mm，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为1108.4HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为1.86mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
实施例10：
本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中离焦量为350mm，其他实验条件相同。
利用涂层显微硬度测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的显微硬度约为896.2HV，利用涂层的耐磨性测试方法测得上述Ni-WC复合涂层的磨损量约为2.14mg。
与对比实施例相比，本实施例中采用高频微振辅助激光熔覆的方法制备得到的Ni-WC复合涂层的力学性能得到明显改善。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层，该复合涂层布设在金属基底表面上，其特征在于，所述的复合涂层是由Ni45合金粉末与WC粉末复合而成，所述的WC粉末的质量分数为10-40％，其余为Ni45合金粉末。
2.根据权利要求1所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层的厚度为0.8-1mm。
3.根据权利要求1所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层，其特征在于，所述的金属基底包括钛合金基底、铝合金基底或不锈钢基底中的一种。
4.如权利要求1至3任一项所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1)：基底预处理：将金属基底加工成板状试样块，对板状试样块进行打磨，去除毛刺，并用砂纸打磨表面，去除板状试样块表面的氧化膜，后经超声清洗，烘干；
步骤2)：预置涂层：将Ni45合金粉末与WC粉末加入球磨机中，混合均匀，烘干，再与粘结剂混合，刷涂在步骤1)经烘干后的板状试样块表面上，制得表面负载有涂层的板状试样块；
步骤3)：高频微振辅助激光熔覆：将表面负载有涂层的板状试样块装夹固定于高频微振工作台上，通过调节测量电流和振动加速度的值，选择合适的振动频率，通入惰性气体，以激光熔覆头为能量源，采用正离焦的方式，垂直作用于涂层表面，进行熔覆处理，即可。
5.根据权利要求4所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的金属基底通过电火花线切割机加工成30mm×20mm×6mm的板状试样块。
6.根据权利要求4所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的Ni45合金粉末的平均粒度为20-50μm，所述的WC粉末的平均粒度为30-50μm。
7.根据权利要求4所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的惰性气体的输送速率为15-20L/min，压力控制为0.05-0.15MPa。
8.根据权利要求4所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的激光熔覆头的离焦量为300-350mm，激光功率为1000-2000W。
9.根据权利要求8所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的激光熔覆头的扫描速度为300-600mm/min。
10.根据权利要求4所述的用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni-WC复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的高频微振工作台的振动频率为300-1000Hz。
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