CN107988595A - 激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法，属于激光加工技术领域。该方法步骤为：对钢铁材料的表面进行预处理，以去除附着在钢铁材料的表面的油污和杂质；将Cr3C2粉末添加到Fe3Al粉末中并混匀，得到Fe3Al与Cr3C2的混合物，其中，所述混合物中Cr3C2的含量为5wt％～40wt％；利用激光熔覆技术将混合物熔覆在钢铁材料的表面，以使混合物在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层。优点在于，获得的Fe3Al/Cr3C2复合涂层组织结构致密，具有显著的耐磨性能。

Description

激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别是涉及一种激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法，。
背景技术
重载柴油发动机向着高机械负荷、高热负荷和低排放的方向发展，直喷、增压等技术开始广泛应用，造成柴油发动机内部热动力机械及高温传动摩擦部件的工作环境越来越恶劣，曲轴、排气阀、活塞等关键零部件因腐蚀、过度磨损、烧损而失效，严重影响了零部件的使用寿命和柴油发动机的工作稳定性，每年柴油发动机因零部件失效引起的损失巨大。根据柴油发动机关键零部件运行情况和失效机理研究表明，大部分的失效发生在零部件表面，因而防治失效的有效途径是在新产品制造时进行表面处理或对磨损的零部件进行表面修复，应用合适的表面改性技术提高零部件的使用寿命。
金属间化合物是由两种(或以上)金属(或金属与非金属)形成的一类材料，在临界有序温度以下具备长程有序的晶体结构。金属间化合物由于其原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键的共存性，使其兼顾金属和陶瓷的性能特点。与传统的金属和合金相比较，金属间化合物拥有许多独特的性能：一方面它具有陶瓷所具备的高熔点、良好的高温强度；另一方面它具有金属材料所具备的良好热传导性、电导性及承受塑性变形的能力；同时，其长程有序结构使其具备原子间结合力强、变形硬化能力好、具有“温度‐强度反常特性”等特性。因此金属间化合物具备高温耐磨材料所期望的优良性能，成为高温摩擦磨损材料科学研究的热点之一。
在发明专利ZL201410822105.5中，钢铁研究总院利用激光熔覆技术制备了Ni3Al/Cr3C2复合涂层，这种金属间化合物基复合涂层材料具有显著的耐磨性能。然而，尽管激光熔覆制备的Ni3Al/Cr3C2复合材料已取得了不少研究成果，并且已在柴油发动机关键零部件已有初步的应用，但仍存在一些问题，例如：对于重载柴油发动机而言，Ni3Al基复合材料成本较高；Ni3Al基复合材料加工(熔炼)难度大；制备过程易生成脆性NiAl相，等等。这些问题在一定程度上限制了Ni3Al基复合材料在重载柴油发动机领域的应用。
Fe‐Al系金属间化合物由于是以铁和铝这两个基本工业元素作为主要的原料，和其他的高温合金相比更具有成本上的优势。这类材料还具备比重小、弹性模量高、抗氧化、耐热腐蚀等一系列性能特征，对于在使用条件苛刻的环境中运行的机械设备，将是一种理想的结构材料，因此它在高温耐磨领域具有很大的发展潜力。Fe3Al具有与Ni3Al相似的结构，并且在600℃以下，Fe3Al也具有金属间化合物的共性，即强度不会随温度的升高而降低。在柴油发动机领域，如果Fe3Al及其复合材料能够获得与Ni3Al相当或略低的性能，其比Ni3Al应用前景可能会更为广泛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法，解决了Ni3Al基复合材料在重载柴油发动机领域应用的现有问题。
本发明包括以下步骤：
对钢铁材料的表面进行预处理，以去除附着在钢铁材料的表面的油污和杂质；将Cr3C2粉末添加到Fe3Al粉末中并混匀，得到Fe3Al与Cr3C2的混合物，其中，所述混合物中Cr3C2的含量为5wt％～45wt％；利用激光熔覆技术将混合物熔覆在钢铁材料的表面，以使混合物在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层。
Fe3Al粉末的化学组成可以为：12.0wt％～16.5wt％的Al、4.5wt％～7.5wt％的Cr、0.15wt％～0.35wt％的Zr和0.1wt％～0.3wt％的B，余量为Fe和不可避免的杂质。
Fe3Al粉末和Cr3C2粉末中的每种粉末的粒径范围可以为45μm～120μm。
激光熔覆技术的技术参数可以如下：激光熔覆功率为1000W～2500W，扫描速度为0.12m/min～0.48m/min，激光束为圆形光斑或矩形光斑，激光熔覆保护气体为氩气，气体流量为10L/min‐25L/min，其中，当激光束为圆形光斑时，圆形光斑的直径为1.5mm～4mm；当激光束为矩形光斑时，矩形光斑的长度为4mm～20mm，宽度为1mm～10mm。
形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层的步骤可以包括：将所述混合物预置于钢铁材料的表面以形成预置层，然后利用激光熔覆技术将预置层熔覆在钢铁材料的表面，从而在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层。
形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层的步骤可以包括：向钢铁材料的表面提供混合物并同时对钢铁材料的表面进行激光扫描，从而在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层。优选地，形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层的步骤可以包括采用同轴或旁轴送粉的方式向钢铁材料的表面提供混合物并同时对钢铁材料的表面进行激光扫描(即，采用同轴或旁轴送粉激光熔覆的方式)将混合物熔覆在钢铁材料的表面，以使所述混合物在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层，同轴或旁轴送粉的送粉量可以为10g/min～30g/min。
使用的激光可以为光纤激光、CO2激光、Nd:YAG激光或半导体体激光。
Fe3Al/Cr3C2复合涂层的厚度可以为0.5mm～2.0mm，平均硬度可以不小于450HV。
在钢铁材料的表面形成的Fe3Al/Cr3C2复合涂层中，具有主要为原位自生的铁、铬复合碳化物的硬质相，所述铁、铬复合碳化物呈网状或颗粒状分布在Fe3Al/Cr3C2复合涂层中。
钢铁材料可以为碳钢、合金钢、耐热不锈钢和铸铁中的一种。
本发明制备出的Fe3Al/Cr3C2激光复合涂层具有致密的组织结构，且与基体(钢铁材料)的结合强度高，耐磨性能良好。
附图说明
图1是Fe3Al/Cr3C2激光熔覆层显微组织图。激光功率2100W，矩形光斑5×5mm，扫描速度0.30m/min送粉率30g/min。
图2为对比方法，Ni3Al/Cr3C2激光熔覆层显微组织图。激光功率2100W，矩形光斑5×5mm，扫描速度0.30m/min送粉率30g/min。
图3是Fe3Al/Cr3C2激光熔覆层显微组织图。激光功率1600W，圆形光斑直径3mm，扫描速度0.18m/min送粉率20g/min。
具体实施方式
以下结合附图以及示例性实施例，对本发明提供的激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层方法进行详细说明。
实施例1
将45#钢表面进行预处理，以去除附着在其表面的油污及杂质。在Fe3Al粉末中添加质量分数35％的Cr3C2粉末，机械混合均匀。采用同轴送粉方式，将混合均匀的Fe3Al/Cr3C2粉末送至基体表面。激光熔覆使用光纤激光，激光熔覆功率为2100W，扫描速度0.3m/min，激光矩形光斑尺寸为5×5mm，搭接量2mm，送粉量25g/min。激光熔覆保护气体为氩，流量25L/min。激光熔覆所获得的Fe3Al/Cr3C2复合涂层厚度约1.5mm，涂层平均硬度为720HV，显微组织如图1所示，原位自生的铁、铬复合碳化物呈网状分布在Fe3Al/Cr3C2复合涂层中。作为对比方法，采用同样的激光熔覆参数制备Ni3Al/Cr3C2复合涂层，Ni3Al/Cr3C2复合涂层厚度约1.5mm，涂层平均硬度为690HV，显微组织如图2所示，原位自生的铬的碳化物呈粒状均匀分布在Ni3Al/Cr3C2复合涂层中。在负载8MPa干磨擦条件下(面摩擦，对磨材料为灰铸铁)，激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损率为0.25×10‐5mm3/N；激光熔覆Ni3Al/Cr3C2复合涂层磨损率为0.21×10‐5mm3/N；而对比材料蠕墨铸铁磨损率为1.62×10‐5mm3/N·m。激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损量与激光熔覆Ni3Al/Cr3C2复合涂层相当，而仅约为蠕墨铸铁磨损率的15％。激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层具有显著的耐磨性能。
实施例2
将耐热不锈钢表面进行预处理，以去除附着在其表面的油污及杂质。在Fe3Al粉末中添加质量分数25％的Cr3C2粉末，机械混合均匀。采用同轴送粉方式，将混合均匀的Fe3Al/Cr3C2粉末送至基体表面。激光熔覆使用光纤激光，激光熔覆功率为1600W，扫描速度0.18m/min，激光圆形光斑直径为3mm，送粉量20g/min。激光熔覆保护气体为氩，流量20L/min。激光熔覆所获得的Fe3Al/Cr3C2复合涂层厚度1.2mm，涂层平均硬度为630HV，显微组织如图3所示。在负载8MPa、温度300℃干磨擦条件下(面摩擦，对磨材料为灰铸铁)，激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损率为0.81×10‐5mm3/N·m，高温耐磨性能良好。
实施例3
将蠕墨铸铁表面进行预处理，以去除附着在其表面的油污及杂质。在Fe3Al粉末中添加质量分数15％的Cr3C2粉末，机械混合均匀。采用旁轴送粉方式，将混合均匀的Fe3Al/Cr3C2粉末送至基体表面。激光熔覆使用光纤激光，激光熔覆功率为1500W，扫描速度0.36m/min，激光矩形光斑尺寸为2.5×10mm，送粉量15g/min。激光熔覆保护气体为氩，流量15L/min。激光熔覆所获得的Fe3Al/Cr3C2复合涂层厚度0.8mm，涂层平均硬度为560HV。在负载5MPa干磨擦条件下(面摩擦，对磨材料为灰铸铁)，激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损率为0.47×10‐5mm3/N·m，具有良好的耐磨性能。
实施例4
将45#钢表面进行预处理，以去除附着在其表面的油污及杂质。在Fe3Al粉末中添加质量分数35％的Cr3C2粉末，机械混合均匀。采用同轴送粉方式，将混合均匀的Fe3Al/Cr3C2粉末送至基体表面。激光熔覆使用光纤激光，激光熔覆功率为1800W，扫描速度0.18m/min，激光矩形光斑尺寸为5×5mm，送粉量30g/min。激光熔覆保护气体为氩，流量25L/min。激光熔覆所获得的Fe3Al/Cr3C2复合涂层厚度1.8mm，涂层平均硬度为730HV。在负载8MPa干磨擦条件下(面摩擦，对磨材料为灰铸铁)，激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损率为0.16×10‐ 5mm3/N·m，而对比材料蠕墨铸铁磨损率为1.62×10‐5mm3/N·m，激光熔覆Fe3Al/Cr3C2复合涂层磨损量相当于蠕墨铸铁磨损率的1/10，耐磨性能显著。
尽管本发明已对其优选实施方案进行了详细说明，但本领域技术人员仍可采取改变激光器类型、Cr3C2粉末含量、Fe3Al和碳化物的预合金其他类型复合粉等技术参数实施本发明，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光熔覆制备Fe3Al/Cr3C2复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对钢铁材料的表面进行预处理，以去除附着在钢铁材料的表面的油污和杂质；
(2)将Cr3C2粉末添加到Fe3Al粉末中并混匀，得到Fe3Al与Cr3C2的混合物，其中，所述混合物中Cr3C2的含量为5wt％～40wt％；
利用激光熔覆将混合物熔覆在钢铁材料的表面，以使混合物在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层，
其中，在钢铁材料的表面形成的Fe3Al/Cr3C2复合涂层中，具有主要为原位自生的铁、铬复合碳化物的硬质相，铁、铬复合碳化物呈网状或颗粒状分布在Fe3Al/Cr3C2复合涂层中，
其中，Fe3Al粉末的化学组成为：12.0wt％～16.5wt％的Al、4.5wt％～7.5wt％的Cr、0.15wt％～0.35wt％的Zr和0.1wt％～0.3wt％的B，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Fe3Al粉末和Cr3C2粉末中的每种粉末的粒径范围为45μm～120μm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，激光熔覆的技术参数如下：激光熔覆功率为1000W～2500W，扫描速度为0.12m/min～0.48m/min，激光束为圆形光斑或矩形光斑，激光熔覆保护气体为氩气，气体流量为10L/min‐25L/min，
其中，当激光束为圆形光斑时，圆形光斑的直径为1.5mm～4mm；当激光束为矩形光斑时，矩形光斑的长度为4mm～20mm，宽度为1mm～10mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用激光熔覆将混合物熔覆在钢铁材料的表面的步骤包括：将所述混合物预置于钢铁材料的表面以形成预置层，然后利用激光熔覆技术将预置层熔覆在钢铁材料的表面，从而在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用激光熔覆将混合物熔覆在钢铁材料的表面的步骤包括：向钢铁材料的表面提供混合物并同时对钢铁材料的表面进行激光扫描，从而在钢铁材料的表面形成Fe3Al/Cr3C2复合涂层，
其中，采用同轴送粉或旁轴送粉的方式向钢铁材料的表面提供混合物并同时对钢铁材料的表面进行激光扫描，同轴送粉或旁轴送粉的送粉量为10g/min～30g/min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，激光熔覆使用的激光为光纤激光、CO2激光、Nd:YAG激光或半导体激光。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在钢铁材料的表面形成的Fe3Al/Cr3C2复合涂层的厚度为0.5mm～2.0mm，平均硬度不小于450HV。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钢铁材料为碳钢、合金钢、耐热不锈钢或铸铁中的一种。
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