CN108977752A - 一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，具体包括以下步骤：S1.熔覆基体预处理；S2.将熔覆材料进行干燥处理；S3.将步骤S2的熔覆材料置于等离子熔覆送粉装置中，进行等离子熔覆后，即得所述耐磨耐腐蚀复合涂层；其中，步骤S1所述熔覆基体为45#钢；步骤S2所述熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末。本发明提供的方法解决了熔覆层容易开裂、变形的问题，从而有效改善熔覆涂层质量，且本发明的方法具有制备工艺简单、污染少、生产效率高和成本低等优点。

Description

一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法

技术领域

本发明属于等离子增材制造技术领域，更具体地，涉及一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法。

背景技术

45#钢价格低廉、加工性能好、综合性能高，在工业生产和国防建设中应用广泛，已经成为工业产品的重要材料，但在生产实践中，因长期处于磨损、疲劳以及腐蚀等恶劣的生产环境下，导致材料性能容易失效。失效形式大多发生在材料的表面，所以对45#钢基材的表面进行表面处理至关重要。

目前，常采用电镀、气相沉积、激光熔覆和等离子熔覆等方法制备表面涂层增强材料耐磨性及耐腐蚀性。与上述其他方法相比，等离子熔覆技术具有工艺过程简单、污染少、设备成本低等优点，且等离子熔覆技术生产效率约为激光熔覆的6～10倍，粉末利用率约为激光熔覆的2～4倍。因此，等离子熔覆技术制备涂层具有广阔的应用前景。

然而，等离子熔覆技术过程中，由于金属受热和冷却速度快，温度变化不均匀，将产生较大的残余应力，工件容易扭曲与开裂，而且多道搭接时出现涂层的变形、开裂等问题，导致熔覆层质量不稳定。因此，获得一种提高等离子熔覆涂层质量稳定性的方法非常重要。

另外，在冲击和磨粒磨损严重的工况条件下，现有单独采用的Ni基、Co基、Fe基等自熔合金作为熔覆材料制备的涂层已无法满足使用要求，而采用等离子熔覆技术在45#钢表面制备复合涂层尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法。该方法以45#钢作为熔覆基体，以F322粉末和碳化钨粉末作为熔覆材料，采用等离子熔覆技术制备复合涂层，不但有效解决熔覆层质量不稳定、容易开裂与变形的问题，且制备工艺简单、污染少、生产效率高。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。本发明提供涂层硬度较高，在高温工作环境下，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理；

S2.将熔覆材料进行干燥处理；

S3.将步骤S2的熔覆材料置于等离子熔覆送粉装置中，进行等离子熔覆后，即得所述耐磨耐腐蚀复合涂层；

其中，步骤S1所述熔覆基体为45#钢；步骤S2所述熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末。

本发明以价格低廉、加工性能好、综合性能高的45#钢作为熔覆基体，以F322粉末和碳化钨粉末按特定比例的混合物作为熔覆材料，采用等离子熔覆技术在45#钢表面形成一层合金涂层，该涂层综合熔覆基体与熔覆材料的性能，采用两种特定粉末作为熔覆材料，改善单独使用Ni基、Co基、Fe基时的不足，制备得到的涂层具有硬度高、耐腐蚀性和耐磨性能好等特点。

进一步地，所述F322粉末和碳化钨粉末的质量比例为0～30：100～70。

进一步地，所述F322粉末的粒度为30～70μm，所述F322粉末由C、Cr、Ni、Si、W、Mo、B、Fe元素组成，含量分别为≤0.15％、21～25％、12～15％、4～5％、2～3％、2～3％、1.5～2％，Fe余量。

进一步地，所述碳化钨粉末的粒度为40～100μm。

粉末粒径过大，等离子熔覆过程中容易造成输料管堵塞，过小则容易引起偏析严重，导致涂层性能不稳定。

进一步地，所述熔覆基体预处理的具体操作步骤为：将熔覆基体表面用600目砂纸打磨光洁，再用乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹。

更进一步地，所述乙醇溶液的浓度为95％，所述处理时间为5min。

进一步地，步骤S2所述干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80℃，干燥时间为30min。

进一步地，步骤S3所述等离子熔覆的工艺参数为：所选用的光斑宽度为5～20mm、电流110～130A、扫描速度3～20mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为10～30L/h，送粉速度为5～20g/min。

更进一步地，步骤S3所述等离子熔覆的工艺参数为：

本发明采用等离子熔覆技术在45#钢表面制备涂层，根据特定熔覆基体与熔覆材料，合理严格控制等离子熔覆过程中各项工艺参数，并通过各项工艺参数之间的相互匹配，有效解决熔覆层容易开裂、质量不稳定的问题；获得在45#钢表面制备涂层的较优激光熔覆工艺参数，在该工艺参数下制备的涂层具有优良的耐腐蚀、耐高温、抗冲击和抗粘着磨损性能。

一种上述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明开创性地采用等离子熔覆技术在45#钢表面制备复合涂层，配合采用按特定质量比例混合的F322粉末和碳化钨粉末作为熔覆材料，本发明提供的方法解决了熔覆层容易开裂、变形的问题，从而有效改善熔覆涂层质量，且本发明的方法具有制备工艺简单、污染少、生产效率高和成本低等优点。

本发明科学合理设计激光熔覆技术工艺参数，在该工艺参数下制备得到的熔覆涂层与基体呈冶金结合，结合区部分几乎无任何裂纹与气孔，致密性好，显微硬度最高可达632HV，自腐蚀电位可达-845mV，明显高于基体45#钢自身的自腐蚀电位。

本发明采用同轴送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点，且氩气保护非常好，熔覆涂层没有氧化现象。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的金相图；

图2为本发明实施例3的耐磨耐腐蚀复合涂层扫描电镜及能谱分析图；

图3为本发明实施例1～4制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的磨损量图；

图4为本发明实施例1～4制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的物相分析图；

图5为本发明实施例2～4制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的显微硬度图；

图6为本发明实施例2～4制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的极化曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理：以45#钢作为熔覆的基体，将其表面用600目砂纸打磨光洁，再用浓度为95％的乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹，处理时间为5min；

S2.将F322粉末进行干燥处理，干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80℃，干燥时间为30min；

其中，F322合金粉末的粒度为30μm；

S3.将步骤S2的F322粉末置于等离子熔覆送粉装置中，进行等离子熔覆后，即得耐磨耐腐蚀复合涂层；

等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为5mm，电流为120A，扫描速度为6mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为22L/h，送粉速度为9g/min。

实施例2

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末按质量比例为90：10的混合物，F322合金粉末的粒度为70μm，碳化钨粉末的粒度为40μm。

对上述制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层进行莱卡金相观察，观察结果见图1。

由图1可知，通过采用F322粉末和碳化钨粉末的特定质量比例以及特定的等离子熔覆技术工艺参数下，涂层与基体为良好冶金结合，表层中裂纹、气孔以及夹杂等缺陷也较少。

实施例3

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末按质量比例为80：20的混合物；F322合金粉末的粒度为40μm，碳化钨粉末的粒度为80μm。

对上述制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层进行扫描电镜及能谱分析，具体结果见图2。

由图2的扫描电镜图可知，本实施例制备的涂层微观组织比较均匀，涂层中弥散分布有不同颗粒大小的多晶成分；由能谱分析图可知，本实施例制备得到的复合涂层为鱼骨状组织，涂层各成分出现有规律的偏析，且成分波动范围不大。

实施例4

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末按质量比例为70：30的混合物；F322合金粉末的粒度为60μm，碳化钨粉末的粒度为100μm。

实施例5

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为20mm，电流为110A，扫描速度为3mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为10L/h，送粉速度为20g/min。

实施例6

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为10mm，电流为115A，扫描速度为20mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为30L/h，送粉速度为5g/min。

实施例7

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为15mm，电流为113A，扫描速度为15mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为15L/h，送粉速度为12g/min。

实施例8

本实施例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为8mm，电流为118A，扫描速度为10mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为25L/h，送粉速度为15g/min。

对比例1

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S1中，熔覆基体为钛合金。

对比例2

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为碳化钛和碳化钨按质量比例70:30的混合物。

对比例3

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为F322粉末和碳化钛按质量比例70:30的混合物。

对比例4

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末按质量比60:40的混合物。

对比例5

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S2中，所述F322粉末的粒度为20μm，碳化钨粉末的粒度为110μm。

对比例6

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S2中，所述F322粉末的粒度为80μm，碳化钨粉末的粒度为30μm。

对比例7

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为25mm，电流为135A，扫描速度为25mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为5L/h，送粉速度为3g/min。

对比例8

本对比例提供一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，等离子熔覆工艺参数为：所选用的光斑宽度为3mm，电流为100A，扫描速度为2mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为35L/h，送粉速度为22g/min。

磨粒磨损实验及物相分析

对实施例1～4进行磨粒磨损试验测试及物相分析，具体检测结果见图3～4。

其中，磨粒磨损试验测试方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，在MLS-225型湿式橡胶轮盘磨粒磨损试验机上分别磨损1000转、2000转后测试磨损量；

物相分析方法如下：打磨抛光制备得到的复合涂层表面后，在X射线衍射仪上进行测试。

由图3可知，当熔覆材料仅为F322粉末时，制备得到的涂层分别在磨损1000转和2000转时磨损量较大，随着碳化钨粉末的加入，磨损量逐渐减小，当碳化钨粉末加入量为30％时，复合涂层在磨损1000转后的磨损量仅为5mg。因此，将F322粉末和碳化钨粉末按特定比例的混合物作为熔覆材料，有利于改善单独使用Ni基、Co基、Fe基时的不足，制备得到的涂层耐磨性能好，使用寿命延长。

由图4可知，本发明制备的涂层以Ni-Cr-Fe、Cr₂Fe₁₄C等相为主。

显微硬度及电化学性能检测

对实施例1～8及对比例1～8制备得到的高硬度耐腐蚀涂层试样进行各项性能检测，主要包括显微硬度和电化学性能检测，具体检测结果见表1以及图5～6。

其中，显微硬度检测方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，采用砂纸打磨去除试样表面铁锈、污渍和大的划痕，再用抛光机抛光至镜面无任何划痕状态，然后用无水乙醇和超声波彻底清洗、烘干，随后利用莱卡显微硬度计测试其表面熔覆层至基底的硬度；为了减小实验误差，每个试样的横向水平测量层分别测量3个点，每个测量点之间相隔0.2cm，然后再取平均值。不同工艺参数下制备的熔覆层显微硬度从熔覆层顶部开始测量，每隔0.2cm为一个测量点，显微硬度即可表征本发明制备涂层的耐磨性能。

电化学性能检测方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，打磨抛光涂层试样表面，然后在CHI660E电化学工作站上，采用3.5wt.％的NaCl溶液测试合金涂层的极化曲线，自腐蚀电位即可表征本发明制备涂层的耐腐蚀性能。

表1

与实施例1～4及对比例1～4比较可知，本发明开创性地采用45#钢作为熔覆基体，配合使用按特定比例混合的F322粉末和碳化钨粉末作为熔覆材料，采用等离子熔覆技术在45#钢表面形成一层合金涂层，该涂层综合熔覆基体与熔覆材料的性能，硬度较高，在高温环境下具有良好的耐腐蚀性和耐磨性能。

与对比例5和6比较可知，本发明的熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末的混合物，严格控制两种粉末的粒度，不但不会在等离子熔覆过程中出现输料管堵塞的问题，在该粒度范围内制备得到的涂层性能稳定。

与实施例5～8及对比例7～8比较可知，本发明采用等离子熔覆技术在45#钢表面制备涂层，合理严格控制等离子熔覆过程中各项工艺参数，在特定电流、扫描速度、光斑宽度、送粉速度条件下，有效避免了涂层产生气孔，防止涂层开裂，保障涂层的致密性，制备得到的涂层显微硬度最高可达632HV，自腐蚀电位可达-845mV。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理；

S2.将熔覆材料进行干燥处理；

S3.将步骤S2的熔覆材料置于等离子熔覆送粉装置中，进行等离子熔覆后，即得所述耐磨耐腐蚀复合涂层；

其中，步骤S1所述熔覆基体为45#钢；步骤S2所述熔覆材料为F322粉末和碳化钨粉末。

2.根据权利要求1所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述F322粉末和碳化钨粉末的质量比例为100~70：0~30。

3.根据权利要求2所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述F322粉末的粒度为30~70 μm，所述F322粉末由C、Cr、Ni、Si、W、Mo、B、Fe元素组成，含量分别为≤0.15%、21~25%、12~15%、4~5%、2~3%、2~3%、1.5~2%，Fe余量。

4.根据权利要求2所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述碳化钨粉末的粒度为40~100 μm。

5.根据权利要求1所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述熔覆基体预处理的具体操作步骤为：将熔覆基体表面用600目砂纸打磨光洁，再用乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹。

6.根据权利要求4所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述乙醇溶液的浓度为95%，所述处理时间为5 min。

7.根据权利要求1所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤S2所述干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80℃，干燥时间为30 min。

8.根据权利要求1所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤S3所述等离子熔覆的工艺参数为：所选用的光斑宽度为5~20 mm，电流为110~130 A，扫描速度为3~20 mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为10~30 L/h，送粉速度为5~20 g/min。

9.根据权利要求1所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤S3所述等离子熔覆的工艺参数为：所选用的光斑宽度为5~20 mm，电流为110~130 A，扫描速度为3~20 mm/s，采用氩气作为保护气体，氩气流量为10~30 L/h，送粉速度为5~20 g/min。

10.一种如权利要求1~9任一项所述利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。