CN109023355A - 一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法，属于表面耐磨涂层技术领域。本发明的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层由如下质量百分比的组分经等离子堆焊后制得：铁基自熔性合金粉末48％～69％、微米Cr3C2粉末30％～50％、微米Ti粉末0.5％～1％、纳米Y2O3粉末0.5％～1％。上述等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备包括以下步骤：基材预处理、复合粉末的配制及烘干、涂层的制备和后热处理。通过使用本发明的技术方案，能够使多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的硬度、耐磨性得到进一步提高的基础上，还能明显改善涂层的工艺特性，有效防止涂层裂纹的产生。
Description
技术领域
本发明涉及表面耐磨涂层技术领域，更具体地说，涉及一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
材料表面的磨损给机械零部件造成了不可避免的损害，从而造成了材料和能源的严重浪费，因此，利用表面改性技术对材料表面进行处理以提高材料的性能具有重要意义。等离子堆焊技术是利用高温等离子弧将合金粉末与基材材料加热融化，在冷却过程中，基材表面迅速形成一层区别于基材材料综合性能较好的堆焊涂层。等离子堆焊技术应用广泛，操作简单，可控性好，可堆焊各种金属，使用材料范围广。因此，利用等离子堆焊技术在基材材料表面制备耐磨涂层效率高，适用于冶金、矿山、运输、机械等领域的耐磨防护处理。
等离子熔覆粉末主要可以分为自熔性合金粉末和复合粉末两类。常用的自熔性合金粉末主要包括铁基、钴基和镍基合金粉末，而铁基合金粉末价格低廉，应用广泛，且大部分基材材料为钢铁材料，与铁基粉末具有良好的相容性。但单一的铁基合金涂层硬度较低、耐磨性一般，无法满足苛刻环境下的工作要求。因此通过添加陶瓷颗粒来制备耐磨性能较好的复合涂层成为研究的重点。Cr3C2作为一种陶瓷增强相具有高熔点、高硬度等特点，相对于TiC、WC等陶瓷粉末，Cr3C2熔点相对较低，在液态合金熔池中的溶解特点易控制，且Cr元素是耐蚀性元素，因此可以选用Cr3C2作为增强相来制备复合涂层。为了提高涂层的硬度和耐磨性，可以增加陶瓷颗粒的含量，但由于陶瓷相与金属基体热物理性能差异大，当Cr3C2的加入量较多时堆焊涂层工艺特性变差，复合涂层以过共晶方式结晶，初生碳化物组织粗大、分布不均匀，涂层有开裂倾向。如专利公开号：CN102899662B，公开日：2014年06月11日，发明创造名称为：一种(Cr,Fe)7C3柱状碳化物增强Fe基耐磨涂层的制备方法，该申请案以质量比分别为1:5、3:5和1:1的碳化铬粉末与铁基粉末的混合粉末作为熔覆材料，使用等离子弧进行熔覆，其中转移弧电流为80～120A；等离子氩气流量为3-6L/min；送粉氩气流量为1.5-3L/min；保护气体为氩气。该申请案制备的(Cr,Fe)7C3柱状碳化物增强Fe基涂层过程简单，(Cr,Fe)7C3增强相为原位生成，与基体结合力较大，但当加入的碳化铬含量较高时，柱状碳化物含量升高，不均匀性增加，仍然存在脆性剥落倾向，从而不利于涂层抗磨损性能的发挥。
针对现有因Cr3C2加入过多而造成的缺陷，现有技术中已公开相关解决方案，如专利公开号：CN105132914A，公开日：2015年12月09日，发明创造名称为：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，该申请案以质量百分比为20％～40％的纳米Cr3C2粉末与59％～79％的微米Fe基合金粉末作为复合粉末，通过单一添加0.5％～1％的纳米Ti来改善激光熔覆涂层的组织性能，该申请案在一定程度上改善了Fe基Cr3C2复合涂层组织性能，但由于纳米Cr3C2尺寸较小，易团聚，该申请案加入的纳米Cr3C2含量又比较高，在熔覆过程中工艺特性较差，该申请案通过加入纳米Ti来改善涂层组织性能，但纳米Ti同样易产生团聚现象；再如专利公开号：CN105112909A，公开日：2015年12月02日，发明创造名称为：一种添加CeO2的铁基Cr3C2激光熔覆涂层及其制备方法，该申请案以质量百分比为26.5％～34％的微米Cr3C2粉末与65％～73％的微米Fe基合金粉末作为复合粉末，通过单一添加0.5％～1％的纳米CeO2来改善激光熔覆涂层的熔覆特性，该申请案采用微米级的Cr3C2粉末克服了采用纳米级Cr3C2易团聚的缺陷，纳米CeO2在一定程度上改善了铁基碳化铬涂层的工艺特性及组织性能，但涂层组织中仍然存在较大块碳化物，具有较高的脆性等缺点，同时由于激光熔覆技术加热快、冷却快的特点，导致涂层组织成分不均匀，尤其当添加较多的碳化铬时，仍然存在气孔夹渣的问题。
综上所述，如何克服现有过共晶涂层中因Cr3C2加入过多而引起的工艺特性较差、有裂纹倾向等质量缺陷难以消除的不足，是现有技术中亟需解决的技术难题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明针对现有过共晶涂层中因Cr3C2加入过多而引起的工艺特性较差、有裂纹倾向等质量缺陷难以消除的不足，提供了一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层及其制备方法，使过共晶涂层的组织得到进一步细化与均匀化，使涂层具有较高的硬度，同时改善熔覆工艺特性，减少裂纹倾向，获得一种价廉优质的具有高硬度且耐磨性较好的过共晶涂层，延长了表面改性工件的使用寿命，降低了生产成本。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末48％～69％、微米Cr3C2粉末30％～50％、微米Ti粉末0.5％～1％、纳米Y2O3粉末0.5％～1％，其中，上述铁基自熔性合金粉末包括如下质量百分比的组分：C0.12％～0.16％、Cr15％～18％、Ni3.5％～4.5％、Mo1.2％～1.6％、Fe为余量。
作为本发明更进一步的改进，铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，微米Cr3C2粉末采用NiCr-Cr3C2粉末，其粒度为15～45μm，微米Ti粉末的粒度为50～90μm，纳米Y2O3粉末的粒度为40～70nm。
一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，具体步骤为：
步骤a：基材预处理：
对基材表面进行清洁，并在烘箱中于150～200℃下烘干2.5～3.5h；
步骤b：复合粉末的配制及烘干：
按照质量百分比含量称量以下四种组分：铁基自熔性合金粉末48％～69％、微米Cr3C2粉末30％～50％、微米Ti粉末0.5％～1％、纳米Y2O3粉末0.5％～1％，将称好的粉末研磨使其均匀混合得到堆焊用复合粉末，然后将复合粉末置于烘箱中于150～200℃下烘干1.5～2.5h；
步骤c：制备涂层：
将烘干的复合粉末采用预置粉末法均匀地涂覆在基材上，在基材表面形成复合涂层，再将基材置于烘箱中于150～200℃下烘干2～2.5h，然后利用等离子堆焊机对表面复合涂层进行堆焊；
步骤d：后热处理：
将堆焊后的基材置于150～200℃的保温炉中保温1.5～2.5h后随炉冷却。
作为本发明更进一步的改进，步骤b中粉末混合时向复合粉末中加入无水乙醇作为溶剂进行研磨，无水乙醇的加入量为每小时10～15ml/100g复合粉末。
作为本发明更进一步的改进，步骤c中复合涂层预置的具体操作为：向复合粉末中加入丙酮作为溶剂，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材待堆焊表面，预置复合涂层的厚度为2.5～3mm，宽度为20～25mm；其中，火棉胶的加入量为5～6ml/100g复合粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g复合粉末。
作为本发明更进一步的改进，步骤c中还包括第一铁基涂层的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在预置好的复合涂层一端再预置一层该铁基粉末浆料形成第一铁基涂层，第一铁基涂层的预置厚度与复合涂层厚度一致，预置宽度与复合涂层宽度一致，其中，火棉胶的加入量为5～6ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g铁基自熔性合金粉末。
作为本发明更进一步的改进，步骤c中还包括第二铁基涂层的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在预置好的复合涂层表面再预置一层该铁基粉末浆料形成第二铁基涂层，其中，铁基自熔性合金粉末质量为预置复合涂层所用的复合粉末总质量的1～3％，火棉胶的加入量为5～6ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g铁基自熔性合金粉末。
作为本发明更进一步的改进，步骤c中粉末预置时将配置好的粉末浆料倒入预置模具的操作腔中，然后用玻璃棒将操作腔内的浆料碾平，使其均匀填充于操作腔。
作为本发明更进一步的改进，预置模具包括顶架和侧架，侧架设置于顶架的两端，侧架和顶架之间形成操作腔，侧架远离顶架的端部均设置有溢流架，溢流架和侧架之间通过连接臂连接，两侧的溢流架之间形成与操作腔相连通的溢流腔。
作为本发明更进一步的改进，步骤c中进行等离子堆焊时的工艺参数如下：工作电流180～200A，送粉电压8～25V，摆动速度1800mm/min，摆动宽度20～25mm，喷距6～8mm，离子气流量300L/h，保护气流量300L/h，离子气、保护气均为氩气。
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)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，Ti作为强碳化物形成元素优先与C结合析出纳米级的TiC增强颗粒，并进一步促进Cr3C2的熔解，既发挥了金属粉末Ti的作用，又避免了使用纳米Cr3C2和纳米Ti的团聚作用；纳米Y2O3可以作为异质形核核心，提高了形核率，起到细晶强化的作用，同时纳米Y2O3具有吸附特性，易聚集在碳化物的择优生长方向上，可以进一步阻止碳化物的长大；另一方面，纳米Y2O3将会提高过共晶涂层在液态合金熔池中的流动性，净化熔池，促进Ti+Cr3C2＝TiC+Cr的反应，促进微米Cr3C2的熔解，有效发挥纳米Y2O3与微米Ti之间的协同作用，避免因碳化物尺寸较大引起的组织不均匀等质量缺陷，改善涂层熔覆质量，避免开裂倾向。
(2)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其制备方法步骤b中，在研磨过程中加入无水乙醇作为溶剂，可以使各粉末之间充分混合分散，同时由于无水乙醇易挥发可以带走研磨过程中产生的热量，防止粉末团聚，有利于粉末之间的混合均匀。
(3)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其制备方法步骤c中，通过采用预置模具的配合，能够有效保障复合涂层的涂覆均匀性，保障复合涂层表面平整，有效解决常规操作中采取直接涂覆出现的涂层涂覆不整齐、宽度厚度不一致而导致涂层熔融不充分或者产生过烧现象，有助于提高堆焊成型质量。
(4)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其制备方法步骤c中，在预置好的复合涂层一端再预置一层铁基粉末浆料形成第一铁基涂层，在等离子堆焊过程中，等离子弧从第一铁基涂层开始向复合涂层堆焊，由于第一铁基涂层为铁基自熔性合金粉末组成，其具有良好的熔覆性，在堆焊过程中，等离子弧在第一铁基涂层处引燃，向复合涂层方向堆焊，有效解决了从复合涂层处开始堆焊点火困难的问题，使得堆焊能够顺利进行，涂层的工艺特性明显改善。
(5)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其制备方法步骤c中，待预置好的复合涂层凝固后，在复合涂层表面均匀涂覆一层铁基粉末浆料作为第二铁基涂层，等离子弧直接与第二铁基涂层接触可以改善复合涂层的工艺特性，同时避免Cr3C2陶瓷颗粒的直接烧损，有利于制备出熔覆质量较好的复合涂层；铁基粉末质量控制为预置复合涂层粉末总质量的1～3％，从而有效控制第二铁基涂层的厚度，从而防止在高温液态熔池中，第二铁基涂层中铁原子的扩散对复合涂层的成分产生稀释作用，导致复合涂层的组织性能有所影响，最终有助于提高复合涂层的工艺特性。
(6)本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其制备方法步骤c中，所用的工作电流为180A～200A，等离子堆焊过程中工作电流对涂层的熔覆过程影响较大，堆焊电流过大，等离子弧热输入较大，能量过高，容易导致涂层过烧，电流过小又无法充分将涂层熔透，当Cr3C2含量为30～50％时，工作电流为180A～200A制备出的涂层成型性较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1(a)为对比例1所得涂层的典型金相显微组织；
图1(b)为实施例1所得涂层的典型金相显微组织；
图2为对比例1与对实施例1所得涂层的截面显微硬度值；
图3(a)为对比例1所得涂层的滑动磨损表面形貌；
图3(b)为实施例1所得涂层的滑动磨损表面形貌；
图4为本发明中一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法的步骤流程图；
图5为本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的俯视结构示意图；
图6为本发明的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的左视结构示意图；
图7为本发明中预置模具的结构示意图。
示意图中的标号说明：1、基材；2、复合涂层；3、第一铁基涂层；4、第二铁基涂层；5、顶架；6、侧架；7、操作腔；8、溢流架；9、连接臂。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图4、图5和图6，本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末58％、微米Cr3C2粉末40％、微米Ti粉末1％、纳米Y2O3粉末1％，其中，上述铁基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.12％、Cr15％、Ni3.5％、Mo1.2％、Fe为余量；铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，微米Cr3C2粉末采用NiCr-Cr3C2粉末，其粒度为15～45μm，微米Ti粉末的粒度为50～90μm，纳米Y2O3粉末的粒度为40～70nm；具体地，该过共晶涂层采用等离子堆焊制得，其制备方法为：
步骤a：基材1预处理：
本实施例中选用低碳钢作为堆焊基材1，使用砂轮机对其待堆焊表面进行打磨去除氧化皮，使用丙酮进行清洗以除去基材1待堆焊表面的油污和铁锈，再用酒精将基材1表面擦干，同时保证待堆焊表面的平整与光洁，然后将基材1置于烘箱中于150℃下烘干2.5h；
步骤b：复合粉末的配制及烘干：
按照质量百分比含量称取以下四种组分：铁基自熔性合金粉末58％、微米Cr3C2粉末40％、微米Ti粉末1％、纳米Y2O3粉末1％；将上述称好的四种粉末研磨使其均匀混合得到堆焊用复合粉末，研磨时间为2～3h，具体地可将上述粉末置于研钵中进行手动研磨3h，保证用力均匀，在研磨过程中加入无水乙醇作为溶剂，无水乙醇的加入量为每小时10ml/100g复合粉末，在研磨过程中加入无水乙醇作为溶剂，可以使各粉末之间充分混合分散，同时由于无水乙醇易挥发可以带走研磨过程中产生的热量，防止粉末团聚，有利于粉末之间的混合均匀；将上述复合粉末置于烘箱中于180℃下烘干2.5h，以去除粉末中的水蒸气，避免堆焊过程中气孔的产生，且降低了基材1与堆焊层的温差，减小热应力，降低了由于基材1热影响区发生马氏体相变而引发堆焊层裂纹的倾向；另外，适当的预热处理有利于堆焊层内气泡和造渣产物的排出，从而有利于改善堆焊层的成型质量。
步骤c：制备涂层：
将烘干后的复合粉末预置于基材1的待堆焊表面，在基材1表面形成复合涂层2，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于瓷坩埚中，并向其中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，其中，丙酮的加入量为10ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为5ml/100g复合粉末，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基材1待堆焊表面，预置复合涂层2的厚度为2.5mm，宽度为20mm。
本实施例中预置涂层时配合采用预置模具完成，将配置好的粉末浆料倒入预置模具的操作腔7中，然后用玻璃棒将操作腔7内的浆料碾平，使其均匀填充于操作腔7，具体地，该预置模具如图7所示，预置模具包括顶架5和侧架6，侧架6设置于顶架5的两端，侧架6和顶架5之间形成操作腔7，侧架6远离顶架5的端部均设置有溢流架8，溢流架8和侧架6之间通过连接臂9连接，两侧的溢流架8之间形成与操作腔7相连通的溢流腔，顶架5、侧架6、溢流架8和连接臂9均为高度一致的平面架，使操作腔7和溢流腔的厚度保持均匀统一厚度。使用时，先将预置模具放置在基材1待堆焊表面，预置模具的周边框架底部(即顶架5、侧架6、溢流架8和连接臂9底部)均可设置为磁性材料，使其牢牢吸附于基材1表面，然后将粉末浆料从远离溢流腔的一端倒入操作腔7中，并使用玻璃棒碾压浆料表面，将浆料碾实排出其中的气泡，并使浆料表面平整且厚度均匀分布，从而在基材1待堆焊表面形成厚度均匀一致的复合涂层2，溢流出的浆料沿溢流腔流出以方便回收，且连接臂9内壁设置为向内侧凸出的弧形光滑壁，能够对溢流的浆料进行有效导流。
本实施例中复合涂层2的涂覆均匀性对于保证堆焊效果至关重要，常规操作中普遍采取直接涂覆的方式，容易出现涂覆不整齐、宽度厚度不一致的现象，导致堆焊过程中较宽的涂层没有接受到等离子弧的熔覆，高温等离子弧的热输入也难以将较厚的涂层充分融化与基材1呈冶金结合，较窄和较薄的涂层在高温等离子弧作用下会产生过烧现象。本实施例通过采用预置模具的配合，能够有效保障复合涂层2的涂覆均匀性，保障复合涂层2表面平整，有效解决以上缺陷，有助于提高堆焊成型质量。
本实施例中还包括第一铁基涂层3的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在预置好的复合涂层2一端再预置一层该铁基粉末浆料形成第一铁基涂层3，第一铁基涂层3的预置厚度与复合涂层2厚度一致，预置宽度与复合涂层2宽度一致，其中，火棉胶的加入量为5ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10ml/100g铁基自熔性合金粉末。
本实施例中还包括第二铁基涂层4的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在预置好的复合涂层2表面再预置一层该铁基粉末浆料形成第二铁基涂层4，第二铁基涂层4的预置宽度与复合涂层2宽度一致，其中，铁基自熔性合金粉末质量为预置复合涂层2所用的复合粉末总质量的1％，火棉胶的加入量为5ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10ml/100g铁基自熔性合金粉末。同理，本实施例在预置第一铁基涂层3和第二铁基涂层4时同样配合采用预置模具进行操作，充分保障各涂层的涂覆均匀性和平整度。
本实施例中将预置好的复合涂层2、第一铁基涂层3和第二铁基涂层4及基材1置于烘箱中于180℃下烘干2h，然后采用PTA-400E型等离子堆焊机进行堆焊，堆焊从第一铁基涂层3的一端开始，试验所用的堆焊工艺参数如下：工作电流190A，送粉电压8～25V，摆动速度1800mm/min，摆动宽度20mm，喷距7mm。堆焊过程中使用Ar气进行保护，以防止等离子堆焊过程中合金元素的氧化。
步骤d：后热处理：
将堆焊后的基材1置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，从而可以消除或减小堆焊层的残余应力以及堆焊加工对基体产生的不利热影响，进一步保证了堆焊层的性能。
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，利用复合添加的方式将纳米Y2O3与微米Ti同时加入到微米Cr3C2及微米铁基自熔性合金粉末中得到复合粉末，利用等离子堆焊技术制备铁基过共晶复合涂层，由于Ti是强碳化物形成元素，能够优先与C结合析出纳米级的第二相即TiC增强颗粒，并进一步促进Cr3C2的熔解，从而达到细化碳化物的目的，既发挥了金属粉末Ti的作用，又避免了使用纳米Cr3C2和纳米Ti的团聚作用；而添加的纳米Y2O3可以作为异质形核核心，提高了形核率，起到细晶强化的作用，同时纳米Y2O3具有吸附特性，易聚集在碳化物的择优生长方向上，可以进一步阻止碳化物的长大；另一方面，纳米Y2O3的添加将会提高过共晶涂层在液态合金熔池中的流动性，净化熔池，促进Ti+Cr3C2＝TiC+Cr的反应，有利于Ti与C元素结合，促进微米Cr3C2的熔解，有效发挥纳米Y2O3与微米Ti之间的协同作用，避免因碳化物尺寸较大引起的组织不均匀等质量缺陷，改善涂层熔覆质量，避免开裂倾向。
值得说明的是，现有技术中为了改善单一涂层硬度低、耐磨性差等缺点，通常在金属基合金粉末里添加陶瓷颗粒从而将金属的高韧性与陶瓷材料的高熔点、高硬度、高耐磨性等结合起来，达到增强涂层硬度、提高其耐磨性的目的。但由于陶瓷相与金属基体热物理性能参数差异大，当陶瓷颗粒加入量较高时堆焊涂层工艺特性变差，因此现有技术中会尽量避免在金属基合金粉末中加入过多的陶瓷颗粒。而涂层的硬度及耐磨性又在很大程度上取决于陶瓷颗粒的含量，这是一个互相矛盾的问题。
本实施例在有效保障涂层的硬度及耐磨性的基础上，同时有效提高了堆焊涂层的工艺特性，具体地，陶瓷颗粒的大量加入得到大量先共晶碳化物的过共晶涂层，同时通过设置第一铁基涂层3，有效解决了陶瓷颗粒含量过高导致的等离子弧难以点火、堆焊难以进行的问题。本实施例在预置好的复合涂层2一端再预置一层铁基粉末浆料形成第一铁基涂层3，第一铁基涂层3的预置厚度与复合涂层2厚度一致，预置宽度与复合涂层2宽度一致，同样配合采用预置模具进行操作，充分保障各涂层的涂覆均匀性和平整度。在等离子堆焊过程中，等离子弧从第一铁基涂层3开始向复合涂层2堆焊，由于第一铁基涂层3为铁基自熔性合金粉末组成，其具有良好的熔覆性，在堆焊过程中，等离子弧在第一铁基涂层3处引燃，向复合涂层2方向堆焊，有效解决了从复合涂层2处开始堆焊点火困难的问题，使得堆焊能够顺利进行，涂层的工艺特性明显改善。
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，其制备方法步骤c中，待预置好的复合涂层2凝固后，在复合涂层2表面均匀涂覆一层铁基粉末浆料作为第二铁基涂层4，由于复合涂层2中的Cr3C2含量较高，导致其熔覆性较差，在堆焊过程中，等离子弧直接与第二铁基涂层4接触可以改善复合涂层2的工艺特性，同时避免Cr3C2陶瓷颗粒的直接烧损，有利于制备出熔覆质量较好的复合涂层2；铁基粉末质量控制为预置复合涂层2粉末总质量的1％，从而有效控制第二铁基涂层4的厚度，从而防止在高温液态熔池中，第二铁基涂层4中铁原子的扩散对复合涂层2的成分产生稀释作用，导致复合涂层2的组织性能有所影响，最终有助于提高复合涂层2的工艺特性。
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，其制备方法步骤c中，所用的工作电流为190A，等离子堆焊过程中工作电流对涂层的熔覆过程影响较大，堆焊电流过大，等离子弧热输入较大，能量过高，容易导致涂层过烧，电流过小又无法充分将涂层熔透，当Cr3C2含量为40％时，工作电流为190A时制备出的涂层成型性较好。
对比例1
本对比例的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层采用常规加工工艺制备，具体地，该等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末60％、微米Cr3C2粉末40％，在制备过程中采用常规的预置涂层法进行涂覆，工艺参数同实施例1。
分别在对比例1与实施例1的等离子堆焊试样上沿垂直于等离子弧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。将腐蚀后的试样采用ZEISS型金相显微镜(OM)进行组织形貌观察。在对比例1与本实施例1所得等离子堆焊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。使用砂轮机将硬度试样待测试面粗磨打平，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型显微硬度计测量涂层的显微硬度，加载载荷为4.9N，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1依次每隔0.3mm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MMS-2A环－块磨损试验机上进行滑动磨损试验，试验加载载荷为300N，试验机转速200r/min，磨损时间30分钟，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50mm，内径16mm，厚度10mm，材料为模具钢表面激光熔覆WCP/Ni基涂层。
图1(a)、(b)分别为对比例1与实施例1所得涂层的典型金相显微组织图，对比可知，采用实施例1加工出的过共晶涂层，涂层的组织形貌与常规技术加工的过共晶涂层有明显变化，粗大的先共晶碳化物明显细化，涂层组织中多为细小方角型碳化物，长条状碳化物被打断碎化并均匀分布在枝晶及共晶组织中。图2为对比例1与实施例1所得涂层的截面显微硬度值，可看出采用实施例1加工出的过共晶涂层显微硬度明显提高，且硬度分布更加均匀。表1为对比例1与实施例1所得涂层的滑动磨损失重数据，本实施例1中复合涂层2的相对耐磨性提高了2.08倍，磨损失重减小明显，耐磨性得到改善。图3为对比例1与实施例1所得涂层的滑动磨损表面形貌，对比例1中复合涂层2磨损形貌中存在严重剥落和细小裂纹，而本实施例1中复合涂层2滑动磨损表面光滑洁净，有轻微的犁沟和剥落，相对于对比例1的过共晶涂层，其耐磨性得到明显改善。
表1为对比例1与实施例1所得涂层的滑动磨损失重数据。
表1
| 涂层种类 | 磨损失重Δm/mg | 相对耐磨性ε |
| Cr3C2/Fe | 69.8 | - |
| Y2O3/Ti/Cr3C2/Fe | 33.5 | 2.08 |
分析认为，过共晶组织的粗细及均匀性直接影响等离子堆焊涂层的硬度和耐磨性，当粗大的先共晶碳化物得到细化与均匀化时，枝晶及共晶组织也会细化，增强相与基体相的结合强度会提高，涂层韧性也将得到改善。现有针对过共晶涂层中因Cr3C2加入过多而引起的工艺特性较差、有裂纹倾向等质量缺陷的不足，已有相关专利公开，比如专利公开号：CN105132914A，发明创造名称为：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，该申请案选择纳米级的Cr3C2代替微米级的Cr3C2，利用纳米级陶瓷颗粒小尺寸的优点克服普通陶瓷材料脆性大、易出现裂纹等缺点，但是纳米Cr3C2易产生团聚现象，利用纳米Ti来改善熔覆质量效果有限，且纳米Ti也易团聚，。再如专利公开号：CN105112909A，发明创造名称为：一种添加CeO2的铁基Cr3C2激光熔覆涂层及其制备方法，该申请案公开了单一添加纳米CeO2来改善过共晶涂层的组织性能，但由于稀土氧化物质量较轻，添加的含量较少，在高温液态熔池中发挥作用有限，而增加稀土氧化物的含量又会阻碍熔池的流动，反而产生不好的影响。
本实施例利用复合添加的方式将纳米Y2O3与微米Ti同时加入到微米Cr3C2及微米铁基粉末中得到复合粉末，利用等离子堆焊技术制备铁基过共晶复合涂层，复合添加微米Ti与纳米Y2O3后，由于Ti是强碳化物形成元素，能够优先与C结合生成TiC颗粒增强相，并进一步促进Cr3C2的熔解，从而达到细化碳化物的作用；而添加的纳米Y2O3可以作为异质形核核心，起到细化晶粒的作用，同时纳米Y2O3具有吸附特性，易聚集在碳化物的择优生长方向上，可以进一步阻止碳化物的长大；另一方面，纳米Y2O3的添加将会提高过共晶涂层在液态合金熔池中的流动性，净化熔池，促进Ti+Cr3C2＝TiC+Cr的反应，导致熔池中的Ti元素可以更有效的与C元素结合，促进微米Cr3C2的熔解，避免因碳化物尺寸较大引起的组织不均匀等质量缺陷，改善涂层熔覆质量，避免开裂倾向。
综上所述，本实施例将原位合成原理和纳米氧化物的特性相结合，以金属粉末与纳米氧化物复合添加的方式来改善过共晶涂层的组织性能，并在各粉末的尺度上进行了优化选择，可以有效细化组织并改善涂层熔覆质量。微米Ti的添加可以原位合成纳米尺度的增强相，起到与纳米Ti相同的作用，又避免了使用纳米Ti产生的团聚作用；纳米Y2O3的添加可以发挥其纳米特性与稀土特性，又促进了微米Ti与微米Cr3C2之间的反应；纳米Y2O3与微米Ti之间的协同作用，进一步地改善了铁基过共晶涂层的组织结构，有效细化与均匀化先共晶碳化物，从而使得在磨损过程中，硬质相难以剥离基体，最终使得高硬度高强度的涂层可有效抵抗磨粒的磨损，使涂层的耐磨性达到最佳。
实施例2
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末69％、微米Cr3C2粉末30％、微米Ti粉末0.5％、纳米Y2O3粉末0.5％，其中，上述铁基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.14％、Cr16％、Ni4％、Mo1.4％、Fe为余量；铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，微米Cr3C2粉末采用NiCr-Cr3C2粉末，其粒度为15～45μm，微米Ti粉末的粒度为50～90μm，纳米Y2O3粉末的粒度为40～70nm；具体地，该过共晶涂层采用等离子堆焊制得，其制备方法为：
步骤a：基材1预处理：
本实施例中选用低碳钢作为堆焊基材1，使用砂轮机对其待堆焊表面进行打磨去除氧化皮，使用丙酮进行清洗以除去基材1待堆焊表面的油污和铁锈，再用酒精将基材1表面擦干，同时保证待堆焊表面的平整与光洁，然后将基材1置于烘箱中于180℃下烘干2.5h；
步骤b：复合粉末的配制及烘干：
按照质量百分比含量称取以下四种组分：铁基自熔性合金粉末69％、微米Cr3C2粉末30％、微米Ti粉末0.5％、纳米Y2O3粉末0.5％；将上述称好的四种粉末研磨使其均匀混合得到堆焊用复合粉末，研磨时间为2～3h，具体地可将上述粉末置于研钵中进行手动研磨2.5h，保证用力均匀，在研磨过程中加入无水乙醇作为溶剂，每小时12ml/100g复合粉末；将上述复合粉末置于烘箱中于200℃下烘干2h。
步骤c：制备涂层：
将烘干后的复合粉末预置于基材1的待堆焊表面，在基材1表面形成复合涂层2，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于瓷坩埚中，并向其中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，其中，丙酮的加入量为12ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为6ml/100g复合粉末，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基材1待堆焊表面，预置复合涂层2的厚度为3mm，宽度为22mm。
本实施例中还包括第一铁基涂层3的预置，具体操作同实施例1。
本实施例中还包括第二铁基涂层4的预置，具体操作同实施例1，不同之处在于：铁基自熔性合金粉末质量为预置复合涂层2所用的复合粉末总质量的2％。
本实施例中将预置好的复合涂层2、第一铁基涂层3和第二铁基涂层4及基材1置于烘箱中于200℃下烘干2h，然后采用PTA-400E型等离子堆焊机进行堆焊，堆焊从第一铁基涂层3的一端开始，试验所用的堆焊工艺参数如下：工作电流180A，送粉电压8～25V，摆动速度1800mm/min，摆动宽度20mm，喷距8mm。堆焊过程中使用Ar气进行保护，以防止等离子堆焊过程中合金元素的氧化。
步骤d：后热处理：
将熔覆后的基材1置于180℃的保温炉中保温2.5h后随炉冷却。
实施例3
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末48.4％、微米Cr3C2粉末50％、微米Ti粉末0.8％、纳米Y2O3粉末0.8％，其中，上述铁基自熔性合金粉末由如下质量百分比的组分组成：C0.16％、Cr18％、Ni4.5％、Mo1.6％、Fe为余量；铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，微米Cr3C2粉末采用NiCr-Cr3C2粉末，其粒度为15～45μm，微米Ti粉末的粒度为50～90μm，纳米Y2O3粉末的粒度为40～70nm；具体地，该过共晶涂层采用等离子堆焊制得，其制备方法为：
步骤a：基材1预处理：
本实施例中选用低碳钢作为堆焊基材1，使用砂轮机对其待堆焊表面进行打磨去除氧化皮，使用丙酮进行清洗以除去基材1待堆焊表面的油污和铁锈，再用酒精将基材1表面擦干，同时保证待堆焊表面的平整与光洁，然后将基材1置于烘箱中于200℃下烘干3h；
步骤b：复合粉末的配制及烘干：
按照质量百分比含量称取以下四种组分：铁基自熔性合金粉末48.4％、微米Cr3C2粉末50％、微米Ti粉末0.8％、纳米Y2O3粉末0.8％；将上述称好的四种粉末研磨使其均匀混合得到堆焊用复合粉末，研磨时间为2～3h，具体地可将上述粉末置于研钵中进行手动研磨3h，保证用力均匀，在研磨过程中加入无水乙醇作为溶剂，每小时15ml/100g复合粉末；将上述复合粉末置于烘箱中于200℃下烘干2.5h。
步骤c：制备涂层：
将烘干后的复合粉末预置于基材1的待堆焊表面，在基材1表面形成复合涂层2，粉末预置的具体操作为：将复合粉末置于瓷坩埚中，并向其中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，其中，丙酮的加入量为15ml/100g复合粉末，火棉胶的加入量为6ml/100g复合粉末，充分搅拌均匀获得浆料，然后将浆料均匀涂覆于基材1待堆焊表面，预置复合涂层2的厚度为2.7mm，宽度为25mm。
本实施例中还包括第一铁基涂层3的预置，具体操作同实施例1。
本实施例中还包括第二铁基涂层4的预置，具体操作同实施例1，不同之处在于：铁基自熔性合金粉末质量为预置复合涂层2所用的复合粉末总质量的3％。
本实施例中将预置好的复合涂层2、第一铁基涂层3和第二铁基涂层4及基材1置于烘箱中于200℃下烘干2.5h，然后采用PTA-400E型等离子堆焊机进行堆焊，堆焊从第一铁基涂层3的一端开始，试验所用的堆焊工艺参数如下：工作电流200A，送粉电压8～25V，摆动速度1800mm/min，摆动宽度20mm，喷距8mm。堆焊过程中使用Ar气进行保护，以防止等离子堆焊过程中合金元素的氧化。
步骤d：后热处理：
将熔覆后的基材1置于200℃的保温炉中保温2.5h后随炉冷却。
实施例4
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，与实施例1基本相同，不同之处在于：该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末55.2％、微米Cr3C2粉末43％、微米Ti粉末0.9％、纳米Y2O3粉末0.9％；铁基自熔性合金粉末包括如下质量百分比的组分：C0.13％、Cr16％、Ni3.8％、Mo1.3％、Fe为余量。
实施例5
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，与实施例2基本相同，不同之处在于：该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末65.6％、微米Cr3C2粉末33％、微米Ti粉末0.7％、纳米Y2O3粉末0.7％；铁基自熔性合金粉末包括如下质量百分比的组分：C0.15％、Cr17％、Ni4.2％、Mo1.5％、Fe为余量。
实施例6
本实施例的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，与实施例3基本相同，不同之处在于：该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末50.4％、微米Cr3C2粉末48％、微米Ti粉末1％、纳米Y2O3粉末0.6％；铁基自熔性合金粉末包括如下质量百分比的组分：C0.16％、Cr17％、Ni4.0％、Mo1.2％、Fe为余量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，其特征在于：该过共晶涂层包括如下质量百分比的组分：铁基自熔性合金粉末48％～69％、微米Cr3C2粉末30％～50％、微米Ti粉末0.5％～1％、纳米Y2O3粉末0.5％～1％，其中，上述铁基自熔性合金粉末包括如下质量百分比的组分：C0.12％～0.16％、Cr15％～18％、Ni3.5％～4.5％、Mo1.2％～1.6％、Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层，其特征在于：铁基自熔性合金粉末的粒度为45～180μm，微米Cr3C2粉末采用NiCr-Cr3C2粉末，其粒度为15～45μm，微米Ti粉末的粒度为50～90μm，纳米Y2O3粉末的粒度为40～70nm。
3.一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤a：基材(1)预处理：
对基材(1)表面进行清洁，并在烘箱中于150～200℃下烘干2.5～3.5h；
步骤b：复合粉末的配制及烘干：
按照质量百分比含量称量以下四种组分：铁基自熔性合金粉末48％～69％、微米Cr3C2粉末30％～50％、微米Ti粉末0.5％～1％、纳米Y2O3粉末0.5％～1％，将称好的粉末研磨使其均匀混合得到堆焊用复合粉末，然后将复合粉末置于烘箱中于150～200℃下烘干1.5～2.5h；
步骤c：制备涂层：
将烘干的复合粉末采用预置粉末法均匀地涂覆在基材(1)上，在基材(1)表面形成复合涂层(2)，再将基材(1)置于烘箱中于150～200℃下烘干2～2.5h，然后利用等离子堆焊机对表面复合涂层(2)进行堆焊；
步骤d：后热处理：
将堆焊后的基材(1)置于150～200℃的保温炉中保温1.5～2.5h后随炉冷却。
4.根据权利要求3所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤b中粉末混合时向复合粉末中加入无水乙醇作为溶剂进行研磨，无水乙醇的加入量为每小时10～15ml/100g复合粉末。
5.根据权利要求4所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤c中复合涂层(2)预置的具体操作为：向复合粉末中加入丙酮作为溶剂，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材(1)待堆焊表面，预置复合涂层(2)的厚度为2.5～3mm，宽度为20～25mm；其中，火棉胶的加入量为5～6ml/100g复合粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g复合粉末。
6.根据权利要求3所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤c中还包括第一铁基涂层(3)的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在复合涂层(2)一端再预置一层该铁基粉末浆料形成第一铁基涂层(3)，第一铁基涂层(3)的预置厚度与复合涂层(2)厚度一致，预置宽度与复合涂层(2)宽度一致，其中，火棉胶的加入量为5～6ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g铁基自熔性合金粉末。
7.根据权利要求3所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤c中还包括第二铁基涂层(4)的预置，具体操作为：向铁基自熔性合金粉末中加入丙酮作为溶剂，加入火棉胶作为粘结剂，充分搅拌均匀获得铁基粉末浆料，然后在复合涂层(2)表面再预置一层该铁基粉末浆料形成第二铁基涂层(4)，其中，铁基自熔性合金粉末质量为预置复合涂层(2)所用的复合粉末总质量的1～3％，火棉胶的加入量为5～6ml/100g铁基自熔性合金粉末，丙酮的加入量为10～15ml/100g铁基自熔性合金粉末。
8.根据权利要求3所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤c中粉末预置时将配置好的粉末浆料倒入预置模具的操作腔(7)中，然后用玻璃棒将操作腔(7)内的浆料碾平，使其均匀填充于操作腔(7)。
9.根据权利要求8所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：预置模具包括顶架(5)和侧架(6)，侧架(6)设置于顶架(5)的两端，侧架(6)和顶架(5)之间形成操作腔(7)，侧架(6)远离顶架(5)的端部均设置有溢流架(8)，溢流架(8)和侧架(6)之间通过连接臂(9)连接，两侧的溢流架(8)之间形成与操作腔(7)相连通的溢流腔。
10.根据3-9任意一项所述的一种多尺度颗粒增强的等离子堆焊铁基过共晶耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤c中进行等离子堆焊时的工艺参数如下：工作电流180～200A，送粉电压8～25V，摆动速度1800mm/min，摆动宽度20～25mm，喷距6～8mm，离子气流量300L/h，保护气流量300L/h，离子气、保护气均为氩气。
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