CN109355657A - 一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，本发明采用宽带激光在Q460低合金钢表面进行熔覆，激光功率2.0～4.0kW，激光扫描速度0.09～0.6m/min，熔覆过程氩气保护。以Ni‑Cr‑Si‑B系自熔性合金粉末为基础粉末，添加WC、Ti、Cr和Y2O3进行合金化改性。添加Ti元素，通过原位反应生成网状TiC陶瓷颗粒起到均匀化的作用。添加的WC颗粒原位溶解提供C源，原位生成块状的(Cr,W)5B3陶瓷颗粒起到提高硬度和耐磨性的作用。获得的熔覆层成形性良好，无裂纹缺陷。显微组织为均匀分布的块状(Cr,W)5B3陶瓷颗粒和网状TiC颗粒，改善了宽带激光制备镍基熔覆层的均匀性，进一步提高其性能。

Description

一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法。
背景技术
激光熔覆技术是一种重要的表面改性方法，利用高能激光束做热源将粉末状或丝状材料熔化并使基体微熔，冷却后可以形成具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优异性能的熔覆层。利用激光熔覆技术强化普通碳钢、低合金钢等材料的表面性能可以大大延长零部件的使用寿命，具有显著的成本优势，也符合绿色制造的要求。在传统激光熔覆中，采用圆束激光制备大面积熔覆层时需要通过不断搭接的方式扩展熔覆面积，因此单道熔覆宽度和熔覆速度是决定熔覆效率的两个关键参数。将圆束激光调制为宽带激光应用于激光熔覆可大大增加单道熔覆宽度，是一种提高熔覆效率简单有效的方法。近年来，随着大功率半导体激光器的工业应用和光束调制技术的进步，具有高熔覆效率、低熔覆层稀释率的宽带激光在激光熔覆中的应用逐渐增多。利用光学器件将圆束激光调制为不同长宽比的宽带激光可以显著增大单道熔覆层的宽度，从而提高大面积熔覆的效率，并且熔覆层的稀释率也得到较好控制。
在激光熔覆应用的材料中，以Ni基、Co基金属粉末为基础材料添加TiC、B4C、WC等陶瓷粉末组成复合熔覆层可以进一步提高熔覆层的性能。在熔覆层中硬度低，塑性好的金属相为粘接相，高硬度、高模量的陶瓷颗粒为强化相。采用传统工艺制备添加WC陶瓷相的镍基复合熔覆层时，希望通过合适的激光熔覆工艺参数抑制WC颗粒的溶解，使外加的WC颗粒保持完整以大幅提高熔覆层性能。如专利 CN201310265070提出了一种热轧棒材裙板辊道激光熔覆制备WC硬质合涂层工艺方法。采用该方法制备的复合熔覆层中WC强化相添加比例达到50％，以尽可能提高熔覆层硬度。但采用宽带激光熔覆时熔池对流缓慢，由于WC陶瓷颗粒密度大于镍基液相，在重力作用下容易导致添加的WC陶瓷颗粒在熔覆层底部沉积，造成熔覆层组织和性能不均匀，削弱其使用性能。因此如何促进宽带激光制备镍基/WC复合熔覆层时陶瓷相均匀化，并同时提高复合熔覆层的硬度和耐磨性成为亟待解决的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明针对上述存在的问题，提供了一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，包括以下步骤：
(1)以Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末为基础粉末，添加WC、Ti、 Cr粉和Y2O3得到复合粉末，再将复合粉末利用机械混粉器均匀混合后待用；
(2)粉末预制：采用Q460低合金钢作为基材并进行切割，然后对其表面进行打磨清理以去除锈迹和油污，采用酒精在超声波清洗机中清洗后吹干表面待用，再将步骤(1)中混合后的复合粉末与水玻璃调制成糊状预制在Q460钢表面，在烘干机中烘干以去除水分；
(3)激光熔覆：采用尺寸为15mm×1.5mm的宽带激光进行熔覆，氩气保护，激光能量密度大于50kJ/mm2；
(4)激光熔覆后，让预制试样自然冷却到室温，检验熔覆层成形性和显微组织。
优选的，所述步骤(1)中Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末的成分按照质量百分比为：C：1.0～1.5wt％，Cr：10～18wt％，Fe：10～14wt％， Si：3.0～4.5wt％，B：0.8～2.5wt％，余量为Ni。
优选的，所述步骤(1)中添加的WC颗粒，纯度99.9％，粒度250～350 目，在复合粉末中添加的比例为10～40wt％；Ti粉末，纯度99.99％，粒度200～400目，在复合粉末中添加比例为2.0～8.0wt％；Cr粉末，纯度99.9％，粒度200～400目，在复合粉末中添加比例为5.0～12wt％； Y2O3粉末，纯度99.99％，粒度400～500目，在复合粉末中添加比例为 0.2～1.5wt％；机械混粉器的混合时间为2～4h。
优选的，所述步骤(2)中Q460低合金钢切割为 10mm×20mm×60mm或10mm×100mm×100mm的方块，其中，在 20mm×60mm表面采用单道熔覆，在100mm×100mm表面采用多道搭接熔覆。
优选的，所述步骤(2)中预制粉末层厚度为1.0～1.5mm，烘干机的烘干温度100～150℃，烘干时间2～5h。
优选的，所述步骤(4)中宽带激光使用的聚焦镜头，激光光斑尺寸为15mm×1.5mm，焦距为80mm，离焦量为0mm；激光的功率 2.0～4.0kW，激光的扫描速度0.09～0.6m/min，搭接率20～30％；氩气的纯度为99.99％，氩气的流量12～20L/min。
本发明的技术原理为：控制复合粉末中WC添加比例在40％以内，配合宽带激光熔覆工艺时选择较高的热输入，添加一定量的稀土氧化物Y2O3活化熔池，促进WC颗粒的原位溶解以提供C源。复合粉末中的Ti元素与C发生原位反应，生成网状TiC陶瓷颗粒，主要起到均匀化的作用。复合粉末的Cr与W和B发生原位反应，生成块状的(Cr, W)5B3陶瓷颗粒，该陶瓷相主要起到提高硬度和耐磨性的作用。
(三)有益效果
1、本发明控制复合粉末中WC添加率在40％以内，结合优化的宽带激光熔覆工艺，熔覆效率提高，且熔覆层成形良好，与基体结合紧密，无裂纹缺陷。
2、本发明通过WC的原位溶解提供C源与复合粉末中的Ti和Cr 元素反应，生成均匀双相陶瓷颗粒(Cr,W)5B3和TiC，解决了宽带激光熔覆Ni/WC熔覆层时WC颗粒沉积造成的熔覆层组织不均匀的问题。
3、本发明中双相陶瓷颗粒使复合熔覆层的硬度和耐磨性进一步得到提高，改善了低合金钢Q460的表面性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为宽带激光制备镍基熔覆层的表面形貌图；
图2为镍基复合熔覆层显微组织图；
图3为双相陶瓷颗粒微观形态。
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，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。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。
实施例1：
一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，包括以下步骤：
(1)基础粉末选择Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末，其成分按照质量百分比为：C：1.0wt％，Cr：14wt％，Fe：12wt％，Si：3.5wt％，B：1.5wt％，余量为Ni，基础粉末的粒度为250目。
(2)添加粉末包括：WC颗粒，纯度99.9％，粒度300目，在复合粉末中添加的比例为20wt％；Ti粉末，纯度99.99％，粒度400目，在复合粉末中添加的比例为2.0wt％；Cr粉末，纯度99.9％，粒度300 目，在复合粉末中添加的比例为5.0wt％。Y2O3粉末，纯度99.99％，粒度400目，在复合粉末中添加的比例为0.5wt％。
(3)将上述混合复合粉末利用机械混粉器均匀混合3h，取出后加入适量水玻璃，调制成糊状粉末待用。
(4)基材采用低合金钢Q460，切割成为10mm×20mm×60mm方块，激光熔覆前去除表面的锈迹和油污，其中20mm×60mm的表面采用砂纸打磨干净，再用酒精在超声波清洗机中清洗，吹干。
(5)将复合粉末预制在Q460低合金钢20mm×60mm的表面，粉末预制厚度1.0mm，然后放入烘干箱内150℃温度下干燥3小时；
(6)采用尺寸为15mm宽带激光进行熔覆，激光熔覆时选择宽带激光聚焦镜头，激光光斑尺寸15mm×1.5mm，焦距80mm，离焦量0mm；激光功率3.2kW，激光扫描速度0.24m/min；保护气体采用纯Ar气，纯度99.99％，气体流量12L/min。
(7)熔覆完成后冷却到室温，观察熔覆层表面形貌。对熔覆层横截面进行金相检验，观察熔覆层显微组织。由图1～3可以得出，镍基复合熔覆层成形良好，与Q460基材形成冶金结合。熔覆层显微组织非常均匀，可观察到块状的(Cr,W)5B3陶瓷颗粒和网状的TiC陶瓷颗粒。
实施例2：
一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，包括以下步骤：
(1)基础粉末选择Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末，其成分按照质量百分比为：C：1.0wt％，Cr：14wt％，Fe：12wt％，Si：3.5wt％， B：1.5wt％，余量为Ni，基础粉末的粒度为250目。
(2)添加粉末包括：WC颗粒，纯度99.9％，粒度300目，在复合粉末中添加比例为35wt％；Ti粉末，纯度99.99％，粒度400目，在复合粉末中添加比例为5.0wt％；Cr粉末，纯度99.9％，粒度300目，在复合粉末中添加比例为10.0wt％；Y2O3粉末，纯度99.99％，粒度 400目，在复合粉末中添加的比例为1.2wt％。
(3)将上述复合粉末利用机械混粉器均匀混合3h，取出后加入适量水玻璃，调制成糊状粉末待用。
(4)基材采用低合金钢Q460，切割成10mm×100mm×100mm方块。激光熔覆前表面采用砂纸打磨干净，去除表面的锈迹和油污，再用酒精在超声波清洗机中清洗，吹干。
(5)将复合粉末预制在Q460低合金钢的表面，粉末预制厚度 1.0mm，预制面积100mm×100mm，然后放入烘干箱内150℃温度下干燥3小时。
(6)采用尺寸为15mm宽带激光进行熔覆，激光熔覆时选择宽带激光聚焦镜头，激光光斑尺寸15mm×1.5mm，焦距80mm，离焦量0mm；激光功率3.6kW，激光扫描速度0.24m/min，搭接率20％，保护气体采用纯Ar气，纯度99.99％，气体流量12L/min。
(7)熔覆完成后冷却到室温，检验熔覆层成形性和显微组织。熔覆层无明显裂纹缺陷，与基体形成紧密冶金结合。显微组织中块状的(Cr, W)5B3陶瓷颗粒颗粒度在1.5μm～10μm之间，分布较为均匀。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (6)

1.一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末为基础粉末，添加WC、Ti、Cr粉和Y2O3得到复合粉末，再将复合粉末利用机械混粉器均匀混合后待用；
(2)粉末预制：采用Q460低合金钢作为基材并进行切割，然后对其表面进行打磨清理以去除锈迹和油污，采用酒精在超声波清洗机中清洗后吹干表面待用，再将步骤(1)中混合后的复合粉末与水玻璃调制成糊状预制在Q460钢表面，在烘干机中烘干以去除水分；
(3)激光熔覆：采用尺寸为15mm×1.5mm的宽带激光进行熔覆，氩气保护，激光能量密度大于50kJ/mm2；
(4)激光熔覆后，熔覆试样自然冷却到室温，检验熔覆层成形性和显微组织。
2.如权利要求1所述一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤(1)中Ni-Cr-Si-B系自熔性合金粉末的成分按照质量百分比为：C：1.0～1.5wt％，Cr：10～18wt％，Fe：10～14wt％，Si：3.0～4.5wt％，B：0.8～2.5wt％，余量为Ni。
3.如权利要求1所述的一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中添加的WC颗粒，纯度99.9％，粒度250～350目，在复合粉末中添加的比例为10～40wt％；Ti粉末，纯度99.99％，粒度200～400目，在复合粉末中添加比例为2.0～8.0wt％；Cr粉末，纯度99.9％，粒度200～400目，在复合粉末中添加比例为5～12wt％；Y2O3粉末，纯度99.99％，粒度400～500目，在复合粉末中添加比例为0.2～1.5wt％；机械混粉器的混合时间为2～4h。
4.如权利要求1所述的一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中Q460低合金钢切割为10mm×20mm×60mm或10mm×100mm×100mm的方块，其中，在20mm×60mm表面采用单道熔覆，在100mm×100mm表面采用多道搭接熔覆。
5.如权利要求1所述的一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中预制粉末层厚度为1.0～1.5mm，烘干机的烘干温度100～150℃，烘干时间2～5h。
6.如权利要求1所述的一种宽带激光制备双相陶瓷颗粒强化Ni基熔覆层的方法，其特征在于：所述步骤(4)中使用宽带激光聚焦镜头，激光光斑尺寸为15mm×1.5mm，焦距为80mm，离焦量为0mm；激光的功率2.0～4.0kW，激光的扫描速度0.09～0.6m/min，搭接率20～30％；氩气的纯度为99.99％，氩气的流量12～20L/min。
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