CN109402629A - 激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光反应熔覆VC‑TiC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法，其中，激光反应熔覆VC‑TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法包括：S1，选择金属材料作为基体，对所述基体表面进行打磨，清洗；S2，在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层；S3，配置熔覆粉末，所述熔覆粉末中含有摩尔比为1:1:2的Ti、V以及C；S4，将所述熔覆粉末与有机粘结剂进行混合，并涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层；S5，以激光束作为热源，对设置有所述预置涂层的基体进行激光熔覆处理以形成VC‑TiC陶瓷熔覆层，得到所述VC‑TiC陶瓷增强铁基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及材料化学技术领域，具体地，涉及一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科学的不断发展，人们对于材料的要求和性能越来越高，传统单一的匀质材料已难以满足实际生产的需要。由于零部件的破坏往往从表面开始，表面的局部破坏又会导致零件的整体失效。
针对该情况，早在上世纪80年代末，美国商业部就将表面工程技术列为影响21世纪人类生活的七大关键技术之一，与生命科学技术、信息技术、计算机科学技术、新材料技术、新能源技术和先进制造技术并列。
近年来，我国也非常重视激光表面工程技术，此技术的出现拓宽了表面改性技术的领域，尤其是在制备抗磨损熔覆层方面表现出了极大潜力，成为了表面工程领域研究的热点。
激光熔覆英文名为Laser cladding，也称激光涂覆，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化，且在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的熔覆层。作为激光表面改性技术之一的激光熔覆技术，适合于各类金属的表层改性和修复。激光熔覆技术能保持原涂层成分，仅在重熔区与基体的交界处存在很有限的相互扩散区，而此扩散区正是实现熔覆层与基体的冶金结合所必须的。同时，激光熔覆技术能把高性能的熔覆粉末涂覆于普通基体材料表面，从而获得优异特性的表面熔覆层，如耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击等优良性能的熔覆层。然而现有的零部件因其表面熔覆材料的单一，使得应用激光熔覆技术的修复零部件的过程中零部件表面经常会出现裂纹、涂层不均匀等问题。因此，开发耐热、耐蚀、耐磨、高硬度、力学性能好的新型复合材料是势在必行的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法。
本发明还提出一种根据上述激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得的激光反应VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
根据本发明第一方面实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1，选择金属材料作为基体，对所述基体表面进行打磨，清洗；
S2，在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层；
S3，配置熔覆粉末，所述熔覆粉末中含有摩尔比为1:1:2的Ti、V以及C；
S4，将所述熔覆粉末与有机粘结剂进行混合，并涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层；
S5，以激光束作为热源，对设置有所述预置涂层的基体进行激光熔覆处理以形成VC-TiC陶瓷熔覆层，得到所述VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
根据本发明的一些实施例，步骤S5中，所述激光的扫描速度为1.0mm/s～2.0mm/s。
优选地，所述激光的扫描速度为1.5mm/s。
优选地，所述激光束的激光功率为2500W，离焦量为20mm，矩形光斑尺寸为6mm×1.5mm。
根据本发明的一些实施例，所述打底熔覆层由Co基自熔性合金形成，其通过激光熔覆的方法形成在所述基体表面，且厚度为0.3mm-0.6mm。
根据本发明的一些实施例，所述有机粘结剂为虫胶的酒精溶液。
根据本发明的一些实施例，步骤S4具体包括：
向所述熔覆粉末中加入虫胶的酒精溶液中，搅拌均匀形成膏体，所述膏体中含有50-75wt％的所述熔覆粉末、5-10wt％的虫胶；
将所述膏体涂覆在所述打底熔覆层表面,形成厚度0.5mm～2mm的湿的预涂层；
此后将其放入干燥箱中，在温度为80-120℃中烘120分钟，形成所述预置涂层。
根据本发明第二方面实施例的一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料，通过上述实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得。
本发明的上述技术方案至少具有如下效果之一：
(1)熔覆层表面外观平滑、均匀连续且具有明亮的金属光泽。
(2)提高了基体材料的表面性能。
(3)熔覆层和基体呈现良好的冶金结合，提高了熔覆层与基体的结合强度。
(4)提高了熔覆层和基体的硬度，耐磨性。
附图说明
图1为本发明实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料制备方法的流程图；
图2(a)为根据本发明实施例1的得到的熔覆层截面整体形貌的SEM图；
图2(b)为图2(a)中的(1)区，即结合区的SEM图；
图2(c)为图2(a)中的(2)区，即熔覆层中部的SEM图；
图2(d)为图2(a)中的(3)区，即熔覆层表面的SEM图。
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。
如图1所示，根据本发明实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，包括：
S1，选择金属材料作为基体，对基体表面进行打磨，清洗。
关于基体的具体材料组成，没有特殊的限制，例如可以使用金属钢，如Q235钢。
为了提高其表面熔覆层与基体之间的结合强度、性能，可以用砂纸对基体表面进行打磨，去除表面的氧化物和油污，并用丙酮清洗干净，使得金属材料与打底熔覆材料充分接触。
S2，在打磨清洗后的基体表面设置一层打底熔覆层。
Co基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中，Ni元素可以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆材料对基体的润湿。
根据本发明的一些实施例，打底熔覆层材料为由Co基自熔性合金(例如Co50)形成。所述打底熔覆层可以通过激光熔覆的方法形成在所述基体表面。具体而言，例如将Co基自熔性合金粉末与有机粘合剂(例如后述的虫胶的酒精溶液)混合形成膏体，涂覆在基体表面，此后进行激光扫描(具体的激光处理条件，例如扫描速度、激光功率、离焦量、光斑尺寸可以参考后述的表面熔覆层形成时的具体参数)使其形成打底熔覆层。
S3，配置熔覆粉末，所述熔覆粉末中含有摩尔比为1:1:2的Ti、V以及C。
其中，既可以直接采用TiC粉与VC粉末进行混合以配置所述熔覆粉末，也可以将Ti金属粉末、V金属粉末、以及C粉(例如石墨粉)按照上述摩尔比进行混合，得到所述熔覆粉末。
根据本发明的一些实施例，采用V粉、Ti粉和C粉作为熔覆材料，钒粉为银白色金属粉末，具有延展性、质坚硬，有耐盐酸和硝酸，且其熔点较高，Ti粉是白色固体颗粒粉末，抗腐蚀性强。C粉是一种非金属元素，为无臭无味的固体。如无定型的焦炭、木炭等，晶体碳金刚石和石墨等。
S4，将所述熔覆粉末与有机粘结剂进行混合，并涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层。
粘结剂的选择需要具备能够将熔覆粉末材料较易涂覆于基体表面且容易涂刷平整，在激光作用时容易气化或分解，并易从熔池中排出，不阻碍陶瓷熔覆层的形成并影响其质量，且粘结剂不含水分。优选地，例如可以使用虫胶的酒精溶液作为有机粘结剂。
根据本发明的一些实施例，可以通过下述操作形成所述预置涂层：
向所述熔覆粉末中加入虫胶的酒精溶液中，搅拌均匀形成膏体，所述膏体中含有50-75wt％的所述熔覆粉末、5-10wt％的虫胶；
将所述膏体涂覆在所述打底熔覆层表面,形成厚度0.5mm～2mm的湿的预涂层；
此后将其放入干燥箱中，在温度为80-120℃中烘120分钟，形成所述预置涂层。
S5，以激光束作为热源，对预置涂层进行激光熔覆处理以形成VC-TiC陶瓷熔覆层，得到由基体、打底熔覆层及VC-TiC陶瓷熔覆层形成的VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
换句话说，在激光熔覆过程中，以激光束作为热源，对预设有打底熔覆层之上涂覆熔覆粉末，此后对表面进行激光熔覆处理，等熔池凝固后得到陶瓷熔覆层，该陶瓷熔覆层具有耐热、耐蚀、耐磨、高硬度等诸多优良性能。根据需要可采用单道熔覆和多道熔覆工艺。
下面具体描述根据本发明实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料，通过上述实施例的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得。
本发明的实施例的复合材料通过将激光熔覆技术与原位合成技术相结合，使V粉、Ti粉和C粉进行化学反应原位生成VC-TiC陶瓷增强相，其在金属材料表面形成熔覆层，其中熔覆层包括打底熔覆层和陶瓷熔覆层，该熔覆层外观均匀连续且较为平整，且具有高硬度，耐磨的特点。
为使本领域的技术研究人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
下述实施例采用激光设备为SLC—20×30D型数控激光多功能加工机，主要技术参数：加工区域为X轴3000mm、Y轴2000mm、Z轴600mm；数控系统CNC型号为PMC-2000；整机耗电100kVA；主机尺寸6500mm×3500mm×3500mm。
激光工艺参数：激光功率为2500W，离焦量为20mm，矩形光斑尺寸为6mm×1.5mm。
实施例1：
本实施例选用的基体材料为Q235钢。为了提高其表面熔覆层与基体之间的结合强度、性能，用砂纸对基体表面进行打磨，去除表面的氧化物和油污，并用丙酮清洗干净。
打底熔覆层材料选用Co50自熔性合金。该打底熔覆层材料与虫胶的酒精溶液进行混合形成膏体，此后将该膏体涂覆在基体表面，在100摄氏度干燥2小时后，进行激光熔覆处理(激光的扫描速度为1.5mm/s)，在基体表面形成厚度为0.4mm的打底熔覆层。
熔覆粉末为V粉、Ti粉和C粉。将Ti粉、V粉、以及C粉按摩尔比1:1:2进行配比混合成熔覆粉末，并在球形研磨机中研磨均匀，此后，用虫胶的酒精溶液作为粘结剂进行混合，得到膏体。
此后，将该膏体预涂于基体表面，通过夹具工装控制湿的预涂层厚度为1.5mm。此后将其放置在100℃的干燥机中干燥2小时，干燥后的预置涂层的厚度为1mm。
此后，以激光束作为热源，以扫描速度1.5mm/s进行激光熔覆处理，得到所述VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
肉眼观察熔覆层表面平整和光滑，且具有明亮的金属光泽，熔覆层表面质量较好。由此，Q235钢表面激光熔覆VC-TiC陶瓷颗粒增强铁基合金，通过扫描速度，能够获得外观平滑，且均匀连续的熔覆层。
图2(a)为熔覆层截面整体形貌图，为了更清楚地了解熔覆层的组织形貌及分布情况，对图2(a)所示位置进行放大观察，结果如图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。图2(b)示出了熔覆层结合区部位，组织主要由深灰色的平直结合带、胞晶及粗大的网状枝晶组成。图2(c)示出了熔覆层中间位置，组织主要由细小的枝晶及其形成的网络组成。图2(d)示出了熔覆层表面位置，其组织主要由粗大的枝晶及其形成的网络组成。
为了确定上述熔覆层中不同形貌组织产物的成分，对其进行了能谱分析，结果显示，枝晶所组成的网络组织骨架处Ti含量较高，结合XRD的分析结果可知，此区域中生成了TiC。
同时，对网络骨架包围的深灰色区域进行能谱分析，结果表明，此区域主要为Fe和Co元素，结合XRD的分析结果可知，此处为(Fe，Co)固溶体。
实施例2
除了在最后激光熔覆处理预置涂层时的扫描速度改为1.0mm/s之外，以与实施例1相同的方式，得到VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
实施例3
除了在最后激光熔覆处理预置涂层时的扫描速度改为2.0mm/s之外，以与实施例1相同的方式，得到VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
对上述实施例1-实施例3得到的VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料，分别进行显微形貌观察、硬度测试、以及耐磨性测试。
通过上述对VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料截面的显微组织观察分析可知，不同扫描速度条件下的熔覆层显微组织形貌存在差异。这主要是由于激光熔覆过程是典型的快速熔化和快速凝固过程，然而，温度梯度/凝固速度(G/R)是凝固组织生长形态选择的控制参数。根据Green Walled对激光熔化后的热传导所作的数学解析理论可知，在冷却期间，G的变化特征是刚开始凝固时最大，随着凝固的进行逐渐减小；而R的变化规律正好相反，刚开始凝固时R最小，随着凝固的进行R的值逐渐变大。由此可以得到凝固界面处G/R的变化规律：刚开始凝固时G/R具有最大的值，随着凝固的进行G/R随之减小，凝固表面处G/R具有最小值[35-37]。因此，不同扫描速度条件下，由于熔覆层的温度梯度/凝固速度(G/R)不同，从而使得的熔覆层显微组织形貌存在差异。
同时，熔覆层组织在结合区和熔覆区不同部位存在形状和大小不一现象，这主要是由于在激光熔覆过程中，当激光束移开后，由于基材的热传导冷却作用，基材表面熔化区固液界面前沿温度梯度最大，熔池中由底部至上表面存在温度梯度，因此，熔池底部熔体首先结晶凝固，导致不同扫描速度条件下熔覆层的显微组织形貌存在较大差别。
从熔覆层界面的显微硬度图可知，从熔覆层的表面垂直向下分为明显三个区域：熔覆层、结合区和基体。熔覆层的显微硬度值随着深度的增加会逐渐变小，但与基体相比，熔覆层的显微硬度明显要高。同时，随着扫描速度的增加，熔覆层的硬度值也会随之增加。当扫描速度为2.0mm/s时，熔覆层横截面的显微硬度值都较高，最高能达到968HV，而基体的平均显微硬度只为256HV左右。相比而言，扫描速度为1.0mm/s时，熔覆层的显微硬度值略低，最高显微硬度值为852HV。可见，经过激光熔覆处理后的Q235钢表面VC-TiC陶瓷增强熔覆层的最高显微硬度值为基体显微硬度值的3倍以上。
从VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料表面的摩擦系数随时间变化曲线可知，基体表面和熔覆层表面的摩擦系数存在较大差别，基体表面的摩擦系数在初始磨合阶段摩擦系数波动较大，且摩擦系数值较大，说明磨损表面有较多的粘着物磨粒存在。VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的摩擦系数在整个磨损过程中较为稳定，在初始磨合阶段有小幅增加，随后进入相对稳定阶段。在稳定阶段，由于较轻微的粘着磨损存在，所以摩擦系数波动幅度较小，基本稳定在0.38左右。
通过对基体和VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料表面进行摩擦磨损性能测试可知，经激光处理过的熔覆层磨损表面比较光滑，犁沟较浅，其磨损特征主要是表面沿滑动方向形成划痕。而基体表面磨损现象较为严重，且磨痕也没有规律。综上所述，Q235钢表面VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料表面的摩擦磨损性能得到显著提高，这主要是由于熔覆层中分布的VC-TiC陶瓷相较好地提高了熔覆层耐摩擦磨损性能。
此外，由于激光熔覆快速加热、快速冷却的工艺特点，使得熔覆层组织得以细化，进而提高了熔覆层的致密度和硬度，减少了熔覆层磨损表面微裂纹，耐磨性明显提高，熔覆层具有较高的抗磨损能力。由此可知，Q235钢表面激光熔覆形成的VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料，可显著提高Q235钢表面的耐磨性。
根据上述分析可以得出以下结论：
(1)通过观察熔覆层表面的宏观形貌可知，在激光功率为2500W，扫描速度为1.5mm/s时，可获得外观平滑、均匀连续且具有明亮的金属光泽的熔覆层表面；
(2)经过XRD分析可知，熔覆层主要由VC、TiC和(Fe，Co)相组成，可见，通过激光熔覆技术成功制备了VC-TiC陶瓷颗粒增强铁基表面复合材料，很好的提高了基体材料的表面性能；
(3)通过金相照片分析可知，激光熔覆层由基底热影响区、结合区和熔覆区三部分组成，同时，在不同扫描速度条件下，熔覆层和基体之间都能呈现明显的白亮带，证明熔覆层和基体都能呈现良好的冶金结合；
(4)通过扫描电镜照片分析可知，VC-TiC复合陶瓷的存在形式主要为胞晶、枝晶及其组成的网状结构；
(5)由XRD图谱可知，熔覆层主要由硬质相和粘结相(Fe，Co)固溶体组成，结合能谱分析可知，网络骨架处的组织为VC-TiC复合陶瓷，其他部分为(Fe，Co)固溶体；
(6)通过对显微硬度分析可知，随着扫描速度的增加，熔覆层的硬度值也会随之增加，同时，熔覆层的显微硬度值随着其深度的增加，显微硬度值逐渐减低；
(7)熔覆层表层的显微硬度最大，硬度值为968HV，明显高于基体材料的硬度值，这主要是由于熔覆层合成了高硬度的VC-TiC复合陶瓷颗粒；
(8)通过对熔覆层表面和基体表面的耐磨性进行比较分析可知，激光处理过的熔覆层磨损表面比较光滑，犁沟较浅，而基体表面磨损现象较为严重，这主要是由于熔覆层合成的VC-TiC陶瓷颗粒有较高耐磨性。
由此可知，本发明的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料具有外观平滑、均匀连续且具有明亮的金属光泽的熔覆层表面，且熔覆层具有硬度高，耐磨的特性。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，选择金属材料作为基体，对所述基体表面进行打磨，清洗；
S2，在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层；
S3，配置熔覆粉末，所述熔覆粉末中含有摩尔比为1:1:2的Ti、V以及C；
S4，将所述熔覆粉末与有机粘结剂进行混合，并涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层；
S5，以激光束作为热源，对设置有所述预置涂层的基体进行激光熔覆处理以形成VC-TiC陶瓷熔覆层，得到所述VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。
2.根据权利要求1所述的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述打底熔覆层由Co基自熔性合金形成，所述打底熔覆层通过激光熔覆的方法形成在所述基体表面，且厚度为0.3mm-0.6mm。
3.根据权利要求1所述的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述激光的扫描速度为1.0mm/s～2.0mm/s。
4.根据权利要求1所述的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光的扫描速度为1.5mm/s。
5.根据权利要求1至4任一项所述的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光束的激光功率为2500W，离焦量为20mm，矩形光斑尺寸为6mm×1.5mm。
6.根据权利要求1所述的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机粘结剂为虫胶的酒精溶液。
7.根据权利要求6的激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
向所述熔覆粉末中加入虫胶的酒精溶液中，搅拌均匀形成膏体，所述膏体中含有50-75wt％的所述熔覆粉末、5-10wt％的虫胶；
将所述膏体涂覆在所述打底熔覆层表面,形成厚度0.5mm～2mm的湿的预涂层；
此后将其放入干燥箱中，在温度为80-120℃中烘120分钟，形成所述预置涂层。
8.一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料，其特征在于，通过权利要求1至7任一项权利要求的所述激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得。
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