CN109487262A - 一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光熔覆材料领域，更具体地公开了一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层及其制备方法，所述制备方法包括基体预处理，堆焊处理，激光熔覆处理，以及硫化处理。采用本发明所述的方法制备得到的涂层在服役环境下具有低摩擦系数、高硬抗磨损的特性，满足了CiADS系统中散裂装置在靶球滚动摩擦过程中对散裂靶管道和靶球磨损率的要求，同时实现了良好的配副效果，降低了管道和散裂靶靶球的磨损率。

Description

一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐 磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆材料领域，更具体地涉及一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
加速器驱动嬗变研究装置在实验模拟过程中，所采用的散裂中子源为颗粒流靶，即直径为1mm的钨合金颗粒靶球。在裂靶系统服役过程中，散裂系统中散裂靶靶球的装载量为100-150吨，靶流通管道在滚动过程中要承受极高的载荷。通过工程模拟实验发现散裂靶管道在承受高载荷、高温冲刷过程中磨损率较高，达到0.2wt%的磨损率水平，对散裂系统的安全运转产生了极为恶劣的影响。此外，散裂靶靶球的提升部分设计的方案是电磁提拉系统，要求散裂靶靶球必须具备良好的磁性，因此对该部分管道必须具备无磁性特征。因此根据项目要求，需要对管道进行专门的表面改性处理，以实现该服役环境下散裂靶管道的低摩擦系数、低磨损率性能。
目前，对于核电系统中，所采用的管道大部分是316L奥氏体结构的不锈钢，该型号的不锈钢具有良好的延展性和耐腐蚀性能，但是该不锈钢硬度较低，耐磨损性能较差，因此，为降低磨损率，通过表面熔覆技术制备耐磨损涂层是最为常用的方法。为了提高耐磨损性能，目前所采用的堆焊或激光熔覆技术所使用的粉体当中，通常会添加一定量的Mn元素通过形成金属间化合物的方式进行强化处理，但是在散裂靶系统中，由于存在散裂反应，会产生大量的放射性射线，诸如α射线，β射线及γ射线。因此在对管道改性过程中需要对一些高活度元素，诸如Co，Mn进行严格限制。鉴于Mn元素的辐射活度高，对服役环境造成不利影响，因此在熔覆过程中Mn元素含量受到严格控制。此外，散裂靶装置中需要对管道内部的靶球通过电磁提升装置对靶球进行提拉，因此对管道的磁性控制也极为严格。因此，改性层结构中的Fe元素应表现为面心立方奥氏体结构，以保证改性层的无磁性。
以散裂靶靶球作为配副材料，在对单一熔覆层改性处理后的摩擦磨损性能测试中，结果显示虽然316L的磨损率得到大幅下降，但是其摩擦系数较高，导致靶球的磨损率提高了3倍，从而导致整体的磨损率表现恶劣，另外靶球的磨损导致的颗粒变形会提高后续高温烧结过程中的相互熔合，并且对电磁提拉造成不良影响，因此在对316L管道进行改性降低磨损率的同时，还要保障靶球作为配副材料的磨损率降低。显然，降低摩擦过程中的摩擦系数是保障靶球磨损率降低的最佳方案。另外，由于散裂靶管道需要承受高载荷冲击和冲刷，对涂层与基体的结合强度要求较高。因此，针对该服役环境需要进一步对涂层进行优化设计，制备低摩擦系数、与316L基体具有良好结合强度的涂层，以实现CiADS项目散裂装置这种特殊工况条件下满足要求的表面改性层。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数为0.1-0.2wt.%C，0.2-0.4wt.%Si，2.0-3.2wt.%Cr，14-25wt.%Ni，0.1-0.3wt.%Zr，0.03-0.06wt.%Y，S＜0.06wt.%，P＜0.046wt.%，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
本发明另一方面提供了一种FeNi基激光熔覆掺杂WC/ Cr2C3复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
对基体表面进行抛光处理，表面粗糙度Ra＜0.4，处理后对待处理表面在惰性气体下进行预热处理，预热温度为60-220℃；
对步骤（1）中处理过的基体表面进行堆焊处理，得到堆焊层；
对堆焊层进行激光熔覆处理，得到双层过渡梯度熔覆层，其中，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe；激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.0-2.5mm，保护气体为N2，N2流速为10-30L/h，激光功率为2-6kw，扫描速度为260-400mm/min；
对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理。
所述基体选自SIMP钢或不锈钢。
所述不锈钢选自316L不锈钢、304不锈钢。
根据权利要求3所述的FeNi基激光熔覆掺杂WC/ Cr2C3复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中预热温度为80-200℃。
所述步骤（2）中堆焊处理的工艺参数如下：设定的电压值为25-40V，焊接速度为4-12mm/s，堆焊过程对316L基体的预热温度控制在60℃-120℃
所述步骤（4）中硫化处理的硫化真空度控制在3-10Pa范围内，渗硫温度控制在200-350℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量控制在50-200sccm，电压控制在400-1000V，渗硫时间为5-9h。
所述惰性气体选自Ar或He中的任意一种。
本发明结合堆焊与激光熔覆的改性特点，利用堆焊与基体冶金结合强度优于激光熔覆的特点，以堆焊的方式对基体进行第一道工序的表面改性技术处理，制备基体与堆焊层界面结合强度高、硬度适中的过渡层（也即堆焊层），然后对堆焊层进行激光熔覆以制备高硬度耐磨涂层。这种梯度涂层可以有效释放熔覆过程中的宏观应力，对熔覆过程中裂纹源的扩展进行了有效控制。另一方面，在堆焊表面进行双层梯度激光熔覆控制宏观应力以实现涂层应力的最佳控制工艺，制备出了高含量WC硬质颗粒增强的铁镍基高硬耐磨涂层；本发明在最外层熔覆层（即第二层熔覆层）中添加了少量的Mo元素，为渗硫过程中形成MoS2提供Mo离子，通过这种复合固体润滑理论的最佳结构设计，实现了以硬质涂层作为承载载荷的基体，在摩擦界面形成具有六方结构的FeS、MoS2固体润滑层为润滑膜的复合结构设计，实现了服役环境下低摩擦系数、高硬抗磨损的复合涂层，满足了CiADS系统中散裂装置在靶球滚动摩擦过程中对散裂靶管道和靶球磨损率的要求，同时实现了良好的配副效果，降低了管道和散裂靶靶球的磨损率。
附图说明
图1为本发明实施例1基体表面改性处理后的摩擦系数；
图2为本发明实施例1基体表面改性处理后的2D划痕深度及对应的磨损率；
图3为本发明实施例1基体激光熔覆后经磨削后的表面形貌。
符号说明：1：316不锈钢基体；2：表面改性后316不锈钢。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数为0.1-0.2wt.%C，0.2-0.4wt.%Si，2.0-3.2wt.%Cr，14-25wt.%Ni，0.1-0.3wt.%Zr，0.03-0.06wt.%Y，S＜0.06wt.%，P＜0.046wt.%，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
本发明另一方面提供一种FeNi基激光熔覆掺杂WC/ Cr2C3复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
（1）对基体表面进行抛光处理，表面粗糙度Ra＜0.4，处理后对待处理表面在惰性气体下进行预热处理，预热温度为60-220℃；
（2）对步骤（1）中处理过的基体表面进行堆焊处理，得到堆焊层；
（3）对堆焊层进行激光熔覆处理，得到双层过渡梯度熔覆层，其中，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe；激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.0-2.5mm，保护气体为N2，N2流速为10-30L/h，激光功率为2-6kw，扫描速度为260-400mm/min；
（4）对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理。
作为一种优选的技术方案，所述基体选自SIMP钢或不锈钢。
作为一种优选的技术方案，所述不锈钢选自316L不锈钢、304不锈钢。维氏硬度测试结果显示，316L基体的维氏硬度为220HV，而经过堆焊处理后，该层维氏硬度值可控制在840-1100HV以保证堆焊层作为过渡梯度硬度的要求，硬度过高也会对后续堆焊涂层与316L基体及堆焊层与激光熔覆层的结合强度产生不利影响，本发明的基体优选316L不锈钢。
作为一种优选的技术方案，所述惰性气体选自Ar或He中的任意一种。
作为一种优选的技术方案，所述步骤（1）中预热温度为80-200℃。
作为一种优选的技术方案，所述步骤（2）中堆焊处理中所用粉末的化学成分及质量分数为0.1-0.2wt.%C，0.2-0.4wt.%Si，2.0-3.2wt.%Cr，14-25wt.%Ni，0.1-0.3wt.%Zr，0.03-0.06wt.%Y，S＜0.06wt.%，P＜0.046wt.%，余量为Fe。
作为一种优选的技术方案，所述步骤（4）中硫化处理的硫化真空度控制在3-10Pa范围内，渗硫温度控制在200-350℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量控制在50-200sccm，电压控制在400-1000V，渗硫时间为5-9h。
本发明中所述C、Si、Cr、Ni、Zr、Y、Mo、Fe、S、P均为单质。
本发明中激光涂覆层为双层过渡梯度结构，第一涂覆层的WC含量较低，含量控制在10-15wt.%，第二涂覆层WC含量控制在10-30 wt.%；双层过渡梯度结构能够在熔覆层中形成网状M(Fe，Cr)7C3结构的硬化相进而提高其熔覆层的硬度。因此本发明制备得到的双层过渡梯度熔覆层具有与基体结合强度高的优点，且断面硬度的平缓过渡有效抑制了宏观应力的积聚，同时通过激光熔覆层WC颗粒的梯度控制保证了高硬度涂层的同时，能够有效抑制裂纹源的形成和气孔的产生，通过金相组织观察证实涂层无明显的组织缺陷。
本发明克服了现有技术在表面改性过程中单一考虑提高改性层硬度以改善其耐磨损性能的思维，在干摩擦过程中，需要综合考虑摩擦配副问题，如果摩擦系数较高，即使通过激光熔覆的方式可以保障改性层硬度的提高，从而降低了磨损率，但是如果单一考虑提高改性层硬度的方式不可避免的会对摩擦副的磨损产生极为不利的影响，因此，结合固体润滑机理，在干摩擦过程中，通过激光熔覆技术手段提高316L不锈钢的硬度，同时在多层激光熔覆过程中，通过最外熔覆层（第二熔覆层）合金粉中添加适量的Mo元素，为后续渗硫过程中原位合成MoS2提供Mo原子，通过这种结构设计能够最外层约20μm厚度，一方面可以有效降低熔覆成本，另一方面，对于本发明所使用工况因为形成了固体润滑相，对摩擦磨损起到了有效的保护，因此该改性层的厚度可以保证正常服役的厚度要求。该层中由于存在具有六方结构的FeS和MoS2润滑相，在与摩擦副的滑动摩擦过程中降低了接触界面的剪切强度，滑动过程中所形成的润滑膜可以有效降低磨屑的产生，对涂层的磨损性能起到了积极的作用，保障了在与钨合金靶球的干摩擦过程中，激光熔覆高硬涂层既实现了承载作用，同时，MoS2润滑相的原位合成又有效降低了摩擦过程中的剪切强度，从而降低了摩擦系数，有效降低了摩擦过程中的磨损率。
实施例1
本发明提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10wt.%WC，0.5wt.%C，2.0wt.%Si，15wt.%Ni，10 wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，0.5wt.%Zr，0.07wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，0.5wt.%C，2.0wt.%Si，15wt.%Ni，10wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，1.5wt.%Zr，0.07wt.%Y，2.0wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数0.1wt.%C，0.2wt.%Si，2.0wt.%Cr，14wt.%Ni，0.1wt.%Zr，0.03wt.%Y，0.06wt.%S，0.046wt.%，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
上述FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）选用316L不锈钢为基体，对316L基体表面进行抛光处理，去除表面的氧化皮和疲劳层，然后对316L不锈钢在Ar保护气氛下进行预热处理，预热温度为80℃；
（2）在316L不锈钢表面进行埋弧堆焊的方法进行堆焊焊接，得到堆焊层，堆焊层的化学成分及质量分数为：0.1wt.%C，0.2wt.%Si，2.0wt.%Cr，14wt.%Ni，0.1wt.%Zr，0.03wt.%Y，0.06wt.%S，0.046wt.%，余量为Fe，堆焊过程设定的电压值为25，焊接速度为4mm/s，堆焊过程对基体的预热温度控制在60℃；
（3）对堆焊层进行车削加工和磨削处理，待表面粗糙度Ra＜0.4后进行超声处理，真空干燥后进行激光熔覆处理，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10wt.%WC，0.5wt.%C，2.0wt.%Si，15wt.%Ni，10 wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，0.5wt.%Zr，0.07wt.%Y，余量为Fe；将上述粉末在球磨机内进行合金化处理，球磨速度控制在3000r/min~8000r/min，球磨时间为20min~45min，待球磨结束后放入干燥瓶中，待使用时取出；本发明所述粉末混合工艺，包括堆焊粉体的混合，工艺均一致，在该工艺范围内；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，0.5wt.%C，2.0wt.%Si，15wt.%Ni，10wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，1.5wt.%Zr，0.07wt.%Y，2.0wt.%Mo，余量为Fe。
将步骤（3）得到的熔覆粉末放入激光送粉器，激光送粉器送粉直径控制在1mm~5mm，送粉通道跟随激光头一起移动，与激光扫描速度保持一致。其中激光熔覆的工艺参数为：第一熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.5mm，保护气体为N2，N2流速为18L/h，激光功率为3kw，扫描速度为260mm/min；在第一熔覆层完成后，直接进行第二熔覆层的熔覆的操作，第二熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为2.0mm，保护气体为N2，N2流速为10L/h，激光功率为2kw，扫描速度为400mm/min。
（4）对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理，硫化处理的硫化真空度为3Pa，渗硫温度为200℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量为50sccm，电压为400V，渗硫时间为5h。
实施例2
本发明提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：：1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，25 wt.%Cr2C3，18.0wt.%Cr，14wt.%Ni，1.5wt.%Zr，0.10wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：：20wt.%WC，1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，15 wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，1wt.%Zr，0.15wt.%Y，15wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数0.2wt.%C，0.4wt.%Si，3.2wt.%Cr，25wt.%Ni，0.3wt.%Zr，0.06wt.%Y，0.02wt.% S，0.030wt.% P，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
上述FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）选用SIMP钢为基体，对SIMP钢表面进行抛光处理，去除表面的氧化皮和疲劳层，然后对SIMP钢在He保护气氛下进行预热处理，预热温度为60℃；
（2）在SIMP钢表面进行埋弧堆焊的方法进行堆焊焊接，得到堆焊层，堆焊层的化学成分及质量分数为：0.2wt.%C，0.4wt.%Si，3.2wt.%Cr，25wt.%Ni，0.3wt.%Zr，0.06wt.%Y，0.02wt.% S，0.030wt.% P，余量为Fe；堆焊过程设定的电压值为40V，焊接速度为12mm/s，堆焊过程对基体的预热温度控制在120℃
（3）对堆焊层进行车削加工和抛光处理，待表面粗糙度Ra＜0.4后进行超声处理，真空干燥后进行激光熔覆处理，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，25 wt.%Cr2C3，18.0wt.%Cr，14wt.%Ni，1.5wt.%Zr，0.10wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：20wt.%WC，1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，15 wt.%Cr2C3，11.0wt.%Cr，1wt.%Zr，0.15wt.%Y，15wt.%Mo，余量为Fe；第一熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.5mm，保护气体为N2，N2流速为24L/h，激光功率为5kw，扫描速度为280mm/min；第二熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为2.0mm，保护气体为N2，N2流速为10L/h，激光功率为2kw，扫描速度为400mm/min，具体实施步骤同实施例1；
（4）对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理，硫化处理的硫化真空度为10Pa，渗硫温度为350℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量为200sccm，电压为1000V，渗硫时间为9h。
实施例3
本发明提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：13wt.%WC，0.8wt.%C，3.0wt.%Si，30wt.%Ni，18 wt.%Cr2C3，15.0wt.%Cr，1.0wt.%Zr，0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，0.7wt.%C，3.0wt.%Si，20 wt.%Cr2C3，18.0wt.%Cr，14wt.%Ni，0.8wt.%Zr，0.15wt.%Y，2wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数：0.15wt.%C，0.3wt.%Si，3.6wt.%Cr，20wt.%Ni，0.1wt.%Zr，0.04wt.%Y，0.04wt.% S，0.010wt.% P，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
上述FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）选用316L不锈钢为基体，对316L不锈钢表面进行抛光处理，去除表面的氧化皮和疲劳层，然后对316L不锈钢在He保护气氛下进行预热处理，预热温度为150℃；
（2）在316L不锈钢表面进行埋弧堆焊的方法进行堆焊焊接，得到堆焊层，堆焊层的化学成分及质量分数为：0.15wt.%C，0.3wt.%Si，3.6wt.%Cr，20wt.%Ni，0.1wt.%Zr，0.04wt.%Y，0.04wt.% S，0.010wt.% P，余量为Fe，堆焊过程设定的电压值为32V，焊接速度为8mm/s，堆焊过程基体的预热温度控制在80℃；
（3）对堆焊层进行车削加工和磨削处理，待表面粗糙度Ra＜0.4后进行超声处理，真空干燥后进行激光熔覆处理，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：13wt.%WC，0.8wt.%C，3.0wt.%Si，30wt.%Ni，18 wt.%Cr2C3，15.0wt.%Cr，1.0wt.%Zr，0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，0.7wt.%C，3.0wt.%Si，20wt.%Cr2C3，18.0wt.%Cr，14wt.%Ni，0.8wt.%Zr，0.15wt.%Y，2wt.%Mo，余量为Fe；第一熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.5mm，保护气体为N2，N2流速为30L/h，激光功率为6kw，扫描速度为300mm/min；第二熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为2.0mm，保护气体为N2，N2流速为10L/h，激光功率为2kw，扫描速度为400mm/min；具体实施步骤同实施例1；
（4）对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理，硫化处理的硫化真空度为7Pa，渗硫温度为280℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量为130sccm，电压为700V，渗硫时间为6h。
实施例4
本发明提供一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：1.2wt.%C，3.5wt.%Si，12 wt.%Cr2C3，13.0wt.%Cr，21wt.%Ni，1.5wt.%Zr，0.10wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，12 wt.%Cr2C3，14.0wt.%Cr，1wt.%Zr，0.15wt.%Y，7wt.%Mo，余量为Fe。
所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数：：0.2wt.%C，0.4wt.%Si，3.2wt.%Cr，25wt.%Ni，0.3wt.%Zr，0.06wt.%Y，0.02wt.% S，0.030wt.% P，余量为Fe。
所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
上述FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）选用304不锈钢为基体，对304不锈钢表面进行抛光处理，去除表面的氧化皮和疲劳层，然后对304不锈钢在He保护气氛下进行预热处理，预热温度为220℃；
（2）在304不锈钢表面进行埋弧堆焊的方法进行堆焊焊接，得到堆焊层，堆焊层的化学成分及质量分数为：0.2wt.%C，0.4wt.%Si，3.2wt.%Cr，25wt.%Ni，0.3wt.%Zr，0.06wt.%Y，0.02wt.% S，0.030wt.% P，余量为Fe，堆焊过程设定的电压值为32V，焊接速度为8mm/s，堆焊过程基体的预热温度控制在80℃；
（3）对堆焊层进行车削加工和抛光处理，待表面粗糙度Ra＜0.4后进行超声处理，真空干燥后进行激光熔覆处理，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：1.2wt.%C，3.5wt.%Si，12 wt.%Cr2C3，13.0wt.%Cr，21wt.%Ni，1.5wt.%Zr，0.10wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：30wt.%WC，1.2wt.%C，4.0wt.%Si，20wt.%Ni，12wt.%Cr2C3，14.0wt.%Cr，1wt.%Zr，0.15wt.%Y，7wt.%Mo，余量为Fe；第一熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.5mm，保护气体为N2，N2流速为21L/h，激光功率为4kw，扫描速度为340mm/min；第二熔覆层所采用的激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为2.5mm，保护气体为N2，N2流速为10L/h，激光功率为2kw，扫描速度为400mm/min；具体实施步骤同实施例1；
（4）对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理，硫化处理的硫化真空度为10Pa，渗硫温度为350℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量为200sccm，电压为1000V，渗硫时间为9h。
结合附图，通过图1，可得表面改性后涂层的摩擦系数从0.6左右降低至0.1左右，降低了近6倍，这种摩擦系数的大幅降低有效降低了涂层与摩擦副之间的磨损率。
图2是对改性前后磨损量的测试结果，通过图2，可得改性后磨损量降低了近20倍，说明该工艺方法制备的改性层实现了磨损率的大幅降低，满足了CiADS装置系统对磨损率的使用要求。
图3为改性层的表面形貌图，通过图3，可得改性层经过磨削后，表面并未出现裂纹、气孔等组织缺陷，说明改性层组织致密，结构稳定，熔覆过程应力控制合理，可以满足实际工况工程应用要求。
本发明涂层制备方法简单，所制备的FeNi基合金激光熔覆涂层结构为面心立方结构，通过磁性检测发现其磁性与316L不锈钢相近，能够满足散裂装置对管道的磁性要求，保证了电磁提拉系统对靶球的有效提升，满足散裂装置的服役工况需求。

Claims (10)

1.一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，其特征在于，所述涂层包括从基体表面开始依次设置的堆焊层、第一熔覆层、第二熔覆层、硫化层；第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，其特征在于，所述堆焊层所用粉末的化学成分及质量分数为0.1-0.2wt.%C，0.2-0.4wt.%Si，2.0-3.2wt.%Cr，14-25wt.%Ni，0.1-0.3wt.%Zr，0.03-0.06wt.%Y，S＜0.06wt.%，P＜0.046wt.%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层，其特征在于，所述硫化层为FeS、MoS2固体润滑层。
4.一种FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)对基体表面进行抛光处理，表面粗糙度Ra＜0.4，处理后对待处理表面在惰性气体下进行预热处理，预热温度为60-220℃；
(2)对步骤（1）中处理过的基体表面进行堆焊处理，得到堆焊层；
(3)对堆焊层进行激光熔覆处理，得到双层过渡梯度熔覆层，其中，第一熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-15wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，15-30wt.%Ni，10-25 wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，余量为Fe；第二熔覆层所用粉末的化学成分及质量分数为：10-30wt.%WC，0.5-1.2wt.%C，2.0-4.0wt.%Si，14-30wt.%Ni，10-25wt.%Cr2C3，11.0-18.0wt.%Cr，0.5-1.5wt.%Zr，0.07-0.15wt.%Y，2.0-15wt.%Mo，余量为Fe；激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为1.0-2.5mm，保护气体为N2，N2流速为10-30L/h，激光功率为2-6kw，扫描速度为260-400mm/min-1；
(4)对步骤（3）中所述第二熔覆层硫化处理。
5.根据权利要求4所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述基体选自SIMP钢或不锈钢。
6.根据权利要求5所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述不锈钢选自316L不锈钢、304不锈钢。
7.根据权利要求4所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中预热温度为80-200℃。
8.根据权利要求4所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中堆焊处理的工艺参数如下：设定的电压值为25-40V，焊接速度为4-12mm/s，堆焊过程对316L基体的预热温度控制在60℃-120℃。
9.根据权利要求4所述的FeNi基激光熔覆掺杂碳化钨/碳化铬复合强化抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中硫化处理的硫化真空度控制在3-10Pa范围内，渗硫温度控制在200-350℃，真空腔室内部充入H2S气体作为离子源，其流量控制在50-200sccm，电压控制在400-1000V，渗硫时间为5-9h。
10.根据权利要求4-9所述的任意一种抗高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述惰性气体选自Ar或He中的任意一种。
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