CN109554705A - 一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法。对于TiC含量小于30％的TiC‑Co基合金而言，采用最大功率为6kW的CO₂激光器和预置粉末法送粉进行激光熔覆，光斑直径3mm，搭接率50％，控制钴合金的粉末粒度为53～150μm，TiC粉末粒度为5‑100μm，在激光功率P＝3.2～3.6kW、激光扫描速度v＝350～410mm/min的范围内，可在球墨铸铁表面制备得到成型良好的激光熔覆层。本发明的熔覆层组织调控是基于熔覆层成型良好的范围进行工艺调整，采用降低激光功率或提高激光扫描速率的方法，实现熔覆层组织的细化，TiC硬质相的尺寸和分布均匀高度的调控，可满足零件表面对耐磨和减磨性能的不同要求，实现两个对磨零件的抗磨损的最佳状态。

Description

一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆涂层制备技术领域，具体涉及一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法,可用于球墨铸铁表面激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层的组织和硬质相TiC的形貌、尺寸和分布的工艺调控方法，从而实现对熔覆层性能的调控。

背景技术

最近，随着激光技术的快速发展，激光熔覆方法在表面改性领域受到高度重视。激光熔覆是指在激光辐照条件下，以不同的方式将熔覆材料送至被熔覆基体表面，使之与基体表面一薄层同时熔化并快速凝固，从而形成与基体呈冶金结合的表面熔覆层，从而显著改善基体表面性能的一种表面强化方法。与其他表面强化技术(热喷涂、堆焊技术等)相比，激光熔覆具有如下优点：冷却速度快(高达10⁵～10⁶K/S)、易得到细晶组织及非平衡或亚稳态新相；热输入小、畸变小、熔覆层稀释率小(一般小于5％)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合。为了使零件的表面强化，科研人员针对自熔性粉末(Fe基、Ni基、Co基合金)及非自熔性粉末乃至于硬质强化相与合金的复合粉末的激光熔覆开展了大量的研究工作，基体材料涉及到软钢、可锻铸钢、不锈钢、钛合金、铝合金及特殊合金，收到了较好的效果。

球墨铸铁具有优良的综合机械性能，在很多场合甚至超过钢，自问世以来就一直作为抗冲击和抗磨损材料使用，广泛应用于大马力发动机、曲轴、电梯曳引轮等关键零部件。但近年来，随着这些部件的使用环境越来越苛刻，球墨铸铁也越来越不适应使用要求，在使用过程中，因经受严重磨损而导致寿命缩短或完全失效。采用渗氮、感应淬火等工艺对这些零件进行表面强化处理，存在处理周期长、硬化层薄、硬化层硬度不够高及淬火变形大等缺点，使用效果不理想。

因此，越来越多的科研人员开始关注并开展球墨铸铁激光熔覆表面改性的研究。张静等在球墨铸铁QT600-3表面激光熔覆Fe-Cr-Si-B合金粉末，得到涂层硬度在650-800HV_0.2之间，比基体提高了2.6倍。李养良等在球墨铸铁表面激光熔覆Fe基合金层的组织与性能研究表明：熔覆层的硬度相对基体提升了4倍，熔覆层总磨损率大约为基体1/6。杨鹏聪等在GGG70L球墨铸铁表面熔覆Fe基合金时，探究扫描速度对熔覆层的影响，得到扫描速度为7mm/s时，熔覆层组织细化，硬度为55.5HRC，是v＝5mm/s时的2倍。翟建华等在球墨铸铁QT450-10表面激光熔覆了Ni基合金，熔覆层显微硬度为265HV，约为基体硬度的1.5倍。

适应工程实际的迫切需要，为了进一步提升球墨铸铁的表面性能，硬质相复合合金粉末激光熔覆层的制备与组织性能研究成为了该领域的研究热点之一。本课题组将耐磨性能良好的Co基合金和硬质颗粒TiC进行混合，在球墨铸铁基体上进行激光熔覆，以成功制备高性能的激光熔覆层。由于TiC的硬度高，热膨胀系数小，比重轻、目前为止是唯一具有相当韧性的硬质相，适合作为理想的第二相加入到合金粉末中。最近的研究中，TiC被激光熔覆于钛合金表面，或多与Fe基、Ni基合金粉末混合激光熔覆于不锈钢和铝合金表面，而与Co基合金粉末复合进行激光熔覆的研究比较少见到报道。如Emamian等人在AISI 1030钢上原位生成Fe-TiC复合层，最终硬度平均值比基体AISI 1030高出8倍以上；Zhang等人在TC4钛合金表面激光熔覆质量比为1:3的Ti-TiC混合粉末，熔覆层表面硬度约为基体的4.5倍。

纵观TiC增强的激光熔覆合金涂层的制备和研究，多集中于激光熔覆层的制备工艺对熔覆层组织和性能的影响，并对激光熔覆层的制备工艺进行优化，但是缺乏对熔覆层组织和性能的精细调控。本发明针对球墨铸铁表面激光熔覆TiC-Co合金熔覆层，通过熔覆层制备工艺参数、组织和性能的综合分析，提出一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织和性能的调控方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法，用于球墨铸铁表面激光熔覆TiC-Co基合金涂层的组织和性能的调控，使所制备的熔覆层显著提高零件表面的耐磨和减磨性能，可根据对磨零件的表面条件和要求，通过熔覆层组织调整，进而调整其耐磨和减磨性能，特别适用于强烈磨损条件下使用的耐磨零件。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种球墨铸铁表面激光熔覆TiC-Co基合金熔覆层的组织和性能调控方法，该方法在熔覆层成型良好的条件下，通过调整激光熔覆工艺，改变熔覆层组织，尤其是TiC硬质相的形貌、尺寸和分布，以此来调控熔覆层的耐磨和减磨性能。

球墨铸铁与TiC-Co基合金的热膨胀系数相差较大，且含碳量较高，在高能激光束作用下制备成型良好的熔覆层难度较大。经过研究，对于TiC含量小于30％的TiC-Co基合金而言，采用最大功率为6kW的CO₂激光器和预置粉末法送粉进行激光熔覆，光斑直径3mm，搭接率50％，控制钴合金的粉末粒度为53～150μm，TiC粉末粒度为5-100μm，在激光功率P＝3.2～3.6kW、激光扫描速度v＝350～410mm/min的范围内，可在球墨铸铁表面制备得到成型良好的激光熔覆层，如图1所示。

经过对所制备的熔覆层组织进行观察和分析，发现TiC-Co基合金熔覆层中TiC存在着熔解和未熔解的两种状态，如图2中的白色箭头所示，组织中的TiC颗粒呈现两种颜色，在激光高能量密度作用下，中间颜色较深的部分是未熔解的TiC，而未熔解部分的外围则是在凝固过程中，以未熔解的TiC为核心重新析出的TiC。

当激光扫描速率一定时，随着激光功率的降低，熔覆层的组织中初生枝晶和共晶组织均变细小，TiC相由粗大颗粒向细小颗粒转变，颗粒中未熔解的部分增多，TiC相在组织中的含量越来越多，分布也越来越均匀，如图2所示。但是功率不能无限降低，否则激光熔覆时会出现合金熔化不均匀，而导致熔覆层成型困难。由此，可在保证熔覆层成型性良好的范围内，通过降低激光功率，使熔覆层组织的初生枝晶和共晶组织细化，使TiC硬质相细化和均匀化，并逐渐呈现弥散分布，从而显著提高熔覆层的性能，如图3和表1所示。

而当激光功率一定时，随着激光扫描速率的提高，熔覆层的组织中枝晶数量增加，枝晶长度变短，二次枝晶间距减小，如图4所示，同时，TiC相的尺寸增加，TiC颗粒的数量和均匀分布程度均增加，如图5所示。即在激光功率一定的情况下，通过提高激光扫描速率，可使熔覆层组织细化，TiC硬质相的尺寸增大，数量和均匀分布的程度增加，从而使熔覆层硬度明显增大，如图6和表2所示。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出一种TiC-Co基合金激光熔覆层的组织和性能调控方法，通过激光熔覆工艺的反复研究，发现降低激光功率或提高激光扫描速率可使熔覆层组织细化，而降低激光功率可使TiC硬质相细化、均匀化和弥散化，同时含量增加；提高激光扫描速率则使TiC硬质相数量增加、粗化并分布均匀化，从而形成了本发明的熔覆层组织和性能调控的方法。

2、本发明的熔覆层组织调控是基于熔覆层成型良好的范围进行工艺调整，而非无限调控。

3、本发明关于激光熔覆层的组织和性能调控，可满足零件表面对耐磨和减磨性能的不同要求，实现两个对磨零件的抗磨损的最佳状态。

附图说明

图1为成型良好的激光熔覆层宏观照片。

图2为当激光扫描速率为410mm/min时，TiC-Co基合金熔覆层表层SEM及EDS分析结果，其中：(a)P＝3.2kW；(b)P＝3.3kW；(c)P＝3.4kW；(d)P＝3.5kW；(e)P＝3.6kW。

图3为激光扫描速率为410mm/min时，熔覆层硬度随激光功率的变化关系。

图4为激光功率为3.5kW时，熔覆层组织随激光扫描速率的变化；其中：(a)v＝350mm/min；(b)v＝370mm/min；(c)v＝390mm/min；(d)v＝410mm/min。

图5为激光功率P＝3.5kW，不同扫描速率时的熔覆层的SEM及EDS分析结果；其中：(a),(b)激光扫描速率为370mm/min；(c),(d)激光扫描速率为410mm/min

图6为激光功率P＝3.5kW时，激光扫描速度对TiC-Co基合金熔覆层表层硬度的影响。

图7为激光功率P＝3.2kW，激光扫描速度对TiC-Co基合金熔覆层表层硬度的影响

图8为表1激光扫描速率为410mm/min，不同激光功率时熔覆层的硬度。

图9为表2激光功率P＝3.5kW，不同激光扫描速度时TiC-Co基合金熔覆层表层硬度。

图10为表3激光功率P＝3.2kW，不同激光扫描速度时TiC-Co基合金熔覆层表层硬度。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

实施例1

实验材料及预处理：基体为球墨铸铁，激光熔覆材料为TiC-Co基合金混合粉末，其中，钴基合金为Stellite 6合金，合金粉粒度为53～150μm，TiC粉末粒度为60～80μm。按TiC体积分数10％的比例将两者在研磨机进行均匀混合，混合时间为30min，并在烘箱中180℃烘干为3h，保持干燥待用。

激光熔覆具体过程如下：

激光熔覆前，对球墨铸铁表面进行清理，除掉表面的锈渍，然后用丙酮擦洗，待用；激光熔覆时，在氩气保护气氛下，采用6kW CO₂激光器，在激光扫描速度v＝410mm/min、光斑直径3mm、搭接率50％时，改变激光功率(从P＝3.2kW到P＝3.6kW)，将预置于球墨铸铁表面的混合合金粉末激光熔覆成为表面致密的熔覆层。

所制备的球墨铸铁表面激光熔覆层的微观组织特征及EDS结果如图2所示，激光熔覆后熔覆层表面成形良好，表面没有气孔和裂纹，熔覆层中形成了大量的树枝晶，在树枝晶间分布着很多细小的黑色颗粒状物质，经EDS分析可推知，该相为TiC颗粒和溶解TiC在凝固时形成的枝状TiC。对比图2中不同激光功率下获得的组织，发现随激光功率的降低，熔覆层的组织中初生枝晶和共晶组织均变细小，TiC相由粗大颗粒向细小颗粒转变，颗粒中未熔解的部分增多，TiC相在组织中的含量越来越多，分布也越来越均匀。

对本实施例制备的球墨铸铁表面TiC-Co基合金激光熔覆层的进行硬度测试，测试结果如表1和图3所示，发现，降低激光功率可使熔覆层的硬度显著提高。

实施例2

当激光功率P＝3.5kW时，改变激光扫描速率(从v＝350mm/min到v＝410mm/min)制备球墨铸铁表面的TiC-Co基合金激光熔覆层，其微观组织和EDS分析结果如图4和图5所示。随着激光扫描速率的提高，熔覆层的组织中枝晶数量增加，枝晶长度变短，二次枝晶间距减小，同时，TiC相的尺寸增加，TiC颗粒的数量和均匀分布程度均增加，因此，在激光功率一定的情况下，提高激光扫描速率，可使熔覆层组织细化，TiC硬质相的尺寸增大，数量和均匀分布的程度增加，从而使熔覆层硬度明显增大，如图6和表2所示。

实施例3

当激光功率P＝3.2kW时，改变激光扫描速率(从v＝350mm/min到v＝410mm/min)制备球墨铸铁表面的TiC-Co基合金激光熔覆层，硬度测试结果如图7和表3所示，随着激光扫描速度的提高，TiC-Co基合金熔覆层的硬度显著增加，在扫描速度v＝410mm/min时硬度达到1246.6HV_0.2。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法，其特征在于：对于TiC含量小于30％的TiC-Co基合金而言，采用最大功率为6kW的CO₂激光器和预置粉末法送粉进行激光熔覆，光斑直径3mm，搭接率50％，控制钴合金的粉末粒度为53～150μm，TiC粉末粒度为5-100μm，在激光功率P＝3.2～3.6kW、激光扫描速度v＝350～410mm/min的范围内，可在球墨铸铁表面制备得到成型良好的激光熔覆层，采用降低激光功率的方法，可使熔覆层组织细化，TiC相弥散细小，含量显著增加，从而提高熔覆层的性能；或采用提高激光扫描速率的方法，使熔覆层组织细化，而TiC尺寸变大，含量增加，也可相应提高熔覆层的性能。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法，其特征在于：钴基合金为Stellite6合金，合金粉粒度为53-150μm，TiC粉末粒度为60～80μm。按TiC体积分数10％的比例将两者在研磨机进行均匀混合，混合时间为30min，并在烘箱中180℃烘干为3h，保持干燥待用。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法，其特征在于：所述激光熔覆具体过程如下：

激光熔覆前，对球墨铸铁表面进行清理，除掉表面的锈渍，然后用丙酮擦洗，待用；激光熔覆时，在氩气保护气氛下，采用6kW CO₂激光器，光斑直径3mm、搭接率50％，在激光扫描速度v＝410mm/min时，改变激光功率，从P＝3.2kW到P＝3.6kW，或者激光功率P＝3.4kW时，改变激光扫描速度，从v＝350mm/min到v＝410mm/min，将预置于球墨铸铁表面的混合合金粉末激光熔覆成为表面致密的熔覆层。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆TiC/钴基合金复合涂层组织与性能调控方法，其特征在于：所述激光熔覆层组织调控具体如下：

在激光功率P＝3.2～3.6kW、激光扫描速度v＝350～410mm/min的范围内，采用降低激光功率的方法，细化熔覆层组织，TiC相弥散细小，含量显著增加，进而提高熔覆层的性能；或采用提高激光扫描速率的方法，细化熔覆层组织，而TiC尺寸变大，含量增加，相应地提高熔覆层的性能。