CN110004441A - 一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方、涂层及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方、涂层及其制备工艺，属于涂层材料技术领域。Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，按重量份计主要包括如下成分：Fe基合金粉末68‑84.5份，WC粉末5‑20份，TiC粉末5‑20份，TaC粉末5‑20份，Re粉末0.5‑3份。采用高功率送粉式激光熔覆将制备好的复合粉末熔覆在预处理后的基材表面，形成Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层。本发明制备的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，具有优异的机械性能和力学性能，微观组织细腻，无裂纹、气孔等缺陷，表面硬度高，耐磨性能和耐腐蚀性能优异，能够大幅提高零部件在严苛工况下的服役寿命，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂层Fe基合金WC/TiC/TaC/Re(指稀土Rare Earth)复合粉末配方、涂层及其制备工艺，属于涂层材料技术领域。
背景技术
许多重要的表面性能都取决于金属材料表面的物理、化学性质，如硬度、摩擦磨损性能、耐汽蚀性、耐腐蚀性、抗氧化性、耐热性等。而这些表面性能又与工件的服役性能和寿命紧密相关。传统的表面处理方式，如各种镀层、渗层、涂层等，往往存在层间结合力较差，受固态扩散、平衡溶解度等限制，应用效果难以尽如人意。随着大功率的激光装置的发展，为研究和开发高表面性能涂层技术提供了新的有效途径。激光熔覆是利用激光的高能量密度，将粉末和基体表面材料快速熔化、凝固，形成具有特殊表面性能涂层的一种表面改性新技术。激光熔覆具有冶金结合，组织极细，覆层成分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区熔覆，工艺过程易实现自动化等诸多优点。它可以在低性能廉价的基材表面上制备出高性能的复合涂层表面，既有低成本，低能耗、节约贵重稀有的金属材料的优势，又能够显著提高零部件的使用寿命，还可实现对零部件进行局部修复再制造。因而该技术具有广阔的应用前景，在机械制造与维修、能源、汽车、航海、航天和石油化工等领域受到普遍关注。
影响激光熔覆涂层性能的关键因素是材料的成分与激光熔覆处理工艺。由于涂层材料与基体材料之间在物质、结构和性能上存在较大差异，尤其是金属与陶瓷之间，较差的相互润湿性和界面结合性能，会导致基体与涂层之间的界面结合较差，容易导致裂纹产生。另一方面，由于激光熔覆的熔池小，温度梯度大，涂层内部的热应力高，且材料的熔化和凝固冷却都是在极快的条件下进行的，涂层中会产生很大的残余应力。受热物性差异以及处理工艺等因素的影响，在熔覆涂层中容易形成裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良等缺陷，特别是在多道搭接激光熔覆过程中更易产生裂纹，限制了激光熔覆技术的应用和发展。
合理设计涂层材料体系和选择的激光熔覆工艺，对改善激光熔覆涂层的界面性能和微观组织结构具有显著的意义，也为解决熔覆层中易出现裂纹、孔洞、夹杂等问题奠定了基础。激光熔覆合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等。铁基合金适于要求局部耐磨且容易变形的零件，其优在于抗磨性能好、成本低廉，与钢铁基体的匹配性较好。但铁基合金在激光熔覆过程中存在容易开裂、容易氧化和烧损、容易产生气孔等缺点，限制了其在工业上的应用。
随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步，作为应用前景广阔的表面处理新技术，激光熔覆必将逐渐得到越来越广泛的关注、推广和应用，对熔覆的质量和表面强化的性能要求也越来越高，因此迫切需要我们从材料、组织结构、工艺方法等多方面入手，进行系统地研究和技术开发，寻找一种科学、可靠、经济的方法来提高激光熔覆层质量，不断推进其工业应用的深入发展。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方、涂层及其制备方法。
本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，主要包括如下组分：Fe基合金粉末68-84.5份，WC粉末5-20份，TiC粉末5-20份，TaC粉末5-20份，Re粉末0.5-3份。其中，各组分均按重量份计。
进一步的，所述的Fe基合金按重量份100份计主要包括如下组分：Cr 10-35份，Ni2-5份，Mo4-7份，C 1-2份，Si 1-2份，Fe余量，。
进一步的，所述的Re粉末为纯度不低于99.9％的CeO2或La2O3中任一种或两种的混合物。
进一步的Fe基合金粉末的平均粒径为40-140μm，Re粉末的平均粒径为30-80nm,其他粉末的平均粒径0.5-10μm。
进一步的，所述的复合粉末的获取方法为：按配方比例称取原料后，经球磨混粉后烘干制得。
更进一步的，所述的球磨混粉步骤中，球磨转速为60-150r/min，球磨时间为8-24小时。
更进一步的，所述的烘干步骤中，烘干保温温度为80-100℃，烘干时间为1-3h。
一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，制备方法如下：
(1)预处理：将基材除油去污，清洗干净，再烘干；
(2)熔覆：采用送粉式激光熔覆将上述制备好的的复合粉末熔覆在预处理后的基材表面，形成Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层。
进一步的，所述的送粉式激光熔覆过程中，激光功率为1.5-3.0kW，熔覆速度6-14mm/s，光斑直径3-7mm，搭接率30％-50％，送粉率55-135g/min。
进一步的，所述的复合涂层致密，无明显孔隙；显微硬度为550-720HV。
在本发明复合粉末配方中以Fe基合金粉末作为主要成分，制备具有高耐磨耐腐蚀性能的激光熔覆层。
其中，加入WC粉末作为熔覆层中的硬质相，可以起到弥散强化的作用，增强熔覆层的耐磨性能；加入TiC粉末用于阻止晶粒长大，固定熔池中的氧和氮元素，消除或减熔覆层的晶间腐蚀，提高熔覆层的塑韧性和抗晶间腐蚀能力；加入TaC粉末用于固溶强化Fe基合金，提高对熔覆层中硬质相的支撑能力，抑制熔池中M7C3碳化物晶粒的长大，降低其脆裂性，细化晶粒增加熔覆层的韧性，提高耐磨性；加入Re粉末用于细化枝晶组织，改善熔池流动性，吸附固定熔覆层中的硫、氧元素，强化、净化晶界，提高高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，有效改善硬质相颗粒形状得及分布均匀性。各组分的加入比例应考虑组分之间的相互作用以及对最终涂层材料性能的影响，经大量实验研究最终选定各组分按质量计为：Fe基合金粉末68-84.5份，WC粉末5-20份，TiC粉末5-20份，TaC粉末5-20份，Re粉末0.5-3份，且Re优选纯度不低于99.9％的CeO2、La2O3中的一种或多种；在Fe基合金中，加入Cr元素用于提高Fe基合金的硬度、耐磨性和高温抗氧化性；Ni元素用于细化晶粒，提高合金强度；加入Mo提高硬度和耐腐蚀性；Si用于脱氧造渣，改善润湿性，按质量共100份计，Fe余量份，Cr 10-35份，Ni2-5份，Mo4-7份，C 1-2份，Si 1-2份，这样获得的Fe基合金与钢铁基体材料接近，有利于形成良好的结合界面，同时获得的涂层性能最佳，且可减少战略性稀有元素的用量，价格便宜，经济性上利于大规模的工业推广应用。
在上述复合粉末中，Fe粉末的平均粒径为40-140μm，Re粉末的平均粒径为30-80nm,其他粉末的平均粒径0.5-10μm。
本发明的另一个目的在于提供一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层及与其制备工艺。
所述Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层的制备工艺如下：
(1)预处理：将基材除油去污，清洗干净，再烘干；
(2)熔覆：采用高功率送粉式激光熔覆将按上述配方制备好的的复合粉末熔覆在预处理后的基材表面，形成Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层。
进一步的，所述的熔覆过程中，激光功率为1.5-3.0kW，熔覆速度6-14mm/s，光斑直径3-7mm，搭接率30％-50％，送粉率55-135g/min。
上述制得的复合涂层致密，无明显孔隙；显微硬度550-720HV，耐磨性较基体提高8-30倍，盐雾实验呈现涂层500小时未见明显腐蚀行为。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层材料配方合理，原材料易取得，成本低，制成涂层的方法简单、工艺可靠，适合大规模工业推广。
2.本发明制得的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层具有优异的具有优异的机械性能和力学性能，微观组织细腻，无裂纹、气孔等缺陷，表面硬度高，耐磨性能和耐腐蚀性能优异，能够大幅提高零部件在严苛工况下的服役寿命，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末
一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合材料，主要包括如下按重量份计的成分：Fe基合金粉末75份，WC粉末12份，TiC粉末6份，TaC粉末6份，Re粉末1份。Fe粉末的平均粒径为100μm，Re粉末(为CeO2)的平均粒径为60nm,其他粉末的平均粒径5μm。其中Fe基合金粉末的主要成分按重量份计：Fe 57份，Cr 30份，Ni 5份，Mo5份，C 1份，Si 2份。
实施例2：一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末
一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合材料，主要包括如下按重量份计的成分：Fe基合金粉末72份，WC粉末12份，TiC粉末7份，TaC粉末7份，Re粉末2份。Fe粉末的平均粒径为130μm，Re粉末(为CeO2)的平均粒径为55nm,其他粉末的平均粒径8μm。其中Fe基合金粉末的主要成分按重量份计：Fe 63份，Cr 22份，Ni 4份，Mo7份，C 2份，Si 2份。
实施例3：一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末
一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合材料，主要包括如下按重量份计的成分：Fe基合金粉末81.5份，WC粉末5份，TiC粉末7份，TaC粉末5份，Re粉末1.5份。Fe粉末的平均粒径为120μm，Re粉末(为CeO2和La2O3混合物，重量比1:1)的平均粒径为40nm,其他粉末的平均粒径3μm。其中Fe基合金粉末的主要成分按重量份计：Fe64份，Cr 26份，Ni 3份，Mo5份，C 1份，Si1份。
实施例4：一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，所述的涂层由实施例1中的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末通过如下方法在基材表面形成：
混粉：按实施例1中的配方比例称取原料后，经球磨混粉后烘干制成。球磨转速为95r/min，球磨时间24小时。烘干保温温度为85℃，烘干时间为3h。
预处理：用酒精将基材Q235钢表面清洗干净，除去表面油渍污物，然后放于保温箱内于50℃下烘干。
熔覆：采用高功率同轴送粉激光熔覆制备复合涂层时，激光功率为2.0kW，熔覆速度8mm/s，光斑直径5mm，搭接率50％，送粉率85g/min。
本实施例4制得的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，致密无明显孔隙；涂层的显微硬度680HV；耐磨性较基体Q235提高25倍，盐雾实验呈现涂层600小时未见明显腐蚀行为。
实施例5：一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，所述的涂层由实施例2中的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末通过如下方法在基材表面形成：
混粉：按实施例2中的配方比例称取原料后，经球磨混粉后烘干制成。球磨转速为130r/min，球磨时间20小时。烘干保温温度为90℃，烘干时间为2.5h。
预处理：用酒精将基材45#钢表面清洗干净，除去表面油渍污物，然后放于保温箱内于45℃下烘干。
熔覆：采用高功率同轴送粉激光熔覆制备复合涂层时，激光功率为2.2kW，熔覆速度12mm/s，光斑直径6mm，搭接率40％，送粉率125g/min。
本实施例5制得的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，致密无明显孔隙；涂层的显微硬度697HV；耐磨性较基体45#钢提高10.5倍，盐雾实验呈现涂层500小时未见明显腐蚀行为。
Claims (9)
1.一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，主要包括如下组分：Fe基合金粉末68-84.5份，WC粉末5-20份，TiC粉末5-20份，TaC粉末5-20份，Re粉末0.5-3份，其中，各组分均按重量份计。
2.根据权利要求1所述的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，Fe基合金按重量份100份计主要包括如下组分：Cr10-35份，Ni2-5份，Mo4-7份，C1-2份，Si1-2份，Fe余量。
3.根据权利要求1所述的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，所述的Re粉末为纯度不低于99.9％的CeO2或La2O3中任一种或两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，Fe基合金粉末的平均粒径为40-140μm，Re粉末的平均粒径为30-80nm,其他粉末的平均粒径0.5-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，所述的复合粉末的获取方法为：按配方比例称取原料后，经球磨混粉后烘干制得。
6.根据权利要求5所述的一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，所述的球磨混粉步骤中，球磨转速为60-150r/min，球磨时间为8-24小时。
7.根据权利要求5所述的一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合粉末配方，其特征在于，所述的烘干步骤中，烘干保温温度为80-100℃，烘干时间为，1-3h。
8.一种Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，其特征在于，所述的涂层制备工艺如下：
(1)预处理：将基材除油去污，清洗干净，再烘干；
(2)熔覆：采用送粉式激光熔覆将权利要求1-7任一项所述的复合粉末熔覆在预处理后的基材表面，形成Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层。
9.根据权利要求8所述的Fe基合金WC/TiC/TaC/Re复合涂层，其特征在于，所述的熔覆过程中，激光功率为1.5-3.0kW，熔覆速度6-14mm/s，光斑直径3-7mm，搭接率30％-50％，送粉率55-135g/min。
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