CN110331399B - 抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法 - Google Patents

抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制激光熔覆制备含铬镍基合金‑cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，该方法的具体过程为：向含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末进行球磨处理，得到球磨粉末，以球磨粉末为原料，采用激光熔覆制备含铬镍基合金‑cBN复合涂层。本发明在含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末，激光熔覆过程中Ti粉末在激光熔池趋向于集聚在cBN粉末颗粒的周围并与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，阻止了cBN粉末颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解，从而达到激光熔覆制备含铬镍基合金‑cBN复合涂层中抑制cBN颗粒分解的目的。

Description

抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分 解的方法
技术领域
本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及一种抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法。
背景技术
氮化硼一般有六方和立方两种晶体结构，六方氮化硼(hBN)与石墨结构相似，通常被称为白色石墨，是一种固体润滑剂；而立方氮化硼(cBN)的晶体结构与金刚石相似，属于一种类金刚石人工合成硬质材料，通常与金刚石统称为超硬材料。立方氮化硼(cBN)具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，虽然其热导率和硬度略低于金刚石，但其化学稳定性和热稳定性远高于金刚石。在大气中，当温度达到600℃时金刚石就会发生石墨化相变，而cBN直到1300℃才发生氧化，在真空中，金刚石和石墨的相变温度约为1300℃，而cBN与h-BN的相比转变温度达到1550℃。另外，cBN磨具的磨削性能非常优异，cBN可以用于钢铁制品的精密加工和研磨，具有优良的耐磨性和耐热性，常用于磨料和刀具材料，因此，将cBN颗粒作为一种强化相颗粒，利用激光熔覆的方法制备于金属基材的表面，是一种提高材料耐磨性的有效方法。
激光熔覆技术是一种高效的表面改性技术，它利用高能量激光在零件表面熔覆涂层，熔覆层与基体的结合方式为冶金结合，这种结合方式能够保证涂层与基体间的结合强度，且涂层组织细小、致密，容易实现工艺自动化。激光熔覆镍基合金-cBN复合涂层所采用的镍基合金为镍基自熔性合金，这类合金粉末的成球性好，表面光洁，流动性好，具有优良的耐腐蚀、抗氧化、耐热、耐低应力磨粒磨损和抗粘着磨损等综合性能。镍基自熔性合金熔点低(950～1150℃)，脱氧和造渣能力强，固液相温度区间宽，对于多种基材和陶瓷颗粒(WC)有强润湿能力，是熔覆领域应用较广的一类自熔性合金。其中含铬的NiCrBSi系镍基自熔性合金由于较高的硬度，常被用于激光熔覆制备耐磨和抗氧化涂层，铬的加入使镍基产生固溶强化，提高镍基电极电位而钝化，过量的Cr能与C、B元素形成CrB和CrxCy类高硬度相，弥散分布在固溶强化基体中，起到沉淀硬化作用，大大提高涂层的耐磨性。
然而，以含铬镍基自熔性合金作为cBN粘结相进行激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层时，激光对熔池的搅拌作用会导致cBN颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr发生反应，从而出现cBN颗粒分解、相变和烧蚀等问题，难以将cBN颗粒完好地保留在复合涂层中。因此，如何在激光熔覆过程中抑制含铬镍基自熔性合金中cBN颗粒的分解是制备cBN强化耐磨涂层的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法。该方法在含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末，激光熔覆过程中Ti粉末在激光熔池趋向于集聚在cBN粉末颗粒的周围并与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，阻止了cBN粉末颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解，从而达到激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中抑制cBN颗粒分解的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：向含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末进行球磨处理，得到球磨粉末，再以球磨粉末为原料，采用激光熔覆法制备铬镍基合金-cBN复合涂层；所述混合粉末中Ti粉末的质量百分数为10％～30％，Ti粉末与cBN粉末的质量比为1:1。
本发明在含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末，然后利用球磨方法混合均匀得到球磨粉末，然后以球磨粉末为原料，采用激光熔覆制备铬镍基合金-cBN复合涂层，在该激光熔覆过程中，由于Ti与N的亲和性强于Cr与B的亲和性，Ti粉末在激光熔池中趋向于集聚在cBN粉末颗粒的周围，并与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，阻止了cBN粉末颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解，使得cBN颗粒完好保存在复合涂层中起到强化作用，从而达到激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中抑制cBN颗粒分解的目的。
上述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述含铬镍基自熔性合金粉末中铬的质量含量为10％～18％。上述含铬镍基自熔性合金粉末的硬度通常大于45HRC，涵盖了多种牌号的镍合金，如Ni45、Ni55、Ni60，为常用的激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层的原料，扩大了本发明方法的应用范围，提高了本发明方法的适用性。
上述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述cBN粉末的粒度为20μm～50μm，所述cBN粉末的颗粒为不规则形貌颗粒。上述cBN粉末形成的含铬镍基合金-cBN复合涂层中的缺陷最少，有效避免了颗粒过大导致激光熔覆制备过程中含铬镍基合金-cBN复合涂层的开裂敏感性增大，提高了含铬镍基合金-cBN复合涂层的质量。
上述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述Ti粉末的质量纯度大于99.9％，Ti粉末的粒度为20μm～50μm，所述Ti粉末的颗粒为不规则形貌颗粒或球形颗粒。上述Ti粉末减少了杂质的引入，且有利于Ti粉末在含铬镍基合金-cBN复合涂层中分布均匀。
上述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述球磨处理采用的方法为行星式球磨法，所述球磨处理采用的转速为100rpm，球磨时间为1h，球料比为30:1。该球磨处理的条件有利于混合粉末充分混合均匀，避免了球磨处理过程中因球磨速度过快或球磨时间过长造成的cBN颗粒的破碎，同时避免了混合粉末球磨处理过程中的机械合金化现象。
上述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述激光熔覆为脉冲激光熔覆。采用脉冲激光熔覆可有效控制含铬镍基合金-cBN复合涂层的厚度，灵活方便，容易实现。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末作为原料，采用激光熔覆制备铬镍基合金-cBN复合涂层，激光熔覆过程中Ti粉末在激光熔池趋向于集聚在cBN粉末颗粒的周围，并与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，阻止了cBN粉末颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解，使得cBN颗粒完好保存在复合涂层中起到强化作用，从而达到抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层过程中cBN颗粒分解的目的。
2、与现有技术中采用PVD等方法在真空环境下制备与基材的结合强度弱、抗冲击载荷能力差的纳米级的cBN薄膜相比，本发明采用激光熔覆法实现了开放环境下铬镍基合金-cBN复合涂层的制备，对基体的形状和大小无限制，扩大了铬镍基合金-cBN复合涂层的适用范围，且该复合涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，涂层厚度可控。
3、本发明通过在原料中加入Ti粉末抑制了激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒的分解，方法简单，容易实现，解决了现有技术中采用粉末冶金技术制备含cBN复合材料流程复杂、工艺自由度低的缺点，不仅实现了在多种基体表面制备cBN强化的镍基复合涂层，还实现了在基体表面选区性制备cBN强化的镍基复合涂层，灵活方便，具有推广价值。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1～实施例3和对比例1采用的cBN粉末的SEM图(×2000倍)。
图2是本发明实施例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×100倍)。
图3是本发明实施例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×500倍)。
图4是本发明实施例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中cBN颗粒界面SEM图(×3000倍)。
图5是本发明对比例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×50倍)。
图6是本发明对比例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×1000倍)。
图7是本发明对比例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中析出相的SEM图(×10000倍)。
具体实施方式
图1是本发明实施例1～实施例3和对比例1采用的cBN粉末的SEM图，从图1可以看出，该cBN粉末颗粒完整，具有不规则形貌，有利于减少含铬镍基合金-cBN复合涂层中的缺陷。
实施例1
本实施例的具体过程为：向铬的质量含量为10％的FZNCr-55A合金粉末、粒度为20μm～50μm的不规则形貌cBN粉末中加入质量纯度为99.99％、粒度为20μm～50μm的球形Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末采用行星式球磨法在转速为100rpm、球料比为30:1的条件下进行球磨处理1h，得到球磨粉末，再将球磨粉末预置于TC4合金表面并形成厚度为1mm的预置粉末层，采用脉冲激光熔覆制备FZNCr-55A合金-cBN复合涂层；所述混合粉末中FZNCr-55A合金粉末、cBN粉末与Ti粉末的质量比为8:1:1，所述脉冲激光熔覆的工艺参数为：激光光斑1mm，脉冲频率20Hz，脉宽5ms，扫描速度10mm/s。
图2是本实施例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×100倍)，图3是本实施例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×500倍)，从图2和图3可以看出，本实施例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织中保留了大量不规则形状的cBN颗粒。
图4是本实施例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中cBN颗粒界面SEM图(×3000倍)，从图4可以看出，本实施例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中的cBN颗粒的截面形成了过渡层，说明激光熔覆过程中Ti粉末集聚在cBN粉末颗粒的周围并与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，阻止了cBN粉末颗粒与FZNCr-55A合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解。
对图4中的cBN颗粒界面的1、2、3和4处进行EDS扫描，结果如下表1所示。
表1实施例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中cBN颗粒界面的EDS扫描结果
Figure BDA0002146554260000061
Figure BDA0002146554260000071
表1中的“-”表示无该项数据。
从表1可以看出，本实施例的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中位于cBN颗粒界面外部的1处主要含有Ti、Al、V和Ni元素，说明cBN颗粒界面外部成分主要由FZNCr-55A和Ti熔融而成，位于cBN颗粒界面外层的2处和4处主要含有N和Ti元素，说明cBN颗粒界面外层中成分为TiN，位于cBN颗粒内部的3处主要含有B和N元素，说明cBN颗粒完好保存在复合涂层中。
对比例1
本实施例的具体过程为：向铬的质量含量为10％的FZNCr-55A合金粉末加入粒度为20μm～50μm的不规则形貌cBN粉末形成混合粉末，然后将混合粉末采用行星式球磨法在转速为100rpm、球料比为30:1的条件下进行球磨处理1h，得到球磨粉末，再将球磨粉末预置于TC4合金表面并形成厚度为1mm的预置粉末层，采用脉冲激光熔覆制备FZNCr-55A合金-cBN复合涂层；所述球磨粉末中FZNCr-55A合金粉末与cBN粉末的质量比为8:2，所述脉冲激光熔覆的工艺参数为：激光光斑1mm，脉冲频率20Hz，脉宽5ms，扫描速度10mm/s。
图5是本对比例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×50倍)，图6是本对比例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层显微组织的SEM图(×1000倍)，从图5和图6可以看出，本对比例制备的铬镍基合金-cBN复合涂层中的cBN颗粒发生严重分解，形成细小枝晶组织结构。
图7是本对比例制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中析出相的SEM图(×10000倍)，从图7可以看出，本对比例制备的铬镍基合金-cBN复合涂层中形成粒状析出相。
对图7中析出相的1和2进行EDS扫描，结果如下表2所示。
表2对比例1制备的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中析出相的EDS扫描结果
Figure BDA0002146554260000081
表2中的“-”表示无该项数据。
从表2可知，本对比例的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中析出相的1处和2处的元素组成相同且质量含量接近，主要元素均为B和Cr，即本对比例的FZNCr-55A合金-cBN复合涂层中析出相为CrB，说明本对比例的激光熔覆过程中cBN颗粒发生分解，与镍基合金中的Cr元素形成CrB。
将表1与表2对比可知，本发明在原料中添加Ti粉末，采用激光熔覆制备铬镍基合金-cBN复合涂层，激光熔覆过程中Ti粉末与cBN粉末颗粒反应形成TiN层，包覆在cBN颗粒周围，阻止了cBN粉末颗粒与含铬镍基自熔性合金中的Cr接触并发生反应导致cBN粉末颗粒分解，使cBN颗粒完好保存在复合涂层中，起到强化作用，从而达到激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中抑制cBN颗粒分解的目的。
实施例2
本实施例的具体过程为：向铬的质量含量为14％的Ni55B合金粉末、粒度为20μm～50μm的不规则形貌cBN粉末中加入质量纯度为99.95％、粒度为20μm～50μm的不规则形貌Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末采用行星式球磨法在转速为100rpm、球料比为30:1的条件下进行球磨处理1h，得到球磨粉末，再将球磨粉末预置于316L不锈钢表面并形成厚度为1mm的预置粉末层，采用脉冲激光熔覆制备Ni55B合金-cBN复合涂层；所述混合粉末中Ni55B合金粉末、cBN粉末与Ti粉末的质量比为6:2:2，所述脉冲激光熔覆的工艺参数为：激光光斑1mm，脉冲频率20Hz，脉宽5ms，扫描速度10mm/s。
实施例3
本实施例的具体过程为：向铬的质量含量为18％的Ni60A合金粉末、粒度为20μm～50μm的不规则形貌cBN粉末中加入质量纯度为99.99％、粒度为20μm～50μm的球形Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末采用行星式球磨法在转速为100rpm、球料比为30:1的条件下进行球磨处理1h，得到球磨粉末，再将球磨粉末进行同轴送粉并采用脉冲激光熔覆制备Ni60A合金-cBN复合涂层；所述混合粉末中Ni60A合金粉末、cBN粉末与Ti粉末的质量比为4:3:3，所述脉冲激光熔覆的工艺参数为：激光光斑1mm，脉冲频率20Hz，脉宽5ms，扫描速度10mm/s。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：向含铬镍基自熔性合金粉末和cBN粉末中加入Ti粉末形成混合粉末，然后将混合粉末进行球磨处理，得到球磨粉末，再以球磨粉末为原料，采用激光熔覆法制备铬镍基合金-cBN复合涂层；所述含铬镍基自熔性合金粉末中铬的质量含量为10%~18%，所述cBN粉末的粒度为20μm~50μm，所述cBN粉末的颗粒为不规则形貌颗粒；所述混合粉末中Ti粉末的质量百分数为10%~30%，Ti粉末与cBN粉末的质量比为1:1，所述Ti粉末的质量纯度大于99.9%，Ti粉末的粒度为20μm~50μm，所述Ti粉末的颗粒为不规则形貌颗粒或球形颗粒。
2.根据权利要1所述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述球磨处理采用的方法为行星式球磨法，所述球磨处理采用的转速为100rpm，球磨时间为1h，球料比为30:1。
3.根据权利要1所述的抑制激光熔覆制备含铬镍基合金-cBN复合涂层中cBN颗粒分解的方法，其特征在于，所述激光熔覆为脉冲激光熔覆。
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