CN110408817A - 一种TiC/TiN/B4C颗粒增强镍基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料及其制备方法，所述复合材料包括以下组份：TiN颗粒、TiC颗粒和B₄C颗粒的质量百分含量均大于等于0％小于等于30％，其余为基体合金；所述基体合金为Ni204合金粉，其中Ni204合金粉中C粉质量百分含量≤0.03％，Si粉质量百分含量为0.4％，Cr粉质量百分含量为21％，Mo粉质量百分含量为9％，Nb粉质量百分含量为4％，Fe粉质量百分含量为1.5％，其余为Ni粉。本发明通过引入陶瓷颗粒有效提高镍基合金的耐磨性和显微硬度。本发明采用激光熔覆同轴送粉技术实现复合材料制备，该技术得到的涂层致密，与基体冶金结合良好。

Description

一种TiC/TiN/B4C颗粒增强镍基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体涉及一种微米TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料及其制备方法。

背景技术

B₄C、TiC、TiN为超硬陶瓷材料，具有一些独特的性能，例如优良化学稳定性，高熔点，高硬度。Ni基合金自容性优良，与铁基体润湿性好，然而一些镍基合金硬度低，耐磨性差。B₄C、TiC、TiN、TiB₂与粘性金属制备的复合涂层产生的复相或者陶瓷相可以有效提高硬度和耐磨性，强化基体韧性，耐磨性，耐高温性。因此陶瓷广泛用于刀具涂层，涡轮叶片，轴承，齿轮以及其他的耐磨性零件。目前涂层制备的方法中，热喷涂制备的涂层中有较多孔洞且层间冶金结合质量差，自蔓延合成法制备涂层受材料性能和工件形状影响，粉末冶金存在层间界面，化学气相沉积需要高温高压环境且工件变形严重，物理气相沉积难以控制成分分布。相比于以上涂层制备方法，激光熔覆可以制备组织致密，层间冶金结合良好，稀释率小，内部缺陷小，性能优良的涂层。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料及其制备方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，所述复合材料包括以下组份：

TiN颗粒、TiC颗粒和B₄C颗粒的质量百分含量均大于等于0％小于等于30％，其余为基体合金；

所述基体合金为Ni204合金粉，其中Ni204合金粉中C粉质量百分含量≤0.03％，Si粉质量百分含量为0.4％，Cr粉质量百分含量为21％，Mo粉质量百分含量为9％，Nb粉质量百分含量为4％，Fe粉质量百分含量为1.5％，其余为Ni粉。

TiN颗粒、TiC颗粒和B₄C颗粒为原位添加颗粒。

所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为30％，TiN颗粒和B₄C颗粒质量百分含量均为0％，其余为Ni204合金粉。

所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为5％，TiN颗粒质量百分含量为0％，B₄C颗粒质量百分含量为30％，其余为Ni204合金粉。

所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为2.5％，TiN颗粒质量百分含量为2.5％，B₄C颗粒质量百分含量为10％，其余为Ni204合金粉。

所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为10％，TiN颗粒质量百分含量为10％，B₄C颗粒质量百分含量为10％，其余为Ni204合金粉。

所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为15％，TiN颗粒质量百分含量为15％，B₄C颗粒质量百分含量为0％，其余为Ni204合金粉。

具有以下一种或多种特征：

-所述Ni204合金粉粒径为53-100μm，纯度≥99.9％；

-所述TiC颗粒粒径为6-10μm，纯度≥99％；

-所述TiN颗粒粒径为2-10μm，纯度≥99.5％；

-所述B₄C颗粒粒径为2-3μm，纯度≥99.9％；

-所述Ni204合金粉为规则的球形颗粒；

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒和所述B₄C颗粒的大小均匀，形状不规则。

一种上述所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料的制备方法，所述方法采用激光熔覆同轴送粉技术制备所述TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，具体步骤如下：

将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和所述Ni204合金粉混合均匀后，形成激光熔覆粉末；

将所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，随着所述激光熔覆粉末到达基板并吸收激光能量熔化，形成熔池，快冷凝固成形，所述TiN颗粒、所述TiC颗粒和所述B₄C颗粒均匀分布在熔层中，得到TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料。

具有以下一种或多种特征：

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒是外加入所述Ni204合金粉中的，通过行星式球磨机将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和Ni204合金粉混合均匀，得到所述激光熔覆粉末；

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒是外加入所述Ni204合金粉中的，通过行星式球磨机将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和Ni204合金粉混合均匀，其中，行星式球磨机的球磨速度为30r/min，球磨时间为2h，行星式球磨机用陶瓷球的直径为8mm且球料重量比为2:1；

所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中之前放在干燥箱中恒温120℃干燥6h。

具有以下一种或多种特征：

将所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备，导入利用离线编程软件RobotArt编好的程序，进行激光熔覆；

激光熔覆过程中激光功率为450W，扫描速度为5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距为0.85mm，z轴提升量为0.35mm。

本发明通过引入陶瓷颗粒有效提高镍基合金的耐磨性和显微硬度。本发明采用激光熔覆同轴送粉技术实现复合材料制备，该技术得到的涂层致密，与基体冶金结合良好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65Ni204复合材料SEM图；

图2为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料EDS面扫元素分布图；

图3为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料EDS能谱图；

图4为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料显微硬度分布；

图5为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料耐磨性分布。

图6为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料SEM图；

图7为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料EDS面扫元素分布图；

图8为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料EDS线扫元素分布图；

图9为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料显微硬度分布；

图10为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料耐磨性分布；

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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于激光熔覆技术制备TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料的方法，制备得到一种具有优异性能的复合材料，包括TiC/TiN/Ni204复合材料、TiN/Ni204复合材料、TiC/Ni204复合材料和TiC/B₄C/Ni204复合材料，通过陶瓷相的引入有效改善了Ni204硬度，同时保持了Ni204的韧性。其中5％TiC/30％B₄C/Ni204复合材料显微硬度达到1300HV_0.5。

实施例1：制备30％TiC和70％Ni204质量百分含量的镍基复合材料

a激光熔覆粉末的制备：按配比称取70％Ni204合金粉(粒径为53-100μm，纯度≥99.9％，球形)和30％TiC颗粒(粉粒径为6-10μm，纯度≥99％，形状不规则，大小均匀)。并用球磨机转速30r/min混合2h，然后在干燥箱中恒温120℃干燥6h；

b复合材料的制备：利用离线编程软件设计KUKA程序，将制备好的激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备(kuka机器人KUKAZH30/60Ⅲ，同轴送粉激光头RC52，IPG激光器YLR-500，同飞水冷机SL400煜宸激光RC-PGF-1送粉器、控制系统组装成的激光熔覆系统)制备30％TiC/70％Ni204复合材料，激光熔覆过程中激光功率450W，扫描速度5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距0.85mm，z轴提升量0.35mm；

该实施案例中得到的复合材料中，陶瓷增强相分布均匀，复合材料中裂纹量以及气孔率小，复合材料显微硬度为966.4HV_0.5，平均摩擦系数为0.203。

实施例2：制备5％TiC、30％B₄C和65％Ni204质量百分含量的镍基复合材料

a激光熔覆粉末的制备：按配比称取65％Ni204合金粉(粒径为53-100μm，纯度≥99.9％，球形)、5％TiC颗粒(粉粒径为6-10μm，纯度≥99％，形状不规则，大小均匀)和30％B₄C颗粒(粒径为2-3μm，纯度≥99.9％，形状不规则，大小均匀)。并用球磨机转速30r/min混合2h，然后在干燥箱中恒温120℃干燥6h；

b复合材料的制备：利用离线编程软件设计KUKA程序，将制备好的激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备(kuka机器人KUKAZH30/60Ⅲ，同轴送粉激光头RC52，IPG激光器YLR-500，同飞水冷机SL400煜宸激光RC-PGF-1送粉器、控制系统组装成的激光熔覆系统)制备5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料，激光熔覆过程中激光功率450W，扫描速度5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距0.85mm，z轴提升量0.35mm；

该实施案例中得到的复合材料中，陶瓷增强相分布均匀，但复合材料中存在大量裂纹以及气孔。

如图1所示，为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料SEM图，增强相均匀分布在复合材料中，复合材料中存在裂纹以及气孔；

如图2所示，为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料EDS面扫元素分布图。从EDS结果可以确定复合材料中增强相为碳化物、硼化化物；

图3所示，为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料EDS能谱图，从EDS结果可以确定S1处相为[TiB₂，C]、S2处相为石墨化的C、S3处相为[Fe,Ni]、S4处相为Cr-Mo-Fe、S5处相为Ti-C-B；；

图4所示，为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料显微硬度分布，其中室温下复合材料硬度出现分层，复合材料表层显微硬度为1308.2HV_0.5，复合材料底部显微硬度为687.4HV_0.5；

图5所示，为实施例2中5％TiC/30％B₄C/65％Ni204复合材料耐磨性分析结果，复合材料摩擦系数为0.555。

实施例3：制备2.5％TiC、2.5％TiN、10％B₄C和85％Ni204质量百分含量的镍基复合材料

a激光熔覆粉末的制备：按配比称取85％Ni204合金粉(粒径为53-100μm，纯度≥99.9％，球形)、2.5％TiC颗粒(粉粒径为6-10μm，纯度≥99％，形状不规则，大小均匀)、2.5％TiN颗粒(粉粒径为2-10μm，纯度≥99.5％，形状不规则，大小均匀)，10％B₄C颗粒(粒径为2-3μm，纯度≥99.9％，形状不规则，大小均匀)，并用球磨机转速30r/min混合2h，然后在干燥箱中恒温120℃干燥6h；

b复合材料的制备：利用离线编程软件设计KUKA程序，将制备好的激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备(kuka机器人KUKAZH30/60Ⅲ，同轴送粉激光头RC52，IPG激光器YLR-500，同飞水冷机SL400煜宸激光RC-PGF-1送粉器、控制系统组装成的激光熔覆系统)制备2.5％TiC/2.5％TiN/10％B₄C/85％Ni204复合材料，激光熔覆过程中激光功率450W，扫描速度5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距0.85mm，z轴提升量0.35mm；

该实施案例中得到的复合材料中，陶瓷增强相分布均匀，复合材料中裂纹量以及气孔率小，平均显微硬度为563.8HV_0.5，摩擦系数为0.528。

实施例4：制备10％TiC、10％TiN、10％B₄C和70％Ni204质量百分含量的镍基复合材料

a激光熔覆粉末的制备：按配比称取70％Ni204合金粉(粒径为53-100μm，纯度≥99.9％，球形)、10％TiC颗粒(粉粒径为6-10μm，纯度≥99％，形状不规则，大小均匀)、10％TiN颗粒(粉粒径为2-10μm，纯度≥99.5％，形状不规则，大小均匀)和10％B₄C颗粒(粒径为2-3μm，纯度≥99.9％，形状不规则，大小均匀)。并用球磨机转速30r/min混合2h，然后在干燥箱中恒温120℃干燥6h；

b复合材料的制备：利用离线编程软件设计KUKA程序，将制备好的激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备(kuka机器人KUKAZH30/60Ⅲ，同轴送粉激光头RC52，IPG激光器YLR-500，同飞水冷机SL400煜宸激光RC-PGF-1送粉器、控制系统组装成的激光熔覆系统)制备10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料，激光熔覆过程中激光功率450W，扫描速度5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距0.85mm，z轴提升量0.35mm；

该实施案例中得到的复合材料中，陶瓷增强相分布均匀，复合材料中裂纹量以及气孔率小。

如图6所示，为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料SEM图，其中黑块为增强相TiN，TiC，Ti(C,N)，陶瓷增强相均匀分散在Ni204中。

如图7所示，为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料EDS面扫元素分布图。从EDS结果可以确定黑块为增强相TiN，TiC，Ti(C,N)；

图8所示，为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料EDS线扫元素分布图，从EDS结果可以确定黑块为增强相TiN，TiC，Ti(C,N)以及浅灰色的(Ti,Mo,Nb)(C,N,B)多元相，在Ti(C,N)增强相附近出现(Ti,Mo,Nb)(C,N,B)多元陶瓷环相；

图9所示，为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料显微硬度分布，其中室温下复合材料硬度出现分层，表层显微硬度为766.8HV_0.5，复合材料底部显微硬度为647.12HV_0.5；

图10所示，为实施例4中10％TiC/10％TiN/10％B₄C/70％Ni204复合材料耐磨性分析结果，涂层摩擦系数为0.47；

实施例5：制备15％TiC、15％TiN和70％Ni204质量百分含量的镍基复合材料

a激光熔覆粉末的制备：按配比称取70％Ni204合金粉(粒径为53-100μm，纯度≥99.9％，球形)、15％TiC颗粒(粉粒径为6-10μm，纯度≥99％，形状不规则，大小均匀)和15％TiN颗粒(粉粒径为2-10μm，纯度≥99.5％，形状不规则，大小均匀)。并用球磨机转速30r/min混合2h，然后在干燥箱中恒温120℃干燥6h；

b复合材料的制备：利用离线编程软件设计KUKA程序，将制备好的激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备(kuka机器人KUKAZH30/60Ⅲ，同轴送粉激光头RC52，IPG激光器YLR-500，同飞水冷机SL400煜宸激光RC-PGF-1送粉器、控制系统组装成的激光熔覆系统)制备15％TiC/15％TiN/70％Ni204复合材料，激光熔覆过程中激光功率450W，扫描速度5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距0.85mm，z轴提升量0.35mm；

该实施案例中得到的复合材料中，陶瓷增强相分布均匀，复合材料中裂纹量以及气孔率小，复合材料显微硬度为415.1HV_0.5，平均摩擦系数为0.619。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiN颗粒、TiC颗粒和B₄C颗粒的质量百分含量均大于等于0％小于等于30％，其余为基体合金；

所述基体合金为Ni204合金粉，其中Ni204合金粉中C粉质量百分含量≤0.03％，Si粉质量百分含量为0.4％，Cr粉质量百分含量为21％，Mo粉质量百分含量为9％，Nb粉质量百分含量为4％，Fe粉质量百分含量为1.5％，其余为Ni粉。

2.根据权利要求书1所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为30％，TiN颗粒和B₄C颗粒质量百分含量均为0％，其余为Ni204合金粉。

3.根据权利要求1所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为5％，TiN颗粒质量百分含量为0％，B₄C颗粒质量百分含量为30％，其余为Ni204合金粉。

4.根据权利要求1所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为2.5％，TiN颗粒质量百分含量为2.5％，B₄C颗粒质量百分含量为10％，其余为Ni204合金粉。

5.根据权利要求1所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为10％，TiN颗粒质量百分含量为10％，B₄C颗粒质量百分含量为10％，其余为Ni204合金粉。

6.根据权利要求1所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下组份：

TiC颗粒质量百分含量为15％，TiN颗粒质量百分含量为15％，B₄C颗粒质量百分含量为0％，其余为Ni204合金粉。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，其特征在于：具有以下一种或多种特征：

-所述Ni204合金粉粒径为53-100μm，纯度≥99.9％；

-所述TiC颗粒粒径为6-10μm，纯度≥99％；

-所述TiN颗粒粒径为2-10μm，纯度≥99.5％；

-所述B₄C颗粒粒径为2-3μm，纯度≥99.9％；

-所述Ni204合金粉为规则的球形颗粒；

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒和所述B₄C颗粒的大小均匀，形状不规则。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法采用激光熔覆同轴送粉技术制备所述TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料，具体步骤如下：

将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和所述Ni204合金粉混合均匀后，形成激光熔覆粉末；

将所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，随着所述激光熔覆粉末到达基板并吸收激光能量熔化，形成熔池，快冷凝固成形，所述TiN颗粒、所述TiC颗粒和所述B₄C颗粒均匀分布在熔层中，得到TiC/TiN/B₄C颗粒增强镍基复合材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：具有以下一种或多种特征：

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒是外加入所述Ni204合金粉中的，通过行星式球磨机将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和Ni204合金粉混合均匀，得到所述激光熔覆粉末；

所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒是外加入所述Ni204合金粉中的，通过行星式球磨机将所述TiN颗粒、所述TiC颗粒、所述B₄C颗粒和Ni204合金粉混合均匀，其中，行星式球磨机的球磨速度为30r/min，球磨时间为2h，行星式球磨机用陶瓷球的直径为8mm且球料重量比为2:1；

所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中之前放在干燥箱中恒温120℃干燥6h。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：具有以下一种或多种特征：

将所述激光熔覆粉末放入激光熔覆设备的送粉筒中，打开激光熔覆设备，导入利用离线编程软件RobotArt编好的程序，进行激光熔覆；

激光熔覆过程中激光功率为450W，扫描速度为5.5mm/s，粉盘转速为0.7r/min，横向搭接间距为0.85mm，z轴提升量为0.35mm。