CN112323062A - 一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及制备方法 - Google Patents

一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷包括以下组分：MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉，所述MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的质量分数比为(0.65‑0.77)：(0.19‑0.26)：(0‑0.055)：(0‑0.075)；及其制备方法，包括：按照上述原料及组分比，使用湿磨法，并按球料比2:1‑4:1的比例放入球磨机内混合均匀；把球磨后的物料在100‑150℃环境下干燥6‑12小时；将干燥后的物料粘结在预涂覆的基材表面，对预涂覆的基材表面进行预热，然后依次在基材表面进行激光熔覆、激光清洗和激光重熔，即得金属陶瓷涂层；可得到一种晶粒细小且强度、硬度、致密度、耐磨损及耐蚀能力的Mo2NiB2基金属陶瓷涂层，并通过激光熔覆技术使其与基材结合，提高基材的耐蚀性能和使用寿命。

Description

一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷技术领域，具体而言，涉及一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及制备方法。
背景技术
在耐磨材料领域中，WC-Co硬质合金虽然是一种常用的耐磨材料，但是耐蚀性、强度以及硬度不够，且材料成本较高。且在硬质合金的诸多物理机械性能中，如密度、强度、硬度、热学性能，本领域人员多关注的还是强度性能，因为像密度、硬度、热学这些物理性能，其规律性东西较清晰，运用起来也相当自如；而强度这一性能指标在应用上至关紧要，是本领域人员一直为之研究的热点。同时钨等作为战略性资源，产量及其稀少且价格昂贵，因此急需寻找一种替代碳化物硬质合金的新型耐磨耐蚀材料。
中国专利CN11455376提出了一种采用Mo、Ni、B与Cr7C3粉为原料，以45钢为基材，进行激光熔覆，获得了较好的耐腐蚀性能；但是该技术方案由于采用的Mo、Ni、B粉在激光熔覆时为放热反应，反应放热剧烈，导致激光溶池内物质温度剧烈升高且对流严重，导致Mo2NiB2生成不均匀且不够充分，同时存在严重的热应力开裂取向，另外Cr7C3粉为外添加强化颗粒，极易引起不良的两相界面相容性与润湿性，导致该技术方案提出的涂层不能长时间服役，因此涂层在基材表面的腐蚀、氧化性能及强度等性能较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及其制备方法，其得到一种晶粒细小且强度、硬度、致密度、耐磨损及耐蚀能力的Mo2NiB2基金属陶瓷，并通过激光熔覆技术使其与基材结合以更容易对金具、铁塔等进行表面修复以及提高基材的耐蚀性能和使用寿命。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷包括以下组分：MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉，所述MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的质量分数比为(0.65-0.77)：(0.19-0.26)：(0-0.055)：(0-0.075)。
一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述原料及组分比，使用湿磨法，并按球料比2:1-4:1的比例放入球磨机内混合均匀；
(2)把球磨后的物料在100-150℃环境下预热6-12小时；
(3)将干燥后的物料粘结在预涂覆的基材表面，对预涂覆的基材表面进行预热，然后依次在基材表面进行激光熔覆、激光清洗和激光重熔，即得金属陶瓷涂层。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1.本发明中采用的金属原材料是MoB粉、Ni粉，可以有效降低反应放热，降低反应热应力的大小与应力开裂取向，使得反应能更完全，保证原材料充分利用；另外本发明采用的金属原材料中添加了Al粉与Cr粉，使他们在腐蚀或高温氧化过程中致密氧化铝和氧化铬保护膜的生成提高涂层的耐腐蚀、耐氧化性能，且可以大大提高材料的抗弯强度和硬度，并且晶粒更细，致密度也得到提高。
2.本发明通过采用湿磨方法进行混料，并把所得物料依次进行激光熔覆、激光清洗和激光重熔，使得所获得的Mo2NiB2基金属陶瓷晶粒细小且抗弯强度、硬度、致密度、耐磨损及耐蚀能力得到大大提高，从而使所得Mo2NiB2基金属陶瓷与基材结合以更容易对金具、铁塔等进行表面修复以及提高基材的耐蚀性能和使用寿命
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1制备的Mo2NiB2基金属陶瓷的金相组织示意图；
图2为本发明实施例1制备的Mo2NiB2基金属陶瓷的金相组织示意图；
图3为本发明实施例1制备的Mo2NiB2基金属陶瓷的金相组织示意图。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层及其制备方法进行具体说明。
一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷包括以下组分：MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉，所述MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的质量分数比为(0.65-0.77)：(0.19-0.26)：(0-0.055)：(0-0.075)。
进一步地，所述MoB粉的纯度不低于99％。
进一步地，MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的粉末粒度均≤100μm。
1).本发明中采用的金属原材料是MoB粉、Ni粉，省略了采用Mo与B反应生成MoB的过程，可以有效降低反应放热，降低反应热应力的大小与应力开裂取向；以及通过Mo、Ni与B反应生成Mo2NiB2的过程，使得反应能更完全，保证原材料充分利用。
2).本发明采用的金属原材料中添加了Al粉与Cr粉，一方面：Cr粉能起到晶粒抑制作用，细化晶粒，与Al粉混合，使他们在腐蚀或高温氧化过程中致密氧化铝和氧化铬保护膜的生成提高涂层的耐腐蚀、耐氧化性能，且可以大大提高材料的抗弯强度和硬度，并且晶粒更细，致密度也得到提高；另外一方面可以促进Mo2NiB2相由斜方结构向四方结构转变，而且原位生成Al与Cr的强化物，提高了两相界面相容性与润湿性。
一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述原料及组分比，使用湿磨法，并按球料比2:1的比例进行放入球磨机内混合均匀；
(2)把球磨后的物料在100-150℃环境下预热6-12小时；
(3)将干燥后的物料粘结在预涂覆的基材表面，对预涂覆的基材表面进行预热，然后依次在基材表面进行激光熔覆、激光清洗和激光重熔，即得金属陶瓷涂层。
进一步地，所述步骤(3)中预热时：采用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制物料温度在回复温度及再结晶温度以下，进行控温加热。
进一步地，所述控温加热时采用的控温装置为：热敏元器件或红外测温仪。
进一步地，所述步骤(3)中激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5mm-8mm，激光功率500W-1500W，扫描速度3mm/s-4mm/s，粉末厚度为1mm-1.5mm，搭接率为30％-40％，其中改变激光功率、扫描速度等参数可实现金属陶瓷涂层与基底材料的冶金结合，同时可对熔覆层的稀释率进行控制，稀释率范围为3-40％。
进一步地，所述步骤(3)中物料粉末采用同步送粉法或铺粉法进行激光熔覆，铺在基材上面，并且使用PVB把粉末与基材粘结，采用外加载荷法，其压载强度不小于0.01MPa，不大于基体材料的屈服强度，保载时间为12-36小时。
进一步地，所述步骤(3)中激光清洗的工艺参数如下：激光功率为50-6000W，扫描宽度为5-100mm，扫描速度为1-40mm/s。
进一步地，所述步骤(3)中激光重熔的工艺参数如下：光斑直径5mm-8mm，激光功率500W-1500W，扫描速度3mm/s-4mm/s，搭接率为30％-40％。
1).本发明采用湿磨方法进行混料，与干磨方法相比，湿磨时介质能起到很好的分散作用，防止了新形成的细小颗粒的聚集，而干磨时粉体颗粒由于不断的摩擦碰撞而不断减小，其比表面能逐渐增大，这就会导致由于具有很高的表面能，活性非常高，为了降低颗粒的总体能量，颗粒之间就很容易团在一起。
2).本发明在激光熔覆后接着进行了激光清洗，因为激光熔覆温度高，容易产生表面氧化皮，通过激光清洗，清除氧化皮，能在下一步激光重熔时，能防止氧化皮对涂层的污染。
3).本发明通过激光重熔，使得制得的金属陶瓷涂层组织更均匀，表面形貌粗糙度降低，最终形成的金属陶瓷涂层，在涂层表层处的金属表面有氧化层保护，从而使得金属陶瓷涂层中的金属相与外界腐蚀介质隔离，最终涂层的腐蚀性能得到大大提高。
实施例1
使用纯度不低于99％的MoB粉、Ni粉为原料，称量质量分数比为0.77：0.26，使用湿磨法，并按球料比2:1比例在球磨机中进行混合；
将球磨罐放入球磨机球磨12小时，再把球磨后的物料放入干燥箱中在100℃环境下干燥6小时，
原材料粉末通过铺粉法方式铺在基材上面，并且使用PVB把粉末与基材粘结，采用外加载荷法，其压载强度不小于0.01MPa，不大于基体材料的屈服强度，保载时间为12小时；
进行预热：使用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在回复温度及再结晶温度以下，进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控；
使用YAG光纤激光器对预热好的基材上进行激光熔覆，制备Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，该熔覆所选工艺参数如下：光斑直径5mm，激光功率500W，扫描速度3mm/s，粉末厚度为1mm，搭接率为30％；
使用YAG光纤激光器进行激光清洗，以去除表面氧化皮，工艺参数如下：激功率为50W，扫描宽度为5mm，扫描速度为1mm/s；
最后使用YAG光纤激光器进行激光重熔，促使原材料深度反应及熔覆层表面平整化，工艺参数如下：光斑直径5mm，激光功率500W，扫描速度3mm/s，搭接率为30％。
本实施例所制备的Mo2NiB2基金属陶瓷，晶粒较大且不均匀，所测得硬度达到198HV，磨损率为1.586％，腐蚀速率为0.265mm/year。
实施例2
使用纯度不低于99％的MoB粉、Ni粉、Al粉和Cr粉为原料，称量质量分数比为0.72：0.21：0.045：0.025；使用湿磨法，按球料比4:1比例在球磨机中进行混合；
把球磨后的物料放入干燥箱中，在120℃环境下干燥8小时；
原材料粉末通过铺粉法方式铺在基材上面，并且使用PVB把粉末与基材粘结，采用外加载荷法，其压载强度不小于0.01MPa，不大于基体材料的屈服强度，保载时间为36小时；
进行预热：使用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在回复再结晶温度一下进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控；
使用YAG光纤激光器对预热好的基材上进行激光熔覆，该熔覆所选工艺参数如下：光斑直径8mm，激光功率1500W，扫描速度4mm/s，粉末厚度为1.5mm，搭接率为30％-40％；
使用YAG光纤激光器进行激光清洗，以去除表面氧化皮，工艺参数如下：激光功率为6000W，扫描宽度为100mm，扫描速度为40mm/s；
最后使用YAG光纤激光器进行激光重熔，促使原材料深度反应及熔覆层表面平整化，工艺参数如下：光斑直径8mm，激光功率1500W，扫描速度4mm/s，搭接率为40％。
本实施例所制备的Mo2NiB2基金属陶瓷，熔覆层组织较致密均匀，所测得硬度达到249HV，磨损率为1.105％，腐蚀速率为0.162mm/year。
实施例3
使用纯度不低于99％的MoB粉、Ni粉、Al粉和Cr粉为原料，称量质量分数比为0.65：0.19：0.055：0.075；使用湿磨法，按球料比3:1比例在球磨机中进行混合；
把球磨后的物料放入干燥箱中，在110℃环境下干燥7小时；
原材料粉末通过铺粉法方式铺在基材上面，并且使用PVB把粉末与基材粘结，采用外加载荷法，其压载强度不小于0.01MPa，不大于基体材料的屈服强度，保载时间为20小时；
进行预热：使用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在回复再结晶温度一下进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控；
使用YAG光纤激光器对预热好的基材上进行激光熔覆，该熔覆所选工艺参数如下：光斑直径6mm，激光功率1000W，扫描速度3.5mm/s，粉末厚度为1.2mm，搭接率为35％；
使用YAG光纤激光器进行激光清洗，以去除表面氧化皮，工艺参数如下：激光功率为3000W，扫描宽度为50mm，扫描速度为20mm/s；
最后使用YAG光纤激光器进行激光重熔，促使原材料深度反应及熔覆层表面平整化，工艺参数如下：光斑直径6mm，激光功率1000W，扫描速度3mm/s-4mm/s，搭接率为30％-40％。
本实施例所制备的Mo2NiB2基金属陶瓷，晶粒更细小均匀，所测得硬度为283HV，磨损率为1.495％，腐蚀速率为0.131mm/year。
对比例
采用Mo、Ni、B与Cr7C3粉为原料，以45钢为基材，进行激光熔覆，具体制备方法与实施例3一致。
本对比例所制备的Mo2NiB2基金属陶瓷，晶粒更较大且不均匀，所测得硬度为211HV，磨损率为2.019％，腐蚀速率为1.021mm/year。
综上所述，本发明制备的陶瓷涂层，通过金相分析所制得的陶瓷涂层结构性能，可知随着Cr与Al的质量分数增大，其熔覆层更连续均匀分布，晶粒细化，磨损率呈先增大后减小的趋势，但是耐磨损性能依旧比基材好；对于耐腐蚀性能，随着Cr与Al的含量增加耐腐蚀性能逐渐增加。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，其特征在于，所述金属陶瓷包括以下组分：MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉，所述MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的质量分数比为(0.65-0.77)：(0.19-0.26)：(0-0.055)：(0-0.075)。
2.根据权利要求1所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，其特征在于，所述MoB粉的纯度不低于99％。
3.根据权利要求1所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层，其特征在于，所述MoB粉、Ni粉、Al粉与Cr粉的粉末粒度均≤100μm。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照上述原料及组分比，使用湿磨法，并按球料比2:1-4:1的比例放入球磨机内混合均匀；
(2)把球磨后的物料在100-150℃环境下干燥6-12小时；
(3)将干燥后的物料粘结在预涂覆的基材表面，对预涂覆的基材表面进行预热，然后依次在基材表面进行激光熔覆、激光清洗和激光重熔，即得金属陶瓷涂层。
5.根据权利要求4所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中预热时：采用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制物料温度在回复温度及再结晶温度以下，进行控温加热。
6.根据权利要求5所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述控温加热时采用的控温装置为：热敏元器件或红外测温仪。
7.根据权利要求4所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径5mm-8mm，激光功率500W-1500W，扫描速度3mm/s-4mm/s，粉末厚度为1mm-1.5mm，搭接率为30％-40％。
8.根据权利要求7所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中物料粉末采用同步送粉法或铺粉法进行激光熔覆。
9.根据权利要求4所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中激光清洗的工艺参数如下：激光功率为50-6000W，扫描宽度为5-100mm，扫描速度为1-40mm/s。
10.根据权利要求4所述的Al、Cr增强Mo2NiB2金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中激光重熔的工艺参数如下：光斑直径5mm-8mm，激光功率500W-1500W，扫描速度3mm/s-4mm/s，搭接率为30％-40％。
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