CN113122840A

CN113122840A - 一种强韧耐磨强化层及其制备方法

Info

Publication number: CN113122840A
Application number: CN202110448607.6A
Authority: CN
Inventors: 崔洪芝; 毕勇; 马国梁; 宋晓杰; 满成; 崔中雨; 逄昆; 张宏伟
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2021-07-16

Abstract

本发明公开了一种强韧耐磨强化层及其制备方法，它的原料是添加50wt％～80wt％的Ni‑Co‑Cr中熵合金粉末，并根据中熵合金粉末的配比添加20wt％～50wt％的强化相陶瓷粉末，两者混合得到混合粉末，利用激光熔覆将复合涂层熔覆在24CrNiMo基体上；所述的陶瓷粉末至少包括WC粉，上述粉末在激光熔覆过程中WC陶瓷颗粒会发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C化合物，这些化合物与外加的陶瓷强化相配合，对中熵合金Ni‑Co‑Cr的FCC基体，形成梯次强化作用。本发明解决了目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题。

Description

一种强韧耐磨强化层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面加工技术领域，特别是针对高铁制动盘、车轴、轮轨等在服役过程中反复拉伸、压缩，摩擦面发生热疲劳，产生裂纹，表面损耗严重等零部件的强化。具体涉及一种利用激光熔覆的表面强化技术制备添加不同含量陶瓷强化相的中熵合金Ni-Co-Cr复合涂层的方法，中熵的面心立方基体与陶瓷相“软硬配合”，陶瓷相形成了“耐磨网络”，对中熵合金基体形成了“梯次强化”，此方法不仅大幅提高了制动盘等零部件表面的耐磨性，同时提高了强韧性和抗热疲劳性能，延长使用寿命。

背景技术

中国高铁引领着世界高铁发展的新潮流，已经成为世界品牌。以高速动车组为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发基础上，持续创新，对列车运行安全性、产品可靠性不断提出新需求新挑战。随着我国高速铁路的快速发展，对制动性能提出了更严格的要求，高铁速度提高1倍，制动功率则需增加8倍。制动系统的性能好坏对高铁制动效果非常关键，因此，对高铁制动盘的性能提出了更加严格的要求。

高铁制动盘的耐磨性、抗热疲劳性能直接影响高铁的高速运行制动。目前我国动车组制动盘材料为24CrNiMo铸钢材料，多依赖于国外进口。专利 201810616625.9公开了一种采用多元合金化和多种热处理工艺生产高铁制动盘的方法，性能优于国外同类产品，实现制动盘的国产化。而高铁制动盘在服役过程中反复拉伸、压缩，制动盘摩擦面发生热疲劳产生裂纹，并且产生的摩擦损耗、热斑、冷热疲劳裂纹等损伤形式均发生在制动盘表层，对表面损耗严重。针对制动盘表面严酷的服役环境，可采用表面强化的方式对高铁制动盘进行表面改性。

激光熔覆技术是一种在基体表面添加熔覆材料，通过高能量密度激光束使熔覆材料与基材表面快速凝固，实现冶金结合的表面改性技术，该技术操作简便灵活，涂层与基体结合强度高，涂层孔隙率低，具有高的加热和冷却速率，能够使合金组织细化，硬度和耐磨性提高。专利202010328479.7连续采用激光熔覆多层材料，实现高温合金基体与粘结层之间、粘结层与热障涂层之间的冶金结合，通过粘结层的成分梯度结构设计缓解基体与热障涂层的热膨胀失配，且热障涂层与基底结合强度高，涂层致密性高，裂纹少，同时提高热障涂层的寿命。

激光熔覆金属陶瓷材料是通过大功率激光束的作用，形成均匀、致密且与基体结合牢固并具有一定韧性的金属陶瓷复合涂层。专利201310747265.3公开了一种激光熔覆WC耐磨涂层的新型滚刀的制作工艺，它采用激光同步送粉熔覆技术对工件表面进行熔覆耐磨强化处理，得到了含有WC陶瓷强化相的耐磨涂层，涂层表面成型性好，涂层厚度可控。

采用以上涂层体系设计及表面强化技术，可对工件表层在严酷的服役环境下提高工件使用寿命。针对高铁制动盘表面形成梯度变化的耐磨抗热疲劳涂层以及制备方法，还尚未见到报道。因此，迫切需要针对制动盘表面高温磨耗和热疲劳失效等现象，发明具有高耐磨和抗热疲劳性能的强化层及其制备方法，满足高铁提速对制动盘表层耐磨性能和抗热疲劳性能更好的需求，大幅提高制动盘的服役寿命。

为了制备梯度涂层，中国专利申请号201110351156.0公开了一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，采用机械复合法把若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末制备成纳米粒子分散均匀的包覆型复合粉末，若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒的含量逐渐增加；利用模压法压制激光熔覆薄片；利用多层激光熔覆的方法制备纳米颗粒沿厚度方向逐渐增加的金属基梯度涂层。这种方法，相当于把包含不同陶瓷相的激光熔覆薄片依次熔覆在一起的，实际上是人为刻意制备的性能沿梯度变化的涂层，增加了剥层的磨损，涂层韧性差，且工艺复杂，工业化实施困难，无法用在高铁制动盘上。

发明内容

本发明为解决目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题，提供了一种高铁制动盘耐磨强化层及其制备方法。本发明采用激光熔覆表面强化的方法，获得使高铁制动盘耐磨性和抗热疲劳性显著提升的金属陶瓷复合涂层。通过在中熵合金粉末中外加WC陶瓷粉末，机械球磨混合粉末外，或者再与外加TiC、ZrC、NbC、VC等陶瓷粉末配合制备复合粉末，充分利用激光熔覆将复合涂层熔覆在24CrNiMo基体上，实现复合涂层与制动盘基体之间实现良好的冶金结合。中熵合金Ni-Co-Cr粉末具有优良的流平性，同时因其为塑性很好的FCC结构，作为粘结基体与高硬度的WC等陶瓷相“软硬配合”，可以提高涂层的强韧性。同时，激光熔覆过程中WC陶瓷颗粒会发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C等化合物，这些化合物与外加的陶瓷强化相WC、TiC、ZrC、NbC、VC等配合，对中熵合金Ni-Co-Cr的 FCC基体，形成了“梯次强化”，能更好地发挥陶瓷强化相WC、TiC、ZrC、NbC、 VC等的高硬度，提高耐磨性，同时降低陶瓷颗粒脆性脱落，减小了剥层磨损。而且调整激光熔覆的工艺参数，可以调控WC等陶瓷颗粒的分解程度和形成的W₂C 等颗粒的尺度、数量、分布等，能在更大的范围内调整熔覆层的硬度、耐磨性、强韧性。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种强韧耐磨强化层，其特征在于，它的原料是添加50wt％～80wt％的 Ni-Co-Cr中熵合金粉末，并根据中熵合金粉末的配比添加20wt％～50wt％的强化相陶瓷粉末，两者混合得到混合粉末，利用激光熔覆将复合涂层熔覆在24CrNiMo 基体上；所述的陶瓷粉末至少包括WC粉，上述粉末在激光熔覆过程中WC陶瓷颗粒会发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、 M₆C等化合物，这些化合物与外加的陶瓷强化相配合，对中熵合金Ni-Co-Cr的 FCC基体，形成梯次强化作用。

进一步，上述的陶瓷相粉末还包括TiC、ZrC、NbC或/和VC；此时，WC粉占强化相陶瓷粉末的80wt％～100wt％，其余陶瓷粉共占剩余配比的0～20wt％。

本发明强韧耐磨强化层的制备方法包括以下步骤：

步骤1：粉体准备

激光熔覆原材料分为中熵合金粉末和强化相WC粉，所选的中熵合金Ni、Co、 Cr粉末粒度皆为45～75μm，粉末配比为等摩尔比Ni：Co：Cr＝1：1：1，强化相WC粉粒度为35～45μm，TiC、ZrC、NbC、VC等粒度为10～20μm。根据质量比配比粉末，中熵合金粉末为50％～80％，陶瓷粉末为20％～50％，而在陶瓷粉末中WC 粉占80％～100％，其余TiC、ZrC、NbC或/和VC等共占0～20％；按照配比比例称取粉末，通过三维混料机混合处理，得到复合粉末，进行烘干；

步骤2：基体表面预处理

对24CrNiMo钢表面去除油污及氧化物、打磨平整备激光熔覆使用。

步骤3：激光熔覆

将表面预处理后的24CrNiMo钢基体放置于激光熔覆设备工作台上，将烘干处理后的复合粉末均匀铺展在24CrNiMo钢基体，铺粉厚度为15～20mm；运行激光熔覆设备，所用实验参数为：激光功率为1000W～1500W，光斑直径为4mm，扫描速率为7～11mm/s，搭接率为40～50％。根据程序编写的激光扫描路径，对24CrMoNi基体上铺展好的复合粉末进行扫描，同时通入保护气体进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成完全冶金结合的金属，熔覆层中存在FCC相、外加的WC等陶瓷相，以及形成的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C等化合物，对熔覆层形成了“软硬配合”有梯次的组织；

步骤4：硬度及摩擦磨损测试

工件处理完毕冷却至室温后，涂层厚度为1.2～1.8mm。将试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度可达700-900 HV_0.1。对试样进行摩擦磨损实验，涂层耐磨性明显高于24CrNiMo基体，提高了 2-3倍。

本发明的有益效果：本发明为解决目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题，提供了一种高铁制动盘耐磨强化层及其制备方法。本发明采用激光熔覆表面强化的方法，获得组织均匀、无气孔和裂纹的熔覆涂层。通过在中熵合金粉末中机械球磨混合外加的WC陶瓷粉，或者与外加TiC、 ZrC、NbC、VC等陶瓷粉末配合制备复合粉末，充分利用激光熔覆将复合涂层熔覆在24CrNiMo基体上，实现复合涂层与制动盘基体之间实现良好的冶金结合。中熵合金Ni-Co-Cr粉末具有优良的流平性，同时因其为塑性很好的FCC结构，作为粘结基体与高硬度的WC等陶瓷相“软硬配合”，可以提高涂层的强韧性。同时，激光熔覆过程中，在合适的激光工艺参数下，WC颗粒部分溶散，发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C等化合物，这些化合物与外加的陶瓷强化相WC、TiC、ZrC、NbC、VC等配合，形成了耐磨网络，对中熵合金Ni-Co-Cr的面心立方(FCC)基体形成了“梯次强化”，能更好地发挥陶瓷强化相WC、TiC、ZrC、NbC、VC等的高硬度，提高耐磨性，同时降低陶瓷颗粒脆性脱落，减小了剥层磨损。而且调整激光熔覆的工艺参数，可以调控WC等陶瓷颗粒的分解程度和形成的W₂C等颗粒的尺度、数量、分布等，能在更大的范围内调整熔覆层的硬度、耐磨性、强韧性，延长制动盘的使用寿命，而且效率高、可控性好。

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，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光熔覆涂层示意图；

图2为本发明熔覆层物相组成图；

图3为本发明熔覆层组织结构图。

具体实施方式

实施例中以在24CrNiMo钢基体上制备本发明涂层为例，制备过程如附图1 所示。24CrNiMo钢的摩擦磨损测试采用往复球盘式，试验条件为：室温、干摩擦，氧化铝陶瓷球作为对磨副，磨损时间为60min，磨损体积损失为：1.0×10⁸μm³，为了具有可比性，下面实施例中的自腐蚀电流和耐磨性测试是在和 24CrNiMo钢同等试验条件下测出来的。

实施例一：

步骤一：粉体准备

激光熔覆原材料分为中熵合金粉末和强化相粉，所选的中熵合金Ni、Co、 Cr粉末粒度皆为45～75μm，粉末配比为摩尔比Ni：Co：Cr＝1：1：1；强化相 WC粉粒度为35～45μm，TiC、ZrC、NbC、VC等粒度为10～20μm。根据质量比配比粉末，中熵合金粉末为80％，陶瓷粉末为20％，而在陶瓷粉末中WC粉占比100％，其余TiC、ZrC、NbC、VC等占比为0。

步骤二：基体表面预处理

首先用砂轮对24CrNiMo钢表面打磨，去除油污及氧化物，增加粗糙度，如果不清除直接使用，则会影响熔覆的质量，然后用无水乙醇脱脂，在空气中干燥。在磨削过程中，按顺序使用400、800和1200目砂纸将基体表面打磨平整备激光熔覆使用。

步骤三：激光熔覆

激光熔覆示意图如附图1所示，将表面预处理后的24CrNiMo钢基体放置于激光熔覆设备工作台上，将烘干处理后的复合粉末均匀铺展在24CrNiMo钢基体，铺粉厚度为20mm；运行激光熔覆设备，所用实验参数为：激光功率为1000W，光斑直径为4mm，扫描速率为11mm/s，搭接率为40～50％。根据程序编写的激光扫描路径，对24CrMoNi基体上铺展好的复合粉末进行扫描，同时通入保护气体进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成完全冶金结合的金属。熔覆层中存在FCC相、外加的WC陶瓷相，以及形成的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C等化合物，对熔覆层形成了如图3所示的“软硬配合”有梯次的强化，图3中的灰色相为基体、白色相为陶瓷相。

步骤四：硬度及摩擦磨损测试

工件处理完毕冷却至室温后，涂层厚度为1.8mm。将试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度可达700HV_0.1。对试样进行摩擦磨损实验，磨损体积损失为0.5×10⁸μm³，涂层耐磨性明显高于24CrNiMo基体，是24CrNiMo基体的2倍。

实施例二：

除步骤1粉体准备，中熵合金粉末为50％，陶瓷粉末为50％，而在陶瓷粉末中WC粉占比80％，其余TiC占比为20％，步骤3激光熔覆铺粉厚度为10mm；运行激光熔覆设备，所用实验参数为：激光功率为1500W，扫描速率为7mm/s，步骤4硬度及摩擦磨损测试中试样处理后表面平均硬度可达900HV_0.1，对试样进行摩擦磨损实验，磨损体积损失为0.3×10⁸μm³，涂层耐磨性是基体的3倍多，其余与实施例一相同。

实施例三：

除步骤1粉体准备，中熵合金粉末为65％，陶瓷粉末为35％，而在陶瓷粉末中WC粉占比90％，其余VC占比为10％以外，其余与实施例二相同。对试样进行硬度和摩擦磨损实验，试样处理后表面平均硬度可达1100HV_0.1，磨损体积损失为0.2×10⁸μm³，涂层耐磨性是基体的5倍。

图2是本发明熔覆层物相组成图，图中示出了体系中WC粉末掺加量为25wt％的熔覆层物相组成，从图中看出，在合适的激光工艺参数下，WC颗粒部分溶散，发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C 等化合物。为了便于比较，图中还示出体系中WC粉末掺加量分别为0wt％、5wt％和15wt％时的熔覆层物相组成，如图所示在激光熔覆热的集中作用下，加入适量的WC会促进形成不同的碳化物相，不同的碳化物将改善涂层的机械性能和耐磨性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种强韧耐磨强化层，其特征在于，它的原料是添加50wt％～80wt％的Ni-Co-Cr中熵合金粉末，并根据中熵合金粉末的配比添加20wt％～50wt％的强化相陶瓷粉末，两者混合得到混合粉末，利用激光熔覆将复合涂层熔覆在24CrNiMo基体上；所述的陶瓷粉末至少包括WC粉，上述粉末在激光熔覆过程中WC陶瓷颗粒会发生不同程度的分解，形成硬度介于WC和FCC基体之间的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C化合物，这些化合物与外加的陶瓷强化相配合，对中熵合金Ni-Co-Cr的FCC基体，形成梯次强化作用。

2.如权利要求1所述的强韧耐磨强化层，其特征在于，所述的陶瓷相粉末还包括TiC、ZrC、NbC或/和VC；此时，WC粉占强化相陶瓷粉末的80wt％～100wt％，其余陶瓷粉共占剩余配比的0～20wt％。

3.一种强韧耐磨强化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：粉体准备

激光熔覆原材料分为中熵合金粉末和强化相WC粉，所选的中熵合金Ni、Co、Cr粉末粒度皆为45～75μm，粉末配比为等摩尔比Ni：Co：Cr＝1：1：1，强化相WC粉粒度为35～45μm，TiC、ZrC、NbC、VC等度为10～20μm。根据质量比配比粉末，中熵合金粉末为50％～80％，陶瓷粉末为20％～50％，而在陶瓷粉末中WC粉占80％～100％，其余TiC、ZrC、NbC或/和VC共占0～20％；按照配比比例称取粉末，通过三维混料机混合处理，得到复合粉末，进行烘干；

步骤2：基体表面预处理

对24CrNiMo钢表面去除油污及氧化物、打磨平整备激光熔覆使用；

步骤3：激光熔覆

将表面预处理后的24CrNiMo钢基体放置于激光熔覆设备工作台上，将烘干处理后的复合粉末均匀铺展在24CrNiMo钢基体，铺粉厚度为15～20mm；运行激光熔覆设备，所用实验参数为：激光功率为1000W～1500W，光斑直径为4mm，扫描速率为7～11mm/s，搭接率为40～50％；根据程序编写的激光扫描路径，对24CrMoNi基体上铺展好的复合粉末进行扫描，同时通入保护气体进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成完全冶金结合的金属，熔覆层中存在FCC相、外加的WC陶瓷相，以及形成的W₂C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C化合物，对熔覆层形成了软硬配合有梯次的组织。