CN114559031B - 高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用 - Google Patents

高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用。该高速激光熔覆合金粉末包括按重量份计的以下组分：铁基合金55‑90份，碳化硅5‑15份，金刚石4‑10份，粘结剂0.1‑0.5份，铝0.01‑0.2份；所述铁基合金包括：Ti10‑25wt％，Cr9‑18wt％，Mo1‑5wt％，Ni4‑15wt％，余量为铁；所述金刚石表面镀有铁镍合金层。该高速激光熔覆合金粉末可在高速激光熔覆工艺条件下于铁基制品表面形成金属‑陶瓷‑金刚石复合涂层，从而提高耐磨性，并具有较好的冲击韧性，扩大了现有金属‑陶瓷复合涂层的应用范畴。

Description

高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用
技术领域
本发明涉及合金粉技术领域，具体涉及高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用。
背景技术
我国作为金刚石生产大国，以这种超硬材料做工具，经过三十多年的发展，达到了世界先进水平，无论是磨粒，还是工具的出口，都处于领先地位。
在热喷涂领域，尚缺乏可行的方案将金刚石固结于合金涂层中。这是因为金刚石表面能高，不易与基体形成紧密键合，反而以夹杂物的方式存在于涂层中，成为裂纹源，使用时金刚石颗粒易脱落，不利于提高涂层的耐磨性；或者，甚至无法制备含金刚石的涂层。
现有金属-陶瓷复合涂层虽然在刀具等领域得到广泛应用，但是涂层的耐磨性仍有待提到，限制了这种材料广泛应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种高速激光熔覆合金粉末，该高速激光熔覆合金粉末可在高速激光熔覆工艺条件下于铁基制品表面形成金属-陶瓷-金刚石复合涂层，从而提高耐磨性，并具有较好的冲击韧性。
本发明还提供了上述高速激光熔覆合金粉末的制备方法。
本发明还提供了采用上述高速激光熔覆合金粉末制得的涂层。
本发明还提供了上述高速激光熔覆合金粉末的应用。
本发明的第一方面提供了一种高速激光熔覆合金粉末，包括按重量份计的以下组分：
铁基合金55-90份，碳化硅5-15份，金刚石4-10份，粘结剂0.1-0.5份，铝0.01-0.2份；
所述铁基合金包括：Ti10-25wt％，Cr9-18wt％，Mo1-5wt％，Ni4-15wt％，余量为铁；
所述金刚石的表面镀有铁镍合金层。
本发明的高速激光熔覆合金粉末，至少具有以下有益效果：
金刚石在常压无氧条件下转变成石墨的相变温度是900℃，在高速激光熔覆工艺条件下，激光束焦点温度高于金刚石的相转变温度，使金刚石表面石墨化，碳原子从金刚石结构变成石墨结构的过程中获得能量，与金属元素形成金属碳化物覆盖在金刚石表面，实现金刚石与母材的化学键合。由于高速激光熔覆的线速度快，一般为每分钟数米，这种瞬时高温过程能避免金刚石内部继续被石墨化，同时覆盖在金刚石表面的石墨层、金属碳化物这些物质对金刚石内部结构具有保护作用，使得金刚石结构得以留存于涂层中。金刚石作为磨粒，其通过金属碳化物与母材连接，结合牢固，且金刚石表面的金属碳化物、石墨层使金刚石表面粗化，增大了接触面积，能进一步提高界面结合，提高了涂层的耐磨性，同时保证较好的冲击韧性。
金刚石表面镀覆铁镍合金后，能提高金刚石的亲和性，改善熔池对金刚石的润湿性，利于提高金刚石颗粒的分布均匀性。
碳化硅在高温下分解成碳和硅，碳参与化学反应，原位生成金属碳化物硬质相，部分硅溶解在熔池里形成固溶强化相。因为反应时间极短，金属碳化物能以亚微米级粒度均布于晶界，与周围晶粒形成化学键合，利于涂层与母材融合，提高涂层韧性和耐磨性。
铁基合金中的Ti能生成碳化钛，对提高涂层耐磨性和韧性有利。
粘结剂用于将其他组分粘接在一起，经造粒后球化，提高粉体的流动性。通过添加一定的粘结剂，能更好地满足高速激光熔覆工艺对粉体原料加料过程的流动性要求，保证颗粒有足够强度不至于破碎，进一步提高涂层性能稳定性。
铝主要用于改善涂层韧性，与不加铝的方案进行平行对比发现，加铝后涂层的抗冲击性能得到提高，在冲击试验过程中更不容易出现裂纹。
本发明的高速激光熔覆合金粉末，通过高速激光熔覆工艺与铁基母材结合，具有焊接强度。与未添加金刚石的金属-陶瓷涂层相比，本发明能显著提高耐磨性。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石的表面的所述铁镍合金层的厚度≤20nm。控制铁镍合金层的厚度在一定范围，更利于保证界面结合性能。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石的表面的所述铁镍合金层中，镍含量为25-30wt％，余量为铁。该铁镍配比能更好地促进金刚石表面石墨化，从而提高金刚石的表面粗化度，改善金刚石的可浸润性。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石的含量为5-8份。该金刚石含量范围，能更好地兼顾耐磨性和抗冲击性能，使涂层在受力过程中更不容易出现开裂。需要说明的是，本申请中所指的金刚石的含量，是以带镀层的金刚石的总重量计，但通常而言，镀层重量相对于金刚石的重量而言是轻微的。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石的粒度为：D50为3-10μm，D90为8-18μm。能更好地保证粉体流动性，更利于涂层力学性能的改善。
根据本发明的一些实施方式，所述铁基合金的含量为55-85份，进一步为60-80份。铁基合金的含量越高，越利于涂层韧性的改善；含量越低，越利于提高耐磨性。
根据本发明的一些实施方式，所述粘结剂的含量为0.2-0.5份，进一步为0.3-0.4份。粘结剂含量过高，容易出现葡萄状颗粒，影响粉体流动性。
根据本发明的一些实施方式，所述粘结剂为聚乙烯醇。作为示例，所述聚乙烯醇的平均聚合度为1000-4000。
根据本发明的一些实施方式，所述铝的含量为0.05-0.2份，进一步为0.1-0.2份。
根据本发明的一些实施方式，所述碳化硅为α晶型，其分解更彻底，利于提高涂层的抗开裂性能。
根据本发明的一些实施方式，所述碳化硅的粒度不粗于500目。
根据本发明的一些实施方式，所述铁基合金的粒度不粗于300目。
根据本发明的一些实施方式，所述高速激光熔覆粉末的粒度不粗于100目。
本发明的第二方面提供了上述高速激光熔覆合金粉末的制备方法，包括步骤：
将各组分调制成浆料，造粒。
本发明高速激光熔覆合金粉末的制备方法，至少具有以下有益效果：
经制浆和造粒后，能提高粉末的成分均匀性、给料流动性，改善加工性能，更利于保证涂层的力学性能，提高涂层性能稳定性，避免裂纹出现。
根据本发明的一些实施方式，所述浆料以水为分散介质。
根据本发明的一些实施方式，所述造粒采用离心喷雾干燥实现。
根据本发明的一些实施方式，所述造粒前进行磨浆，进一步，所述磨浆的方式为球磨。
根据本发明的一些实施方式，还包括对所述造粒后的物料进行筛分，取筛下物。进一步，所述筛分的筛网目数不粗于100目。
本发明的第三方面提供了一种涂层，所述涂层采用上述高速激光熔覆合金粉末经高速激光熔覆工艺制得。
根据本发明的一些实施方式，所述高速激光熔覆工艺的功率为3～6kW，线速度为2～10m/min，进一步，线速度为2-8m/min。
根据本发明的一些实施方式，所述高速激光熔覆工艺的送粉量为60-110g/min。
根据本发明的一些实施方式，所述高速激光熔覆工艺的搭接率为65-70％。
本发明的第四方面提供了一种铁基制品，其包含上述的涂层。所述铁基制品包括但不限于巷道掘进凿岩截齿、矿用截齿、旋挖机截齿、牙轮、金刚石潜孔钻头等掘进工具，矿用液压支架、油缸、活塞等支撑类构件，盾构滚刀、盾构刀盘等盾构机械用钻具，石油钻、牙轮钻、与钻头连接的输送管等采油类磨损件，轧辊、层流辊、输送辊等冶金行业用部件，破碎机、矿石加工等机械部件，军用防弹板等。
本发明的第五方面提供了上述高速激光熔覆合金粉末在制备耐磨器械中的应用。所述耐磨器械可以包括上述的铁基制品。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1是本发明实施例2的涂层形貌图；
图2是对比例1的涂层形貌图；
图3是对比例2的涂层形貌图；
图4是对比例4的涂层形貌图；
图5是对比例5的涂层形貌图；
图6是对比例4的涂层中金刚石颗粒的EDS分析结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例和对比例中，金刚石购自上海江信超硬材料有限公司，金刚石的表面镀有20nm的铁镍合金层，铁镍合金层中，镍含量为30wt％，余量为铁。金刚石的粒度为D50为3μm，D90为10.2μm。
铁基合金，按相应元素配比经粉末冶金制成，粒度负320目。
α-SiC，粒度负500目。
粘结剂为聚乙烯醇2000。
铝为99.95％纯铝粉末，湖南冶金材料研究院有限公司购买，粒度负500目。
实施例1
提供了一种高速激光熔覆合金粉末，包括以下按重量份计的组分：铁基合金65份，SiC15份，金刚石5份，粘结剂0.4份，铝0.1份。铁基合金组成：Ti15％，Cr14wt％，Mo2wt％，Ni12wt％，余量为铁。
该高速激光熔覆合金粉末的制备方法如下：将粘结剂和铝分散于4.5份水中，制成分散液，再将该分散液与铁基合金、SiC、金刚石调制成浆料，经球磨，离心喷雾干燥，过100目筛，取筛下物，即得。
实施例2
提供了一种高速激光熔覆合金粉末，包括以下按重量份计的组分：铁基合金60份，SiC7份，金刚石8份，粘结剂0.4份，铝0.1份。铁基合金组成：Ti25％，Cr10wt％，Mo2wt％，Ni12wt％，余量为铁。
该高速激光熔覆合金粉末的制备方法如下：将粘结剂和铝分散于4.5份水中，制成分散液，再将该分散液与铁基合金、SiC、金刚石调制成浆料，经球磨，离心喷雾干燥，过100目筛，取筛下物，即得。
实施例3
提供了一种高速激光熔覆合金粉末，包括以下按重量份计的组分：铁基合金80份，SiC5份，金刚石5份，粘结剂0.4份，铝0.1份。铁基合金组成：Ti10％，Cr12wt％，Mo1wt％，Ni12wt％，余量为铁。
该高速激光熔覆合金粉末的制备方法如下：将粘结剂和铝分散于4.5份水中，制成分散液，再将该分散液与铁基合金、SiC、金刚石调制成浆料，经球磨，离心喷雾干燥，过100目筛，取筛下物，即得。
对比例1
与实施例1相比，区别在于，未添加金刚石。
对比例2
与实施例1相比，区别在于，铁基合金采用铁镍合金FeNi30，其中镍含量为30wt％，余量为铁。
对比例3
与实施例1相比，区别在于，未添加铝。
对比例4
与实施例1相比，区别在于，金刚石含量为15份。
对比例5
与实施例1相比，区别在于，碳化硅含量为20份。
实施例4
提供了带涂层的金刚石潜孔钻头，其中，金刚石潜孔钻头的结构为：钻头的齿头材料是金刚石，基体是钢铁材料。
涂覆工艺如下：分别以实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2、对比例3、对比例4或对比例5的激光熔覆合金粉末为原料，基于高速激光熔覆工艺在金刚石潜孔钻头(φ152mm)的基体的外侧面形成厚度0.8mm的涂层。
其中，高速激光熔覆工艺参数为：功率6kW，线速度为2m/min，送粉量为110g/min，搭接率为50％。
测试例
测试了实施例4中，所制得的涂层的耐磨性及抗冲击性能，还测试了部分涂层的形貌，以及对部分带涂层的金刚石潜孔钻头进行了工况测试。其中：
耐磨性测试方法为：UMT-3摩擦磨损试验机，试验条件：转速300rpm，载荷50N，时间60min，记录磨损量(mg)。
抗冲击性能测试方法为：用φ19的硬质合金截齿头，95MPa力冲击，记录涂层开始出现裂纹的冲击次数。
表1示出了实施例1-3及对比例1-5的磨损量和冲击次数，可以看出，本发明实施例能较好地兼顾耐磨性和抗冲击性能，显示出了金刚石对改善涂层性能的优越性。实施例1耐磨性提升显著，同时抗冲性能较好，特别适合高强度、持续时间短的作业环境，比如掘进工具。实施例2能较好地平衡耐磨性和抗冲性能，既可用于掘进工具防护，也可用于辊面耐磨防护这类作业时间长、对使用寿命要求高的工况条件。实施例3抗冲性能优异，同时具备一定耐磨性，特别适合用于强度适中、作业时间长、对使用寿命要求更高的工况条件，例如轴类、轴承面的修复等。
表1
测试样品 磨损量(mg) 冲击次数
实施例1 0.3 45
实施例2 0.5 58
实施例3 0.7 66
对比例1 0.5 50
对比例2 1.4 ＞60
对比例3 0.4 26
对比例4 0.3 20
对比例5 0.8 15
图1至图5分别为实施例2、对比例1、对比例2、对比例4、对比例5的形貌图，可以看出，本发明实施例2能生成细致均匀的金属碳化物，这些金属碳化物大多分布于晶界，能显著改善涂层的力学性能。对比例2形成的碳化物明显变少，表现为耐磨性的显著下降。
对比例4的金刚石含量更高，其所制备涂层中出现了大量的近似方形的金刚石颗粒，涂层中其他的不规则颗粒为原位生成的金属碳化物。对其中的金刚石颗粒进行表面EDS检测，结果见图6，检测点为图6最上方形貌图中箭头所示区域EDS Sport8。由图6可以看出，金刚石颗粒表面成分不是纯C，还存在大量的Ti、Fe、Cr等金属元素，表明金刚石表面生成了金属碳化物，这些碳化物为共价键的陶瓷相，以Fe基体为母体，使得金刚石与基体间实现了化学键结合。
工况测试效果：钻进云南腾冲铜矿，含石英岩60％，高度结晶，腐蚀性地层。原始的金刚石潜孔钻头，钻进520米；熔覆有实施例2的高速激光熔覆合金粉末的金刚石潜孔钻头，钻进945米；熔覆有对比例1的高速激光熔覆合金粉末的金刚石潜孔钻头，钻进682米。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，包括按重量份计的以下组分：
铁基合金55-90份，碳化硅5-15份，金刚石4-10份，粘结剂0.1-0.5份，铝0.01-0.2份；
所述铁基合金包括：Ti10-25wt％，Cr9-18wt％，Mo1-5wt％，Ni4-15wt％，余量为铁；所述铁基合金的粒度不粗于300目；
所述金刚石的表面镀有铁镍合金层，所述金刚石的粒度为：D50为3-10μm，D90为8-18μm；
所述碳化硅为α晶型，所述碳化硅的粒度不粗于500目；
所述铝的粒度不粗于500目。
2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，所述金刚石的表面的所述铁镍合金层的厚度≤20nm。
3.根据权利要求1所述的高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，所述铁镍合金层中，镍含量为25-30wt％，余量为铁。
4.根据权利要求1所述的高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，所述金刚石的含量为5-8份。
5.根据权利要求1所述的高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，所述铁基合金的含量为55-85份。
6.根据权利要求1所述的高速激光熔覆合金粉末，其特征在于，所述铝的含量为0.05-0.2份。
7.制备如权利要求1-6任一项所述的高速激光熔覆合金粉末的方法，其特征在于，包括步骤：将各组分调制成浆料，造粒。
8.一种涂层，其特征在于，所述涂层采用如权利要求1-6任一项所述的高速激光熔覆合金粉末经高速激光熔覆工艺制得。
9.一种铁基制品，其特征在于，所述铁基制品包括如权利要求8所述的涂层。
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