CN115354318B - 一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层及制备方法，属于合金涂层技术领域。在本发明中，先采用激光熔覆技术制备Ni60涂层，再采用激光刻蚀在涂层表面完成“井”型微纳加工，再利用激光冲击对刻蚀组织实现强化，再熔覆具有相同基体成分的Ni60+TiC复合涂层，所以不同的涂层之间通过互相嵌入的方式能够实现紧密结合，不易出现脱落。另外，不同涂层之间的热膨胀系数基本一致，能够有效减少涂层中的裂纹。再采用同样的方式在Ni60+TiC涂层表面制备Ni60+TiC+La2O3涂层。最后再采用超声辅助激光熔凝的方式对成品涂层进行表面强化和有效减少表层的裂纹源。因此，本技术发明能够获得具有梯度渐进性能的涂层，不同涂层之间的结合紧密且不出现裂纹。
Description
技术领域
本发明属于合金涂层技术领域，涉及一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层及制备方法。
背景技术
激光熔覆技术在20世纪80年代逐步进入到人们的视线中，随着它在工件表面改性技术中的优势越来越明显，成为了众多国内外学者关注与研究的重点和热点。激光熔覆技术可根据性能需要在基体表面形成特殊性能的熔覆层，并且不会对基体材料造成太大的影响。
目前，陶瓷粉末、自熔性合金粉末(Fe Co Ni)、复合粉末等因其具有优越的综合性能仍被作为主要的强化材料。在材料的设计上不仅要注重其使用的性能还要注意到其内在的结合性能，即设计的材料除了要具备耐磨、耐蚀、抗冲击、热障等性能指标，所制备的材料其物理性能还要适应涂层制备的一般性原则，材料熔凝过程中不同材料受热后体积膨胀系数有一定偏差，为了避免基体与涂层之间出现横纵向裂纹引起的涂层裂纹甚至是剥落失效，熔覆材料设计中要充分考虑各衔接界面彼此匹配度的趋同性原则，降低宏观物理缺陷敏感性。
梯度涂层的功能设计是一种在基材表面熔堆至少两层或两层以上的不同功能材料或同种材料中含有不同密度强化相材料的梯度涂层，在涂层的结构上具有梯度渐变性，梯度涂层能够避免基体与涂层之间由于热膨胀系数过大而出现的横纵向裂纹，有助于制备出性能优异的涂层，但由于需要制备两层或两层以上的涂层，需要保证涂层与涂层之间良好的冶金结合。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层及制备方法。在本发明中，先采用激光熔覆技术制备Ni60涂层，再采用激光刻蚀在涂层表面完成“井”型微纳加工，再利用激光冲击对刻蚀组织实现强化，再熔覆具有相同基体成分的Ni60+TiC复合涂层，所以不同的涂层之间通过互相嵌入的方式能够实现紧密结合，不易出现脱落。另外，不同涂层之间的热膨胀系数基本一致，能够有效减少涂层中的裂纹。再采用同样的方式在Ni60+TiC涂层表面制备Ni60+TiC+La2O3涂层。最后再采用超声辅助激光熔凝的方式对成品涂层进行表面强化和有效减少表层的裂纹源。因此，本技术发明能够获得具有梯度渐进性能的涂层，不同涂层之间的结合紧密且不出现裂纹。
本发明中首先提供了一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层，所述涂层结合紧密和不出现裂纹，所述耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.42～0.46，质量磨损率为2.5×10-5～2.8×10-5g/m。
本发明提供了一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层；
(2)将步骤(1)中得到的涂层工件放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层工件置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击；(3)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末；(4)采用激光熔覆技术将步骤(3)制得的粉末熔覆在步骤(2)制得的涂层工件表面，即在Ni60涂层上制备Ni60-TiC涂层；
(5)将步骤(4)中得到的复合涂层工件放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层工件置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击；
(6)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末；
(7)采用激光熔覆技术将步骤(6)制得的粉末熔覆在步骤(5)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层；
(8)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔凝方式在步骤(7)获得的涂层表面进行超声辅助激光熔凝处理，获得高耐磨Ni60基复合梯度涂层。
进一步地，步骤(1)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率1200～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率40～60％，送粉速度6～14g/min。
进一步地，步骤(2)中，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm；所述激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度为30ns～50ns，激光能量为20J～80J，激光波长为1064mm，光斑直径为2mm～6mm，搭接率为40～50％。
进一步地，步骤(3)中，TiC与Ni60的粉末质量比为10～20:100。
进一步地，步骤(4)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率1200～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率40～60％，送粉速度6～14g/min。
进一步地，步骤(5)中，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm；所述激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度为30ns～50ns，激光能量为20J～80J，激光波长为1064mm，光斑直径为2mm～6mm，搭接率为40～50％。
进一步地，步骤(6)中，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为1～3：10～20：100。
进一步地，步骤(7)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率1200～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率40～60％，送粉速度6～14g/min。
进一步地，步骤(8)中，激光熔凝的工艺参数如下：氩气流量15L/min，激光功率为800～1500W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率50％。
进一步地，步骤(8)中，超声振动工艺参数如下：超声振动频率为20KHz；超声振动功率为1000～5000W。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明制备得到的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层结合紧密和不出现裂纹，所述耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.42～0.46，质量磨损率为2.5×10-5～2.8×10-5g/m，耐磨性能得到了显著提升，能大幅度提高工件的服役寿命。
针对现有技术不足，本发明提供了一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层及制备方法。在本发明中，先采用激光熔覆技术制备Ni60涂层，再采用激光刻蚀在涂层表面完成“井”型微纳加工，再利用激光冲击对刻蚀组织实现强化，再熔覆具有相同基体成分的Ni60+TiC复合涂层，所以不同的涂层之间通过互相嵌入的方式能够实现紧密结合，不易出现脱落。另外，不同涂层之间的热膨胀系数基本一致，能够有效减少涂层中的裂纹。再采用同样的方式在Ni60+TiC涂层表面制备Ni60+TiC+La2O3涂层。最后再采用超声辅助激光熔凝的方式对成品涂层进行表面强化和有效减少表层的裂纹源。因此，本技术发明能够获得具有梯度渐进性能的涂层，不同涂层之间的结合紧密且不出现裂纹。
附图说明
图1为本发明实施例1制备一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例涉及的Ni60、TiC和La2O3为本领域广泛应用的公知材料。
实施例1：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(2)将步骤(1)中得到的涂层工件放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层工件置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为20kHz，扫描速度为200mm/s，扫描线间距为10μm，步进为3μm，飞秒激光的光斑直径为40μm，所述激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度为40ns，激光能量为50J，激光波长为1064mm，光斑直径为4mm，搭接率为40％；
(3)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，TiC与Ni60的粉末质量比为10:100；
(4)采用激光熔覆技术将步骤(3)制得的粉末熔覆在步骤(2)制得的涂层表面，即在Ni60涂层上制备Ni60-TiC涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(5)将步骤(4)中得到的涂层放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数和激光冲击工艺参数与步骤(2)中对应的工艺参数相同；
(6)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为2：10：100；
(7)采用激光熔覆技术将步骤(6)制得的粉末熔覆在步骤(5)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层；
(8)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔凝方式在步骤(7)获得的涂层表面进行超声辅助激光熔凝处理，获得高耐磨Ni60基复合梯度涂层，氩气流量15L/min，激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，超声振动频率为20KHz，超声振动功率为2000W。
对制备得到的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层进行微观组织表征及室温摩擦磨损测试。涂层中的组织致密和强化相分布均匀，耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.42，质量磨损率为2.5×10-5g/m。
实施例2：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(1)激光功率为1800W。
对制备得到的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.46，质量磨损率为2.8×10-5g/m。
实施例3：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(2)飞秒激光扫描速度为300mm/s。
对制备得到的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.44，质量磨损率为2.6×10-5g/m。
实施例4：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(2)激光冲击搭接率为50％。
对制备得到的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.45，质量磨损率为2.7×10-5g/m。
对比例1：
(1)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为2：10：100；
(2)采用激光熔覆技术将步骤(1)制得的粉末熔覆在工件表面，制备Ni60-TiC-La2O3涂层。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.95，质量磨损率为6.3×10-5g/m。
对比例2：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层。激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(2)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，TiC与Ni60的粉末质量比为10:100；
(3)采用激光熔覆技术将步骤(2)制得的粉末熔覆在步骤(1)制得的涂层表面，制备Ni60-TiC涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(4)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为2：10：100；
(5)采用激光熔覆技术将步骤(4)制得的粉末熔覆在步骤(3)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.65，质量磨损率为4.8×10-5g/m。
对比例3：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(2)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，TiC与Ni60的粉末质量比为10:100；
(3)采用激光熔覆技术将步骤(2)制得的粉末熔覆在步骤(1)制得的涂层表面，即在Ni60涂层上制备Ni60-TiC涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(4)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为2：10：100；
(5)采用激光熔覆技术将步骤(4)制得的粉末熔覆在步骤(3)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层；
(6)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔凝方式在步骤(5)获得的涂层表面进行超声辅助激光熔凝处理，获得一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层，氩气流量15L/min，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，超声振动频率为20KHz，超声振动功率为2000W。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.55，质量磨损率为3.8×10-5g/m。
对比例4：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(2)将步骤(1)中得到的涂层放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为20kHz，扫描速度为200mm/s，扫描线间距为10μm，步进为3μm，飞秒激光的光斑直径为40μm；
(3)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，TiC与Ni60的粉末质量比为10:100；
(4)采用激光熔覆技术将步骤(3)制得的粉末熔覆在步骤(2)制得的涂层表面，即在Ni60涂层上制备Ni60-TiC涂层，激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min；
(5)将步骤(4)中得到的涂层放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数与步骤(2)中对应的飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数相同；
(6)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，获得均匀的复合粉末，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为2：10：100；
(7)采用激光熔覆技术将步骤(6)制得的粉末熔覆在步骤(5)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层；
(8)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔凝方式在步骤(7)获得的涂层表面进行超声辅助激光熔凝处理，获得一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层，氩气流量15L/min，激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，超声振动频率为20KHz，超声振动功率为2000W。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.52，质量磨损率为3.7×10-5g/m。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)采用激光熔覆技术将真空雾化的Ni60粉末熔覆在工件表面，在工件表面制备Ni60涂层；
(2)将步骤(1)中得到的涂层工件放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层工件置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm，所述激光冲击加工工艺参数为：激光脉冲宽度为30ns～50ns，激光能量为20J～80J，激光波长为1064mm，光斑直径为2mm～6mm，搭接率为40～50％；
(3)将真空雾化的Ni60粉末与TiC粉末进行球磨混粉，TiC与Ni60的粉末质量比为10～20:100，获得均匀的复合粉末；
(4)采用激光熔覆技术将步骤(3)制得的粉末熔覆在步骤(2)制得的涂层表面，即在Ni60涂层上制备Ni60-TiC涂层；
(5)将步骤(4)中得到的涂层放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌，将刻蚀的涂层工件置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对涂层激光冲击，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm，所述激光冲击加工工艺参数为：激光脉冲宽度为30ns～50ns，激光能量为20J～80J，激光波长为1064mm，光斑直径为2mm～6mm，搭接率为40～50％；
(6)将真空雾化的Ni60粉末、TiC粉末及La2O3粉末进行球磨混粉，La2O3：TiC：Ni60的粉末质量比为1～3：10～20：100，获得均匀的复合粉末；
(7)采用激光熔覆技术将步骤(6)制得的粉末熔覆在步骤(5)制得的涂层表面，即在Ni60-TiC涂层表面制备Ni60-TiC-La2O3涂层；
(8)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔凝方式在步骤(7)获得的涂层表面进行超声辅助激光熔凝处理，获得高耐磨Ni60基复合梯度涂层，所述高耐磨Ni60基复合梯度涂层的室温摩擦磨损系数为0.42～0.46，质量磨损率为2.5×10-5～2.8×10-5g/m。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200～2000W，光斑直径为2～6mm，扫描速度为5～10mm/s，搭接率为40～60％，送粉速度为6～14g/min。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200～2000W，光斑直径为2～6mm，扫描速度为5～10mm/s，搭接率为40～60％，送粉速度为6～14g/min。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，所述激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200～2000W，光斑直径为2～6mm，扫描速度为5～10mm/s，搭接率为40～60％，送粉速度为6～14g/min。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤(8)中激光熔凝的工艺参数如下：氩气流量15L/min，激光功率为800～1500W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率50％。
6.根据权利要求1所述的一种高耐磨Ni60基复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤(8)中超声振动的工艺参数如下：超声振动频率为20KHz，超声振动功率为1000～5000W。
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| CN102616050A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-08-01 | 汕头大学 | 一种印刷包装机涂布辊子表面陶瓷涂层结构及制造方法 |
| CN104046982A (zh) * | 2014-06-24 | 2014-09-17 | 南京煜宸激光科技有限公司 | 一种新型镍基wc混合粉末激光熔覆方法 |
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