CN115449787A - 一种镍基/w/c合金镀层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍基/W/C合金镀层及其制备方法,其中镍基/W/C合金镀层组成及质量分数为2.4%W+2.4%C+3.764%Si+3.011%B+15.054%Cr+4.7%~9.5%Fe+0.941%Ba+余量Ni,制备方法包括,粉末配比及混合,原位合成机理及激光近净成型工艺参数优选,采用本发明制备的样件成型效果良好,WC分布均匀,组织晶粒细小,硬度可达到68HRC,摩擦系数达到0.42。
Description
技术领域
本发明涉及一种镍基/W/C合金镀层及其制备方法,属于激光近净成型金属材料3D打印技术领域。
技术背景
激光近净成形制造技术综合了激光熔覆与快速成型两项技术的优点,属于一种全新的生产技术。这种技术能够结合物体三维模型快速生产各种需要的金属工件,被普遍运用于航空航天、汽车等产业中。
激光近净成形制造技术通过激光获得能量,采取预铺或同步形式于成型阶段添加材料,在基体上通过逐次熔覆得到三维实体金属工件。LENS以当前快速成型技术为前提,能够实现金属粉末的高温冶金成型。该项技术对基材的热输入量少,热影响区较小,故基材的畸变小,且成型零件与基材为冶金结合,强度高,熔覆层尺寸与所在区域能够利用电脑实施有效的控制。和传统制造工艺相比,LENS技术能够完成复杂形状的增材制造,减少了机械加工的工作量。
45钢是一种中碳优质结构钢,具有良好的综合力学性能,具有较高的强度和较好的切削加工性,经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性,材料来源方便,在机械制造、交通运输、国防等方面得到了广泛应用,镍基合金镀层具有粘结强度高、耐腐蚀性能好、耐粘接和耐磨料磨损等优点,在工程上具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基/W/C合金镀层,得到一种与基体结合良好无缺陷,成型优异且缺陷性较低、高硬度的工件,其硬度为67-68HRC,摩擦磨损系数为0.4~0.5。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:2.4%W, 2.4%C,3.746%Si,3.011%B,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe,0.941%Ba,余量为Ni。
本发明内容中粉末配方的W与C摩尔比例要求为1:1,在激光近净成型中原位合成WC硬质相以提升样品性能,起弥散强化作用,主要反应式为:W+C=WC,且W和C含量在2.4%以内时制备的样品无缺陷且性能优异。
本发明的粉末配方中Si主要起脱氧造渣,改善润湿性,晶界强化元素B可加强材料的高温性质,Cr起固溶强化作用,造成局部晶格应变来强化材料性能,提高硬度、耐磨性和高温抗氧化,各组分的加入应考虑组分之间的相互作用以及对最终样品性能的影响,经大量的实验研究最终选定3.746%Si,3.011%B,15.054%Cr。
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法包括以下步骤:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末(镍基/W/C合金镀层粉末),并用球磨机球磨处理;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入激光近净成型设备的送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
进一步地,步骤(1)金属基体为45#钢。
进一步地,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400目砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
进一步地,步骤(3)的激光近净成型设备为金属3D打印机。
进一步地,步骤(4)中近净成型工艺参数:272~291J/mm3,扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm;具体的:所述激光近净成型的能量密度为272~291J/mm3,扫描速度为300mm/min,保护气体4L/min,粉盘转速6rpm。
进一步地,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速为210r/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
其中P是激光功率(W),v是扫描速度(mm/s),s是扫描间距(mm),t是层厚(mm);
以上的工艺参数只有在本发明的粉末成分且在本发明的成分含量范围内激光近净成型样品才能得到更好的性能。
有益效果:本发明通过上述粉末配比及激光近净成形的方法得到的耐磨损高硬度且缺陷率低的激光近净成形样件,在采用上述激光近净成形参数进行激光近净成形后可以很好的和45#钢形成较好的结合度,原位合成硬质相WC均匀分布于显微组织中,并且样品表面无明显裂纹,能有效的提高耐磨损性能以及显微硬度和工作强度。这种粉末可在一些采用的金属材料表面制备出高性能的表面合金层,金属材料具备良好的耐磨性,以此来代替高昂贵的金属,降低能源消耗,并且能有效的提高金属的耐磨损性能,从而提高工件的工作强度。
附图说明
图1为实施例1激光近净成型的微观组织图;
图2为对比例1激光近净成型的微观组织图;
图3为对比例3激光近净成型的微观组织图;
图4为对比例4激光近净成型的微观组织图;
图5为所有例子的激光近净成型的摩擦磨损图;
图6为所有例子的激光近净成型的硬度分布图;
图7为实施例1激光近净成型的表面宏观图;
图8为对比例1激光近净成型的表面宏观图;
图9为对比例2激光近净成型的表面宏观图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:2.4%W,2.4%C,3.746%Si,3.011%B,,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941% Ba,余量为Ni;
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法为:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末,并用球磨机混合;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
本实施例中,步骤(1)金属基体为45#钢;
本实施例中,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
本实施例中,步骤(4)中工艺参数:所述激光近净成型的能量密度291J/mm3;扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm。
本实施例中,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速为210r/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
本实施例中,步骤(4)采用的设备是激光近净成型所用设备为金属3D打印机,获得样件的成型性能较好。
涂层用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀,通过扫描电镜获得了激光熔覆层的微观组织图片。如图1所示,容易看出WC分布较为均匀,涂层晶粒细小,涂层更为致密。
通过摩擦磨损试验机测试涂层耐磨性能,得出本实施例的摩擦系数如图5所示,平均摩擦系数为0.42。
通过显微硬度计测试涂层表面硬度,得出如图6所示硬度分布,涂层表面平均洛氏硬度能够达到67-68HRC。
本实施例宏观图如图7所示,本试验例试样与基体结合良好。
对比例1
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:1.8%W,1.8%C,3.746%Si,3.011%B,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941% Ba,余量为Ni;
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法为:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末,并用球磨机混合;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
本对比例中,步骤(1)金属基体为45#钢;
本对比例中,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
本对比例中,步骤(4)中工艺参数:所述激光近净成型的能量密度291J/mm3;扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm。
本对比例中,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速为210r/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
步骤(4)采用的设备是激光近净成型所用设备为金属3D打印机,获得样件的成型性能较好。
涂层用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀,通过扫描电镜获得了激光熔覆层的微观组织图片如图2所示。
通过摩擦磨损试验机测试涂层耐磨性能,得出本实施例的摩擦系数如图5所示,平均摩擦系数为0.49。
通过显微硬度计测试涂层表面硬度,得出如图6所示硬度分布,涂层表面平均洛氏硬度为61-63HRC。
本对比例微观组织如图2所示,因涂层中W/C含量占比较低,对比例样品微观组织可以看出析出WC含量较低,对涂层硬度及耐磨性存在一定影响。
本对比例宏观图如图8所示,本试验例试样与基体结合良好。
对比例2
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:3.0%W,3.0%C,3.746%Si,3.011%B,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941% Ba,余量为Ni;
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法为:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末,并用球磨机混合;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
本对比例中,步骤(1)金属基体为45#钢;
本对比例中,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
本对比例中,步骤(4)中工艺参数:所述激光近净成型的能量密度分别为291J/mm3,扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm;
本对比例中,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速210r/min,球料比5:1,球磨时间为12h;
本对比例中,步骤(4)采用的设备是激光近净成型所用设备为金属3D打印机。
本对比例宏观图如图9所示,对比例样品与45钢界面结合处存在明显的裂纹缺陷。对比例中C与W的比例增加,镀层WC的合成增加,WC密度大,易沉积在镀层底部,界面处润湿性下降,WC硬度较高,镀层的韧性下降,导致结合界面易开裂。
对比例3
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:2.4%W,2.4%C,3.746%Si,3.011%B,,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941% Ba,余量为Ni;
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法为:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末,并用球磨机混合;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
本对比例中,步骤(1)金属基体为45#钢;
本对比例中,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
本对比例中,步骤(4)中工艺参数:所述激光近净成型的能量密度238J/mm3;扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm。
本对比例中,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速为210r/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
本对比例中,步骤(4)采用的设备是激光近净成型所用设备为金属3D打印机,获得样件的成型性能较好。
涂层用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀,通过扫描电镜获得了激光熔覆层的微观组织图片如图3所示,
通过摩擦磨损试验机测试涂层耐磨性能,得出本实施例的摩擦系数如图5所示,平均摩擦系数为0.48。
通过显微硬度计测试涂层表面硬度,得出如图6所示硬度分布,涂层表面平均洛氏硬度能够达到63-66HRC。
本对比例微观组织如图3所示,因涂层中熔池寿命不足,对比例样品微观组织可以看出析出WC含量较低,对涂层硬度及耐磨性有一定影响。
对比例4
一种镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:2.4%W,2.4%C,3.746%Si,3.011%B,,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941% Ba,余量为Ni;
上述镍基/W/C合金镀层的制备方法为:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量激光熔覆涂层粉末,并用球磨机混合;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入送粉系统;
(4)在步骤(1)的基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
本对比例中,步骤(1)金属基体为45#钢;
本对比例中,步骤(1)打磨平滑并清洗的具体步骤:金属基体表面用280目砂纸打磨后用400砂纸打磨,打磨至表面无粗大划痕且方向一致,再用无水乙醇溶液超声清洗,去除磨屑和杂质。
本对比例中,步骤(4)中工艺参数:所述激光近净成型的能量密度333J/mm3;扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm。
本对比例中,步骤(2)球磨参数:真空条件下,球磨转速为210r/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
本对比例中,步骤(4)采用的设备是激光近净成型所用设备为金属3D打印机,获得样件的成型性能较好。
涂层用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀,通过扫描电镜获得了激光熔覆层的微观组织图片如图4所示。
通过摩擦磨损试验机测试涂层耐磨性能,得出本实施例的摩擦系数如图5所示,平均摩擦系数为0.47。
通过显微硬度计测试涂层表面硬度,得出如图6所示硬度分布,涂层表面平均洛氏硬度能够达到66-67HRC。
本对比例微观组织如图4所示,因涂层中输入充足的能量,对比例样品微观组织可以看出涂层中的晶粒得到充足的生长,晶粒粗大,不利于涂层细晶强化。
以上所述,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,都应涵盖在本实用新保护范围为准。
Claims (6)
1.一种镍基/W/C合金镀层,其特征在于:所述镍基/W/C合金镀层由以下的质量分数配比组成:2.4%W, 2.4%C,3.746%Si, 3.011%B,,15.054%Cr,4.7%~9.5%Fe, 0.941%Ba, 余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的镍基/W/C合金镀层,其特征在于:采用激光近净成型方法制备,镍基/W/C合金镀层硬度为67-68HRC,摩擦磨损系数为0.42。
3.一种如权利要求1-2任一项所述镍基/W/C合金镀层的制备方法,其特征在于:
包括以下步骤:
(1)将金属基体打磨平滑并清洗,干燥后备用;
(2)按比例称量镍基/W/C合金镀层粉末,并用球磨机球磨处理得到混合粉末;
(3)将步骤(2)的混合粉末倒入激光近净成型设备中的送粉系统;
(4)在步骤(1)的金属基体上进行近净成型,金属基体表面得到镍基/W/C合金镀层。
4.根据权利要求3所述的镍基/W/C合金镀层的制备方法,其特征在于:球磨处理的球磨速度为210rpm/min,球料比为5:1,球磨时间为12h。
5.根据权利要求3所述的镍基/W/C合金镀层的制备方法,其特征在于:所述激光近净成型的能量密度分别为272~291J/mm3,扫描速度为300mm/min,保护气体速率4L/min,粉盘转速6rpm。
6.根据权利要求3所述的镍基/W/C合金镀层的制备方法,其特征在于:步骤(3)中激光近净成型所用设备为金属3D打印机。
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