CN115874175B - 一种高性能激光熔覆合金刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能激光熔覆合金刀具，所述刀具设置有激光熔覆涂层；所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末混合后制得。本发明通过特定的合金粉末、重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末，协同增强激光熔覆涂层的硬度和耐磨性能，使刀具刀刃具有高硬度、高耐磨、高耐蚀，且兼具强度和韧性的切削刀刃。

Description

一种高性能激光熔覆合金刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于五金刀剪技术领域，具体涉及一种高性能激光熔覆合金刀具及其制备方法。
背景技术
刀具的耐磨、强度等性能，是高端厨刀的关键评价指标。传统五金刀剪技术中，对刀具强化的方法主要有热处理、表面淬火、热扩渗技术、电镀及热喷涂等等。其中热处理、表面淬火及热扩渗技术都是在没有改变基体材料的情况下，改变刀刃性能，这些方法提高刀刃性能的程度非常有限，而电镀及热喷涂虽然可以用特殊合金粉末形成涂覆层，但是涂覆层与基体结合强度有限。
随着对高性能厨刀的需求，国外将激光熔覆技术与传统五金刀剪产业结合，研制出激光熔覆刀，也成为‘第五代高端刀具’。而经申请人研究发现，现有激光熔覆刀存在如下技术问题：
激光熔覆涂层的合金粉末选择，是决定材料使用性能的主要因素，目前的涂层主要有自熔性合金粉末涂层、陶瓷粉末涂层以及陶瓷增强金属基复合涂层。虽然现有激光熔覆涂层能较好的提高刀具的硬度和耐磨性能，但还不能很好的满足对高端厨刀的性能需求，也限制了刀具的具体应用。
因此，还有待研发一种高性能激光熔覆合金刀具，具有高硬度、高耐磨性能，以满足市场需求。
发明内容
本发明的目的是要解决上述的技术问题，提供一种高性能激光熔覆合金刀具及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
第一方面，本发明提供一种高性能激光熔覆合金刀具，其特征在于，所述刀具设置有激光熔覆涂层；
所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末混合后制得。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第1种优选实施方式，具体的，所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末混合后制得。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第2种优选实施方式，具体的，所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第3种优选实施方式，具体的，所述合金粉末包括以下组分：
C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第4种优选实施方式，具体的，所述刀具的刀刃为复合层结构，刀刃包括中间层和位于中间层两侧的增韧层；
所述中间层为8Cr13MoV高碳高铬材料制成，所述增韧性层为低碳1Cr13不锈钢。
第二方面，本发明还提供了一种用于制备第一方面所述的一种高性能激光熔覆合金刀具的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性；
步骤(2)：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料倒入激光熔覆系统的送粉器中；
步骤(3)：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层。
第三方面，本发明还提供了一种用于制备第一方面所述的一种高性能激光熔覆合金刀具的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性；
步骤(2)：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料铺设到刀具的表面；
步骤(3)：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层；
其中，所述激光熔覆系统设置有超声震动辅助装置，超声震动辅助装置用于在对刀具进行激光熔覆过程中施加超声振动辅助熔覆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高性能激光熔覆合金刀具，所述刀具设置有激光熔覆涂层；所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末混合后制得。本发明通过特定的合金粉末、重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末，协同增强激光熔覆涂层的硬度和耐磨性能，使刀具刀刃具有高硬度、高耐磨、高耐蚀，且兼具强度和韧性的切削刀刃。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明的设置有超声震动辅助装置的激光熔覆系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，304不锈钢广泛应用在家用厨刀中，用于生产厨刀；304不锈钢是一种具有优异耐高温性、耐腐蚀性并且韧性足、价格低、可加工能力好的奥氏体不锈钢。但随着高端厨刀对硬度、耐磨性等性能的高需求，304不锈钢难以满足高端厨刀的生产应用。为此，借鉴了国外先进的激光熔敷强化的制刀技术，在普通刀具刀刃上面熔敷一层特殊性能材料作为刀刃，能够显著提高刀刃的综合性能，达到国外高端刀具的要求，这将有力促进我国厨刀行业的技术升级，是我国厨刀行业生产高端厨刀、参与国际高端厨刀市场竞争的有效捷径。
熔敷材料是影响激光熔敷刀刃综合性能最基本的因素，选择合适的、性能优异的熔敷材料是提高刀刃性能最基本的条件，材料在选择的时候，不能随意选择，否则不能确保刀刃具有相应的优异性能。虽然现有激光熔覆涂层能较好的提高刀具的硬度和耐磨性能，但还不能很好的满足对高端厨刀的性能需求，也限制了刀具的具体应用。
因此，本发明提供了一种高性能激光熔覆合金刀具，具有高硬度、高耐磨性能，以满足市场需求。
实施例1-本发明提供了一种刀具激光熔覆涂层的原料粉末体系
本发明实施例1提供了一种应用在五金刀剪上的激光熔覆涂层的合金粉末，以及包含这种合金粉末的原料粉末体系。
在第1种优选实施中，原料粉末体系主要由合金粉末组成。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
在第2种优选实施例中，原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末混合后制得。
其中，所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
在第3种优选实施例中，原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末混合后制得。
其中，所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
其中，粉末粒度范围为100～300目，即50～100um之间。
在一种具体实施中，本发明通过在碳纳米管表面包覆一层氧化钛以形成核壳结构，以降低碳纳米管的直接烧蚀作用。
本发明还提供了一种高性能激光熔覆合金刀具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤(1)：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性。
其中，在厨刀激光熔敷之前，粉末干燥程度将会影响输送粉末的稳定性，并导致熔敷层产生缺陷。因此，混合粉末在使用之前，需要进行烘干处理，并且粉末在烘干的过程中不能因为温度过高对粉末造成氧化。针对该情况，本发明采用DZF-6930真空干燥箱，确保混合粉末在真空状态下，烘干温度200℃，烘干时间2小时，粉末烘干结束之后将粉末加入送粉器中待用。
步骤(2)：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料倒入激光熔覆系统的送粉器中。
在一种具体实施中，刀具的预处理还包括刀具预热装置，激光熔敷加工过程中，熔敷层产生裂纹、气孔、夹渣等问题的原因很多，但是，预热是有助于防止熔敷层出现缺陷很有效的一种措施。
步骤(3)：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层。
需要说明的是，工艺参数(激光功率、扫描速度、转盘速度、载气量和保护气体流量等)是本领域技术人员根据硬件设备和原料粉末体系，进行合理设置可得到的，还可以通过正交试验对工艺参数进行最优化，为此，本发明不对工艺参数限定。
再一方面，激光熔覆系统是本领域的现有技术，在本工艺中，采用专门针对刀具的同轴送粉激光熔敷加工工作系统，其主要由激光器、工业机器人、熔敷头、气载送粉器、水冷系统、自动回转工作台、预热系统和一些外部辅助设备等组成。
本发明主要核心在于提供一种激光熔覆涂层的原料粉末体系，激光熔覆系统的硬件设备是本领域的现有硬件设备，是本领域技术人员可根据需要进行配设的，本发明不对硬件设备进行过多陈述和说明。
一、制备实例
实例1
本实例1提供一种高性能激光熔覆合金刀具，所述刀具的刀刃设置有激光熔覆涂层；所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末组成。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
本实例1所述的高性能激光熔覆合金刀具的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性。
步骤(2)：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料倒入激光熔覆系统的送粉器中。
步骤(3)：设置激光熔覆系统的工艺参数(激光功率1400W、扫描速度6mm/s、转盘速度5r/min、载气量5.4L/min和保护气体流量0.6/Mpa)，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层。
实例2
本实例2提供一种高性能激光熔覆合金刀具，所述刀具的刀刃设置有激光熔覆涂层；所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末混合后制得。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
本实例2所述的高性能激光熔覆合金刀具的制备方法和实施1的完全相同，不同之处在于激光熔覆系统的工艺参数：激光功率1600W、扫描速度7mm/s、转盘速度5r/min、载气量6.4L/min和保护气体流量0.7/Mpa。
实例3
本实例3提供一种高性能激光熔覆合金刀具，所述刀具的刀刃设置有激光熔覆涂层；所述激光熔覆涂层的原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末混合后制得。其中，所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
其中，所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层，即在碳纳米管表面包覆一层氧化钛形成核壳式结构，这样设计的目的是降低激光对碳纳米管的直接烧蚀破坏作用。氧化钛包覆碳纳米管是本领域的现有材料，如可通过溶胶-回流法制备得到。
本实例3所述的高性能激光熔覆合金刀具的制备方法和实施1的完全相同，不同之处在于激光熔覆系统的工艺参数：激光功率1800W、扫描速度8mm/s、转盘速度5r/min、载气量6.4L/min和保护气体流量1.0/Mpa。
其中，在上述实例1-3中的刀具采用未经开刃的刀坯，材质为3Cr13马氏体不锈钢，刀坯厚度为2.5mm。刀具材料化学成分见表1，机械性能如表2。
表1 3Cr13不锈钢的化学成分(wt.％)
牌号 C Si Mn P S Cr Ni Fe
3Cr13 0.28 0.80 0.70 0.024 0.025 13.4 0.50 余量
表2 3Cr13不锈钢的机械性能
牌号 抗拉强度/Mpa 屈服强度/Mpa 冲击吸收功/J 宏观硬度/HRC 显微硬度/HV0.2
3Cr13 667 412 540 ＞48 642.27
二、产品性能测试
(一)试样制备
实例1-3的刀具完成激光熔敷后，分别利用线切割机沿刀具的刀刃熔敷层横截面截取尺寸为15×15mm的试样进行微观组织分析。首先使用400#、600#、800#、100#、1200#、1500#、2000#不同型号的金相砂纸磨样，每换一号砂纸，都要把上一道砂纸磨痕除掉，磨样时需要加水冷却，保证试样原来组织状态；然后把磨制好的试样放到抛光机上进行抛光，直到把试样表面的磨痕全部抛掉为止；最后，把抛光好的试样冲洗干净，用王水对试样的基体与熔敷层的组织进行腐蚀，并用酒精冲洗、吹干。
(二)激光熔覆涂层的分析方法
物相组成分析：采用Rigaku Ultima IV X-射线衍射仪(XRD)对试样进行物相组成分析。
宏观硬度测试：采用HR-150A型洛氏硬度计测试激光熔覆涂层的宏观硬度，测试用15kg的载荷，任意位置测试6～8个点，取平均值。
显微硬度测试：采用HV-1000型显微硬度计对激光熔覆涂层的显微硬度进行测量，实测用0.2kg的载荷，加载时间15s，测试位置从熔覆层顶部位置至3Cr13不锈钢基体每隔0.2mm测试一点。
耐腐蚀性能测试：用电化学工作站对激光熔覆涂层的耐蚀性能进行表征。
摩擦磨损性能测试：采用TRB多功能摩擦磨损试验机，利用干滑动摩擦试验测试激光熔覆涂层的摩擦磨损性能。
(三)实例1的产品性能分析
(1)激光熔覆涂层物相分析
对实例1试样进行物相组成分析，发现合金粉末中的Fe、Cr、Ni等形成的碳化物的物相以M23C6、M7C3(M主要为Fe、Cr，少量W、Mo)相、NiCx为主。由于Nb元素的存在，涂层析出了MC型碳化物即NbC，另外形成了α-Fe、ε-Cu等物相；而WC的添加生成了WC相和Fe3W3C硬质相。
通过SEM观察发现，球形WC颗粒大都分布在激光熔覆涂层与刀具基体的结合处附近，这是因为熔池内的Marangoni效应影响了WC颗粒的分布，由于激光熔覆涂层顶部受到的激光能量较高，球形WC颗粒易烧损，所以熔覆层顶部的WC颗粒比较少。
(2)产品性能
经测试，实例1的激光熔覆涂层的显微硬度为689.41HV0.2，远远高于3Cr13不锈钢基体的显微硬度。
分析原因，显微硬度取决于激光熔覆涂层的组织类型、晶粒尺寸、碳化物大小等因素。而本发明的合金粉末中添加WC颗粒，目的是这些完整的WC颗粒在激光熔覆涂层中有弥散强化的作用，WC颗粒在激光熔覆涂层中发生了部分溶解，提高了WC周围合金元素的浓度，同时周围形核核心变多，使得WC周围的组织细化，WC颗粒会在激光熔覆涂层中发生聚集，从而促进了晶粒的细化。Fe3W3C硬质相会使激光熔覆涂层的强度和硬度进一步提高。熔覆层中存在未熔化的WC颗粒，并且未融的WC颗粒的分布均匀，再加上WC颗粒在激光熔覆涂层中W元素发生扩散，促进激光熔覆涂层的固溶强化以及细小碳化物的弥散强化、硬质相强化、细晶强化，这就造成激光熔覆涂层的显微硬度优异。再一方面，涂层中产生了NbC、NiCx、ε-Cu等硬质相，综合提高激光熔覆涂层的显微硬度。
经测试，3Cr13不锈钢基体在整个磨合阶段起伏较大，随摩擦时间增加，趋于稳定，3Cr13不锈钢基体的摩擦系数约为0.65。激光熔覆涂层摩擦系数较低，约为0.39551，且在整个跑合阶段波动较小，显示出优异的耐磨损性能。
本技术涂层的磨损形式为磨粒磨损，通过特定原料协同提升激光熔覆涂层的耐磨性能。一方面，是Cr元素的加入，使得熔覆层中的γ相向α相转变，相变后的α相主要是由铁素体与马氏体组成，加上金属间化合物的强化作用，使得熔覆层的摩擦系数降。另一方面，本发明的WC含量为10％，弥散在熔覆层中的WC颗粒均匀，所以熔覆层的摩擦曲线波动较小。WC的添加会提高熔覆层的塑韧性，由于在磨损试验过程中，磨粒通过往复运动会把材料推向两边从而受到很大的塑性变形，在磨粒不断地作用下，这些堆积在磨痕里的材料会被重新压平，可能会出现反复的塑性变形，这就使得熔覆层表面产生了强化作用，并且当熔覆层添加了WC这种高硬度增强相时，这些增强相会降低在磨损过程中磨粒的压入深度，因此，实现了激光熔覆涂层的耐磨性能提升。
经测试，涂层的自腐蚀电位为-0.8825V，点蚀电位-160±5mV，致钝电位-854±5。本发明的钝化区宽度大，说明激光熔覆涂层的钝化能力强，其易产生钝化膜，钝化速率快，以提高涂层表面钝化能力而提高熔覆层的耐蚀性能。分析上述现象原因，由于Ni和Fe元素在水溶液中是活性元素，Cr是钝化元素，随着Cr的添加，容易形成钝化膜，能够有效地抑制电解液侵入熔覆层，降低其溶解速度，增强了熔覆层的耐腐蚀性能。
(四)实例2的产品性能分析
(1)激光熔覆涂层物相分析
对实例2试样进行物相组成分析，XRD图中出现了新相LaNi3和微量的La2O3，其它主要相与实例1的无太大差异。说明过量的La2O3不参与化学反应，将以稳定的夹杂物的形式存在于熔覆层中。因CeO2含量较少，并未对激光熔覆涂层的物相产生显著影响。
(2)产品性能
通过对实例2的形貌分析，涂层表面平整，无裂纹、气孔等缺陷，涂层与刀具之间均未发现裂纹、气孔等缺陷，涂层与刀具之间的冶金结合性能优异。
气孔在熔覆过程中易作为裂纹发生点，通过稀土元素调控辅助激光熔覆可降低孔隙率，土氧化物的添加增强了熔池的流动性，促进熔池内部气体的逸出，起到除气的作用。
经测试，实例2的激光熔覆涂层的显微硬度为701.25HV0.2，显微硬度有所提高。这是由于稀土有净化、细化组织的作用，同时稀土及稀土化合物也是一种硬质相存在于涂层中，从而提高了熔覆层的硬度。但是，稀土不宜过量，过量的稀土本身便是夹杂物，同时使熔池的流动性降低，组织分布不均匀，因此会降低熔覆层的硬度。另一方面，CeO 2分解后产生的Ce原子会在晶界、位错等处扩散和偏聚，以降低体系的吉布斯自由能，从而导致晶粒生长的驱动力减弱，进而细化熔覆层组织，晶粒越细小，单位体积内的晶粒边界越多，晶粒边界对位错的阻碍作用越显著，硬度越高。
经测试，因加入稀土氧化物，实例2的激光熔覆涂层摩擦系数略有增加，约为0.41242。
选用实例1和实例2的试样进行三点弯曲试验，测试其载荷-位移数据，实例1的线性阶段在位移为0.424mm时终止，此时的载荷为2.864kN，随即发生塑性变形，直到峰值载荷为6.279kN，发生破坏，发生破坏时的位移为2.026mm。实施例2含量熔覆层的线性阶段在位移为0.532mm时终止，此时的载荷为3.687kN，随即发生塑性变形，峰值载荷为6.845kN时发生破坏断裂，对应最大位移为2.088mm。根据试样参数和抗弯强度公式计算可得，实例1的抗弯强度与实例2的抗弯强度相差较大。实例2相比实例1，激光熔覆涂层的韧性更好，能在承受外在载荷时吸收一定的外加应力，具有更高的抗弯强度的载荷-位移数据。
现有激光熔覆刀，在开刃后，刀刃切削部位全部为激光熔覆涂层，如实例1。实例1虽然具有高硬度和高耐磨的性能，但也导致脆性较大，强化后的刀刃易崩刃，损坏刀刃的性能，会局限应用场景，如只适合做水果刀和切片刀等。为此，本发明通过掺入重量百分数0.8％的CeO2粉末和按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末，使刀具具有高硬度、高耐磨、高耐蚀，且兼具强度和韧性的切削刀刃。是因为添加CeO2和La2O3稀土氧化物，有利于熔覆层组织结构的形核，获得的组织也更为细化、均匀，当熔覆层晶粒细化之后，在提高熔覆层强度及硬度的同时，也增强了熔覆层金属的塑性与韧性。
(五)实例3的产品性能分析
(1)激光熔覆涂层物相分析
对实例3试样进行物相组成分析，与实例2的无太大差异。通过SEM观察发现，核壳结构的碳纳米管增强体分布在激光熔覆涂层中，这是因为激光首先作用在碳纳米管外壁的氧化钛包覆层上，防止碳纳米管被高能量激光烧损，使得碳纳米管结构能够在涂层中充分保留。
(2)产品性能
经测试，实例3的激光熔覆涂层的显微硬度为720.85HV0.2，显微硬度有所提高。这是由于加入氧化钛包覆的碳纳米管增强体的添加，其自身的比强度和比刚度极高，能够提高复合提出抵抗变形的能力，且在氧化钛保护的情况下，有更多的碳纳米管增强体完整的保留在激光熔覆涂层中，对激光熔覆涂层的基体组织具有较强的，增加了晶界面积，提升了激光熔覆涂层的显微硬度。
经测试，因加入氧化钛包覆的碳纳米管增强体的添加，实例3的激光熔覆涂层摩擦系数略降低，约为0.398152。这是因为，氧化钛包覆的碳纳米管增强体的高润滑性可有效降低涂层的摩擦系数，可见，碳纳米管不但增强涂层硬度，还具有解决因添加稀土CeO2和La2O3导致摩擦系数提高的负面效果的作用。
本发明通过特定的合金粉末、重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末，协同增强激光熔覆涂层的硬度和耐磨性能，使刀具刀刃具有高硬度、高耐磨、高耐蚀，且兼具强度和韧性的切削刀刃。
实施例2-本发明提供了一种刀具激光熔覆涂层的制备方法
本实施例2所述的高性能激光熔覆合金刀具，其刀具的激光熔覆涂层的原料粉末体系与实施例1的完全相同，不同之处在于，本发明提供了一种新的刀具激光熔覆涂层的制备方法，具体的，所述刀具激光熔覆涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性。
其中，在厨刀激光熔敷之前，粉末干燥程度将会影响输送粉末的稳定性，并导致熔敷层产生缺陷。因此，混合粉末在使用之前，需要进行烘干处理，并且粉末在烘干的过程中不能因为温度过高对粉末造成氧化。针对该情况，本发明采用DZF-6930真空干燥箱，确保混合粉末在真空状态下，烘干温度200℃，烘干时间2小时，粉末烘干结束之后将粉末加入送粉器中待用。
步骤(2)：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料铺设到刀具的表面。
在一种具体实施中，刀具的预处理还包括刀具预热装置，激光熔敷加工过程中，熔敷层产生裂纹、气孔、夹渣等问题的原因很多，但是，预热是有助于防止熔敷层出现缺陷很有效的一种措施。
在本发明中，实施例2采用的是预置粉末式，又称人工铺粉法，是指通过手工或重力器的方法在实验开始前将熔覆材料粉末体系铺设到要熔覆的刀具基体材料表面。
步骤(3)：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层；
其中，所述激光熔覆系统设置有超声震动辅助装置，超声震动辅助装置用于在对刀具进行激光熔覆过程中施加超声振动辅助熔覆。
如图1,所示，激光熔覆系统是本领域的现有技术，在本工艺中，采用专门针对刀具的激光熔敷加工工作系统，其主要由激光器、熔敷头、水冷系统、工作台、预热系统和一些外部辅助设备等组成。
其中，工艺参数是本领域技术人员根据硬件设备和原料粉末体系，进行合理设置可得到的，还可以通过正交试验对工艺参数进行最优化，为此，本发明不对工艺参数限定。在本实施例2中，参数设置为激光功率为1400W，扫描速度为5mm/s，光斑直径为4mm等。激光熔覆涂层同步施加超声振动，频率为20KHz，施加角度为45°，功率为350W。而为了防止涂层被高温氧化，在试验过程中采用体积分数99.9％的氮气作为保护气，气流量为15L/min。
实例4，选用实例3的原料粉末体系配方，原料粉末体系主要由合金粉末、按重量百分数0.8％的CeO2粉末、按重量百分数0.6％的稀土La2O3粉末和按重量百分数1.2％的碳纳米管增强体粉末混合后制得。其中，所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层。所述合金粉末包括以下组分：C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。采用上述工艺制备刀具。
对实例4的试样发现，在超声波功率为350W时，激光熔覆涂层的显微硬度达783.18HV0.2。这是因为超声波产生的空化效应和声流搅拌作用能够细化涂层组织，使得晶粒尺寸减小，晶核数量增多，起到细晶强化的作用。材料的屈服强度随着晶粒直径的减小而增大，因此晶粒细化有利于提高涂层的硬度，力学性能优异。
实施例3-本发明提供了一种高性能激光熔覆合金刀具的刀体
本实施例3的原料粉末体系及工艺与实施例1的完全相同，不同之处在于，所述刀具的刀刃为复合层结构，原料粉末体系熔覆在所述复合层结构的刀刃上。
其中，刀刃包括中间层和位于中间层两侧的增韧层；所述中间层为8Cr13MoV高碳高铬材料制成，所述增韧性层为低碳1Cr13不锈钢。刀刃通过不同性能材料复合制成，中心为高硬耐磨层，两侧为相对较软增韧层，复合层数还可以根据不同功能要求有5层等。
中间层较薄的是采用优异性能的8Cr13MoV高碳高铬材料，这种金属进行热处理之后拥有硬度高、耐磨损等特点，而侧面材料是性能一般的低碳1Cr13不锈钢，可以保护并提高刀刃韧性的作用，这种3层刀刃通过爆炸焊接结合成一整体。
采用激光熔敷处理之后断面形成了熔敷区、过渡区、基体(复合刀刃)三个区域。熔敷层和基体结合良好，且熔敷层内部组织致密，没有裂纹、气孔和夹杂等缺陷存在。这归功于所采用的原料粉末体系。熔敷层与复合刀刃表面彼此渗入、互相熔合，使过渡区能够获得良好的冶金结合。
通过此设计，协同稀土元素，协同赋予激光熔覆刀的刀刃极佳的韧性。
本实施例所述一种高性能激光熔覆合金刀具及其制备方法的其它结构参见现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种高性能激光熔覆合金刀具，其特征在于，所述刀具设置有激光熔覆涂层；
所述激光熔覆涂层的原料粉末体系由合金粉末、按重量百分数0.8%的粉末、按重量百分数0.6%的稀土/>粉末和按重量百分数1.2%的碳纳米管增强体粉末混合后制得；
其中，所述合金粉末包括以下组分：
C：0.46wt％，Cr：8wt％，Ni：3.2wt％，Si：2.4wt％，B：0.9wt％，Mn：0.32 wt％，Mo：1.0wt％，WC：10wt％，Cu：3.2wt％，Nb：0.6wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高性能激光熔覆合金刀具，其特征在于：
所述碳纳米管增强体粉末的原料碳纳米管设置有氧化钛包覆层。
3.根据权利要求2所述的一种高性能激光熔覆合金刀具，其特征在于：
所述刀具的刀刃为复合层结构，刀刃包括中间层和位于中间层两侧的增韧层；
所述中间层为8Cr13MoV高碳高铬材料制成，所述增韧层为低碳1Cr13不锈钢。
4.根据权利要求3所述的一种高性能激光熔覆合金刀具的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤（1）：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性；
步骤（2）：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料倒入激光熔覆系统的送粉器中；
步骤（3）：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层。
5.根据权利要求3所述的一种高性能激光熔覆合金刀具的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤（1）：按上述配比准备激光熔覆涂层的各粉末原料，将各粉末原料混合均匀，将混合后的混合粉料在高温下烘干2h，以保证粉末流动性；
步骤（2）：对刀具的表面清洗并烘干备用，将混合粉料铺设到刀具的表面；
步骤（3）：设置激光熔覆系统的工艺参数，对刀具进行激光熔覆，以在刀具上形成激光熔覆涂层；
其中，所述激光熔覆系统设置有超声震动辅助装置，超声震动辅助装置用于在对刀具进行激光熔覆过程中施加超声振动辅助熔覆。
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