CN115976512A - 一种镍基耐磨自润滑涂层及其超高速激光熔覆制备方法 - Google Patents

一种镍基耐磨自润滑涂层及其超高速激光熔覆制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基耐磨自润滑涂层及其超高速激光熔覆制备方法，该涂层由以下质量百分含量的原料制成：镍基合金粉末20%~40%、碳化物陶瓷粉末30%~45%，其余为镍包石墨粉末；该制备方法包括：一、对基体精磨后超声清洗得到预处理基体；二、将镍基合金粉末、碳化物陶瓷粉末和镍包石墨粉末混匀后烘干得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；三、采用镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对预处理基体进行超高速激光熔覆形成镍基耐磨自润滑涂层。本发明通过添加碳化物陶瓷硬质相提高了涂层的硬度并降低摩擦系数，结合添加镍包石墨粉末保证涂层具有优异的耐磨性能和自润滑性能；本发明采用超高速激光熔覆法实现了高性能薄涂层的精确调控和快速制备。

Description

一种镍基耐磨自润滑涂层及其超高速激光熔覆制备方法
技术领域
本发明属于耐磨自润滑涂层技术领域，具体涉及一种镍基耐磨自润滑涂层及其超高速激光熔覆制备方法。
背景技术
镍基合金由于具有优异的抗氧化性能、综合机械性能和耐腐蚀性能，在航空航天、交通运输、食品装备、石油化工和原子能发电等领域具有广泛的应用前景。摩擦工况下，镍基合金表面容易发生磨损失效行为，导致零部件的服役寿命降低，产生了不必要的生产成本。目前，常用的提升其表面耐磨性的方法是制备一层具有低摩擦系数的耐磨涂层。
在工业领域，对镍基合金零部件表面进行耐磨涂层制备的工艺通常有堆焊、热喷涂、化学镀和传统激光熔覆。堆焊的热输入大，基体容易发生显著的变形，涂层的稀释率高。热喷涂制备的涂层与基体间的结合方式为机械咬合，结合强度低，并且制备的涂层内含有大量的孔隙和粒子间界面，导致涂层的脆性较高，性能较差。化学镀制备效率低，形成镀层的厚度不易控制，且结合强度不高。传统激光熔覆技术绿色环保，制备的涂层与基体呈冶金结合，而且涂层内的组织结构致密，涂层耐磨性能较高。然而，该技术的线速度小于2m/min，熔覆面积在50cm2/min以下，熔覆效率低。同时，在熔覆过程中激光对基体的热影响大，导致涂层的稀释率大，对涂层的性能造成显著负面影响。因此，亟需开发新型的激光熔覆技术来解决目前存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种镍基耐磨自润滑涂层。该镍基耐磨自润滑涂层通过添加碳化物陶瓷硬质相，提高了涂层的硬度，并降低了涂层的摩擦系数，同时通过添加镍包石墨粉末，为涂层提供自润滑特性，并避免引入其他金属元素影响涂层的性能，保证了镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能和自润滑性能，解决现有涂层性能不佳的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该涂层由以下质量百分含量的原料制成：镍基合金粉末20%~40%、碳化物陶瓷粉末30%~45%，其余为镍包石墨粉末。
上述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述镍基合金粉末为Inconel718、Inconel 625或Inconel 690；所述碳化物陶瓷粉末为B4C、WC、TiC、SiC和Cr3C2中的一种或两种混合粉末，所述镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为20%~40%。
上述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述碳化物陶瓷粉末为B4C与WC、TiC、SiC或Cr3C2按照4~7:1~3的质量比组成的混合粉末。B4C颗粒的硬度最高，采用B4C作为碳化物陶瓷粉末的主相，有利于保证镍基耐磨自润滑涂层的耐磨性能。
上述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述镍基耐磨自润滑涂层的厚度控制为110μm~450μm，稀释率控制为3%~8%。该厚度保证了镍基耐磨自润滑涂层不会因过高的热应力而导致涂层脱落，该稀释率保证了镍基耐磨自润滑涂层中的杂质含量低，避免因其他金属元素影响涂层的性能。
另外，本发明还提供了一种超高速激光熔覆制备如上述的镍基耐磨自润滑涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将镍基合金粉末、碳化物陶瓷粉末和镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中进行烘干处理，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为1.5kW~2.5kW，光斑直径为1mm~3mm，熔覆线速度为12m/min~30m/min，送粉速率为25g/min~45g/min，保护气流量为4L/min~8L/min，搭接率为70%~85%。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体为GH738、Inconel 718、Inconel 625或Inconel 690。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述镍基合金粉末粒径为15μm~45μm，所述碳化物陶瓷粉末粒径为45μm~75μm，所述镍包石墨粉末粒径为15μm~45μm。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述烘干处理的温度为75℃~100℃，时间为0.5h~3h。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述氩气的体积纯度为99.99%以上。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的镍基耐磨自润滑涂层通过添加碳化物陶瓷硬质相，提高了涂层的硬度，并降低了涂层的摩擦系数，同时通过添加镍包石墨粉末，一方面有效避免石墨在制备过程中反应，为涂层提供自润滑特性，另一方面避免在涂层中引入其他金属元素影响涂层的性能，从而保证了镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能和自润滑性能。
2、本发明采用超高速激光熔覆法在基体表面形成的镍基耐磨自润滑涂层组织均匀致密，无空隙和裂缝等缺陷，且涂层的稀释率低，硬度高，耐磨性能优异，显著提升了镍基合金零部件的服役寿命。
3、本发明通过调节超高速激光熔覆法的工艺参数实现了高性能薄涂层的精确调控和快速制备，且厚度误差可精确控制在20μm内，不产生废弃物，绿色环保，易于实现。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的镍基耐磨自润滑涂层的宏观形貌图。
图2为本发明实施例1制备的镍基耐磨自润滑涂层的微观形貌图。
图3为本发明实施例1制备的镍基耐磨自润滑涂层与GH738镍基合金基体硬度的变化曲线图。
图4为本发明实施例1制备的镍基耐磨自润滑涂层与GH738镍基合金基体摩擦系数的变化曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 718粉末40%，碳化物陶瓷粉末30%，且碳化物陶瓷粉末为WC，镍包石墨粉末30%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为25%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对GH738镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为45μm的Inconel 718粉末、粒径为45μm的WC粉末和粒径为30μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在100℃下进行烘干处理3h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为250μm，稀释率为3%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为2.5kW，光斑直径为2mm，熔覆线速度为15.6m/min，送粉速率为25g/min，保护气流量为4L/min，搭接率为80%。
图1为本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层的宏观形貌图，从图1可以看出，该镍基耐磨自润滑涂层中无孔隙及裂纹等缺陷，且镍基耐磨自润滑涂层与GH738镍基合金基体呈冶金结合。
图2为本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层的微观形貌图，从图2可看出，该镍基耐磨自润滑涂层致密，且组织结构均匀。
图3为本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层与GH738镍基合金基体硬度的变化曲线图，从图3可以看出，该镍基耐磨自润滑涂层的显微硬度最高可达737.8 HV0.05，显著高于GH738镍基合金基体的硬度。
图4为本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层与GH738镍基合金基体摩擦系数的变化曲线图，从图4可以看出，该镍基耐磨自润滑涂层的平均摩擦系数为0.168，远远低于GH738镍基合金基体的摩擦系数，磨损率为1.2×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例2
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 718粉末20%，碳化物陶瓷粉末40%，且碳化物陶瓷粉末为SiC，镍包石墨粉末40%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为30%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对GH738镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为35μm的Inconel 718粉末、粒径为50μm的SiC粉末和粒径为45μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在75℃下进行烘干处理1.5h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为110μm，稀释率为8%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为2.5kW，光斑直径为2mm，熔覆线速度为20.5m/min，送粉速率为40g/min，保护气流量为7L/min，搭接率为75%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达675.4HV0.05，平均摩擦系数为0.196，磨损率为4.3×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例3
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 690粉末38%，碳化物陶瓷粉末40%，且碳化物陶瓷粉末为B4C，镍包石墨粉末22%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为35%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对Inconel 718镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为40μm的Inconel 690粉末、粒径为60μm的B4C粉末和粒径为20μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在95℃下进行烘干处理2.5h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为300μm，稀释率为6%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为2.0kW，光斑直径为1mm，熔覆线速度为25.6m/min，送粉速率为30g/min，保护气流量为6L/min，搭接率为80%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达696.4HV0.05，平均摩擦系数为0.183，磨损率为3.1×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例4
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 625粉末25%，碳化物陶瓷粉末35%，且碳化物陶瓷粉末为B4C与SiC按照4:1的质量比组成的混合粉末，镍包石墨粉末40%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为20%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对Inconel 718镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为30μm的Inconel 625粉末、粒径为65μm的B4C和SiC粉末，以及粒径为35μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在90℃下进行烘干处理0.5h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为200μm，稀释率为4%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为1.5kW，光斑直径为3mm，熔覆线速度为18.7m/min，送粉速率为35g/min，保护气流量为8L/min，搭接率为70%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达723.1HV0.05，平均摩擦系数为0.178，磨损率为3.7×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例5
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 718粉末35%，碳化物陶瓷粉末45%，且碳化物陶瓷粉末为B4C与TiC按照7:3的质量比组成的混合粉末，镍包石墨粉末20%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为40%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对Inconel 690镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为25μm的Inconel 718粉末、粒径为75μm的B4C和TiC粉末，以及粒径为15μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在90℃下进行烘干处理2h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为450μm，稀释率为5%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为2.5kW，光斑直径为3mm，熔覆线速度为30m/min，送粉速率为45g/min，保护气流量为5L/min，搭接率为85%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达756.8HV0.05，平均摩擦系数为0.203，磨损率为6.5×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例6
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 690粉末30%，碳化物陶瓷粉末45%，且碳化物陶瓷粉末为B4C与Cr3C2按照5:2的质量比组成的混合粉末，镍包石墨粉末25%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为30%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对Inconel 625镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为15μm的Inconel 690粉末、粒径为55μm的B4C和Cr3C2粉末，以及粒径为15μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在85℃下进行烘干处理4h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为400μm，稀释率为7%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为2.2kW，光斑直径为1mm，熔覆线速度为12.8m/min，送粉速率为35g/min，保护气流量为5L/min，搭接率为75%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达683.2HV0.05，平均摩擦系数为0.162，磨损率为2.6×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
实施例7
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层由以下质量百分含量的原料制成：Inconel 625粉末26%，碳化物陶瓷粉末30%，且碳化物陶瓷粉末为B4C与WC按照6:1的质量比组成的混合粉末，镍包石墨粉末44%，且镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为38%。
本实施例的镍基耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对Inconel 690镍基合金基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将粒径为25μm的Inconel 625粉末、粒径为70μm的B4C和WC粉末，以及粒径为30μm的镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中在75℃下进行烘干处理0.5h，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成厚度为350μm，稀释率为6%的镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用体积纯度为99.99%的氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为1.8kW，光斑直径为2mm，熔覆线速度为12m/min，送粉速率为25g/min，保护气流量为6L/min，搭接率为85%。
经检测，本实施例制备的镍基耐磨自润滑涂层无孔隙和裂纹等缺陷，组织结构均匀，且显微硬度达714.3HV0.05，平均摩擦系数为0.171，磨损率为1.5×10-5mm3/N·m，说明该镍基耐磨自润滑涂层具有优异的耐磨性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该涂层由以下质量百分含量的原料制成：镍基合金粉末20%~40%、碳化物陶瓷粉末30%~45%，其余为镍包石墨粉末。
2.根据权利要求1所述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述镍基合金粉末为Inconel 718、Inconel 625或Inconel 690；所述碳化物陶瓷粉末为B4C、WC、TiC、SiC和Cr3C2中的一种或两种混合粉末，所述镍包石墨粉末中石墨的质量百分含量为20%~40%。
3.根据权利要求2所述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述碳化物陶瓷粉末为B4C与WC、TiC、SiC或Cr3C2按照4~7:1~3的质量比组成的混合粉末。
4.根据权利要求1所述的一种镍基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述镍基耐磨自润滑涂层的厚度控制为110μm~450μm，稀释率控制为3%~8%。
5.一种超高速激光熔覆制备如权利要求1~4中任一权利要求所述的镍基耐磨自润滑涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体的待熔覆区域进行精磨处理，然后采用丙酮在超声清洗机内进行超声清洗，得到预处理基体；
步骤二、将镍基合金粉末、碳化物陶瓷粉末和镍包石墨粉末进行机械混合均匀，然后放入真空干燥箱中进行烘干处理，得到镍基耐磨自润滑涂层原料粉末；
步骤三、采用步骤二中的镍基耐磨自润滑涂层原料粉末对步骤一中的预处理基体进行超高速激光熔覆，形成镍基耐磨自润滑涂层；所述超高速激光熔覆的工艺参数为：采用氩气作为送粉气体和保护气体，利用同轴送粉的方式，激光功率为1.5kW~2.5kW，光斑直径为1mm~3mm，熔覆线速度为12m/min~30m/min，送粉速率为25g/min~45g/min，保护气流量为4L/min~8L/min，搭接率为70%~85%。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体为GH738、Inconel 718、Inconel 625或Inconel 690。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述镍基合金粉末粒径为15μm~45μm，所述碳化物陶瓷粉末粒径为45μm~75μm，所述镍包石墨粉末粒径为15μm~45μm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述烘干处理的温度为75℃~100℃，时间为0.5h~3h。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述氩气的体积纯度为99.99%以上。
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