CN116555758A - 一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 - Google Patents
一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116555758A CN116555758A CN202310829509.6A CN202310829509A CN116555758A CN 116555758 A CN116555758 A CN 116555758A CN 202310829509 A CN202310829509 A CN 202310829509A CN 116555758 A CN116555758 A CN 116555758A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gradient
- coating
- gradient layer
- cermet
- metal ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 100
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 89
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 50
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 46
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims description 33
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 7
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 6
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 230000035882 stress Effects 0.000 abstract description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 230000035772 mutation Effects 0.000 abstract description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000013329 compounding Methods 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 7
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 5
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 2
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
- C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
- C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明属于金属陶瓷材料领域，公开了一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用。金属陶瓷梯度涂层包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 65‑80wt%、WC 0‑15wt%、Cu 8‑12wt%和Ni 8‑12wt%；第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 80‑90wt%、WC 10‑20wt%。本发明通过对各梯度层的原料组分进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了涂层中裂纹和气孔的产生，提高了涂层的硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于金属陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用。
背景技术
铜及铜合金因具有优异的导电、导热性能及高塑性, 被广泛应用于电子电气、冶金工业、航空航天等领域。然而, 当铜及铜合金作为苛刻工况下的零件材料时, 如冶金生产中的连铸结晶器，直接使用很难满足耐磨的工况要求。采用表面强化技术在铜及其合金表面制备功能梯度涂层对于提高涂层与基体的结合强度，赋予材料表面新的功能具有独到的优越性。
由于高性能的梯度涂层材料良好的耐磨、耐热性能以及优异的热膨胀匹配能力而被广泛用作铜冷却器、高炉风口等的防护涂层。铜及铜合金在约1000℃的恶劣环境中工作寿命很短。采用在高炉风口表面涂覆一层梯度防护涂层，则可使其寿命大大延长。
在金属陶瓷涂层的制备中，激光熔覆是一种重要的工艺，它通过最少的热能输入对金属陶瓷层进行部分重熔，得到的熔融层较为密实，能够降低涂层裂纹及剥落。激光熔覆Ni基WC金属陶瓷涂层是目前研究较多的一种金属陶瓷涂层，但在激光熔覆Ni基WC金属陶瓷技术中，还存在很多技术问题亟待解决，主要表现为涂层的开裂和气孔。激光熔覆Ni基WC涂层气孔主要来源于WC的高温烧损，WC烧损产生的C与空气中的氧气反应生成CO和CO2气体，这些气体在激光熔覆过程中来不及溢出熔池而形成气孔。同时，由于激光熔覆是快速加热和凝固过程，凝固过程中容易造成内应力，一旦释放就会产生裂纹。材料间热膨胀系数、弹性模量的差别及熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，当应力的产生与集中大于材料的屈服强度时，则会导致裂纹的产生。
因此，亟需研发一种金属陶瓷梯度涂层，使之可抑制裂纹和气孔的产生，从而提高涂层的硬度和耐磨，以更好地适应恶劣的应用工况。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用，采用WC、Cu和Ni增强Ni60，并形成不同组分和结构的梯度变化，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，以消除组织性能突变；并结合特定的制备工艺条件，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了裂纹和气孔的产生，进而提高涂层的硬度和耐磨性。
为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种金属陶瓷梯度涂层，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 65-80wt%、WC 0-15wt%、Cu 8-12wt%和Ni 8-12wt%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 80-90wt%、WC 10-20wt%。
具体地，本发明以Ni60合金粉末为主要原料，并在与铜基板直接相连的第一梯度层中添加一定量的WC、Ni和Cu，最外层的第二梯度层中则仅添加一定量的WC，形成不同组分和结构的梯度涂层。其中：Ni60合金粉末具有较高的硬度和耐磨性，且与WC粒子具有良好的润湿性；同时Ni60合金粉末中大量的Ni元素与Fe、C、B等元素在激光熔覆的过程中将结合形成FexC铁碳化合物、(Fe, Ni)23C6和Ni4B固溶体，一方面可以降低粘结相中C的含量，避免CO和CO2气体的产生；另一方面还可以对涂层起到固溶强化作用；再者Ni与Cu都是面心立方结构，二者可以通过置换晶粒内的原子而实现无限固溶，且 Ni与Cu 的润湿性好、热物参数相近，Ni 基合金粉末可与铜基板形成具有良好界面结合性能的覆层。
此外，在激光熔覆过程中，WC颗粒将经历溃散-熔解-扩散控制热损伤。在这个过程中，较小的WC颗粒完全熔融，在重新凝固过程中，这些WC颗粒提供了很好的非均匀成核核心或基底，与Ni基合金液中的溶质相互作用后，所形成的小颗粒群有利于提高涂层的耐腐蚀性能；并且一定量WC的加入，在WC颗粒附近将形成微区定向凝固，可大幅度地提高涂层综合性能。
因此，本发明通过对各梯度层的原料进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了涂层中裂纹和气孔的产生，进而提高了涂层的硬度和耐磨性。
作为上述方案的进一步改进，所述Ni60的化学组成，按重量百分比计为：C 0.6-1.0wt%、Cr 14-17wt%、B 2.5-4.5wt%、Si 3-4.5wt%、Fe≤15wt%，杂质≤0.7wt%，余量为Ni。
具体地，Ni60的主要成分为Ni元素，在激光熔融过程中可与其他元素形成固溶体，在减少气孔产生的同时，提高涂层的综合性能。
作为上述方案的进一步改进，所述Ni60、Ni和Cu的粉末粒度均为150-300目。
作为上述方案的进一步改进，所述WC的粉末粒度为150-270目。
具体地，Ni60/WC涂层的裂纹率与激光功率成正比，通过控制Ni60和WC的粒度，一是为了控制激光的功率，二是使WC颗粒可以部分溶解，溶解后的WC将与熔池中的其他元素形成合金碳化物，起到晶界强化的作用，并使其形状由拟球形转变为椭圆形，对熔覆层基体的割裂作用减弱；同时，椭圆形的WC颗粒因无尖锐棱角而不易产生应力集中，在应力作用下不易萌生裂纹，多种因素的共同作用，使熔覆层抗剪强度增大。
作为上述方案的进一步改进，所述第一梯度层的厚度为0.6-0.8mm，所述第二梯度层的厚度0.8-1.0mm。
具体地，采用不同厚度的梯度层熔覆于铜基板表面，不仅有利形成梯度结构变化，更有利于减少WC颗粒的沉积，从而提高涂层的综合性能。
本发明第二方面提供了一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，所述制备方法用于制备本发明第一方面所述的金属陶瓷梯度涂层，包括以下步骤：
（1）将第一梯度层和第二梯度层的制备原料分别进行超声混合，然后在保护气氛下研磨、真空干燥，得第一预混料和第二预混料；
（2）采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆所述第一预混料和第二预混料，形成第一梯度层和第二梯度层，得所述金属陶瓷梯度涂层。
作为上述方案的进一步改进，在进行所述激光熔覆的过程中外加磁场，所述磁场的磁场强度为20-60mT。
具体地，由于熔池流动以及WC的密度较大，WC在熔覆过程中易沉底，本发明在加工过程中采用外加磁场调控WC颗粒的分布，以细化涂层组织，促进硬质相的产生，有利于提升涂层的硬度。
优选的，所述外加磁场采用横向 U 型卧式电磁铁提供。
作为上述方案的进一步改进，在进行所述激光熔覆前还包括对所述铜基板进行预热的步骤，所述预热的温度为400-600℃。
具体地，研究发现，在激光熔覆前通过对铜基板进行预热有利于降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向和纵向温度梯度，从而有效减少涂层的开裂敏感性。
作为上述方案的进一步改进，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1500-2500W，光斑直径为2-4mm，光斑扫描速度为8-11mm/s，送粉速率为12-15g/min，离焦量为12-14mm，激光头角度为2-4°，载粉气体为流量为18-23L/min的氩气。
本发明第三方面提供了本发明第一方面所述的金属陶瓷梯度涂层在防护涂层中的应用。
优选的，所述防护涂层包括高炉风口、连铸结晶器的防护涂层。
本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：
本发明采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆第一梯度层和第二梯度层，以形成
金属陶瓷梯度涂层，并通过对各梯度层的原料组分进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了涂层中裂纹和气孔的产生，提高了涂层的硬度和耐磨性。实现显微硬度为800-1300HV1.0，摩擦磨损系数为0.55-0.8，可适用于工业恶劣的工况。
附图说明
图1为实施例1制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图2为实施例2制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图3为实施例3制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图4为实施例4制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图5为实施例5制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图6为对比例1制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图7为对比例2制得的金属陶瓷梯度涂层的截面显微形貌图；
图8为实施例1制得的金属陶瓷梯度涂层的摩擦磨损系数图；
图9为实施例2制得的金属陶瓷梯度涂层的摩擦磨损系数图；
图10为实施例3制得的金属陶瓷梯度涂层的摩擦磨损系数图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种金属陶瓷梯度涂层，包括第一梯度层和第二梯度层，第一梯度层和第二梯度层依次激光熔覆于铜基板表面。
其中：按重量百分比计，第一梯度层的原料组分包括：Ni60 80wt%、Cu 10wt%和Ni10wt%；按重量百分比计，所述第二梯度层的原料组分包括：Ni60 90wt%、WC 10wt%；Ni60粉末为球形粉，粒度为150-300目；WC粉末为拟球形粉，粒度为150-270目；Cu粉末为球形粉，粒度为150-300目；Ni粉末为球形粉，粒度为150-300目。
按重量百分比计，Ni60的化学组成为：C 0.8wt%、Cr 16wt%、B 3wt%、Si 3.5wt%、Fe14.8wt%，杂质≤0.7wt%，余量为Ni。
第一梯度层的厚度为0.6mm；第二梯度层的厚度1.0mm。
一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量配比分别称取第一梯度层和第二梯度层的制备原料，然后分别进行超声混合，再在保护气氛（氮气）下分别进行研磨，100℃真空干燥8小时，得第一预混料和第二预混料；
（2）选取尺寸为长×宽×厚度= 250mm×250mm×18mm的铜基板作为基体材料，先将铜基板在550℃进行预热30分钟；然后采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆步骤（1）制得的第一预混料和第二预混料，并在熔覆的过程中采用PEM-5005H 横向U型卧式电磁铁外加磁场强度为40mT的磁场，形成第一梯度层和第二梯度层，制得本实施的金属陶瓷梯度涂层。
其中：激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000W，光斑直径为2mm，光斑扫描速度为10mm/s，送粉速率为13.5g/min，离焦量为14mm，激光头角度为4°，载粉气体为流量为20.1L/min的氩气。
实施例2
一种金属陶瓷梯度涂层，包括第一梯度层和第二梯度层，第一梯度层和第二梯度层依次激光熔覆于铜基板表面。
其中：按重量百分比计，第一梯度层的原料组分包括：Ni60 70wt%、WC 10wt%、Cu10wt%和Ni 10wt%；按重量百分比计，所述第二梯度层的原料组分包括：Ni60 85wt%、WC15wt%；Ni60粉末为球形粉，粒度为150-300目；WC粉末为拟球形粉，粒度为150-270目；Cu粉末为球形粉，粒度为150-300目；Ni粉末为球形粉，粒度为150-300目。
按重量百分比计，Ni60的化学组成为：C 0.8wt%、Cr 16wt%、B 3wt%、Si 3.5wt%、Fe14.8wt%，杂质≤0.7wt%，余量为Ni。
第一梯度层的厚度为0.8mm；第二梯度层的厚度0.9mm。
一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量配比分别称取第一梯度层和第二梯度层的制备原料，然后分别进行超声混合，再在保护气氛（氮气）下分别进行研磨，100℃真空干燥8小时，得第一预混料和第二预混料；
（2）选取尺寸为长×宽×厚度= 250mm×250mm×18mm的铜基板作为基体材料，先将铜基板在500℃进行预热30分钟；然后采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆步骤（1）制得的第一预混料和第二预混料，并在熔覆的过程中采用PEM-5005H 横向U型卧式电磁铁外加磁场强度为30mT的磁场，形成第一梯度层和第二梯度层，制得本实施的金属陶瓷梯度涂层。
其中：激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2100W，光斑直径为2mm，光斑扫描速度为9.8mm/s，送粉速率为13.5g/min，离焦量为14mm，激光头角度为4°，载粉气体为流量为20L/min的氩气。
实施例3
一种金属陶瓷梯度涂层，包括第一梯度层和第二梯度层，第一梯度层和第二梯度层依次激光熔覆于铜基板表面。
其中：按重量百分比计，第一梯度层的原料组分包括：Ni60 65wt%、WC 15wt%、Cu10wt%和Ni 10wt%；按重量百分比计，所述第二梯度层的原料组分包括：Ni60 80wt%、WC20wt%；Ni60粉末为球形粉，粒度为150-300目；WC粉末为拟球形粉，粒度为150-270目；Cu粉末为球形粉，粒度为150-300目；Ni粉末为球形粉，粒度为150-300目。
按重量百分比计，Ni60的化学组成为：C 0.8wt%、Cr 16wt%、B 3wt%、Si 3.5wt%、Fe≤14.8wt%，杂质≤0.7wt%，余量为Ni。
第一梯度层的厚度为0.7mm；第二梯度层的厚度0.8mm。
一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量配比分别称取第一梯度层和第二梯度层的制备原料，然后分别进行超声混合，再在保护气氛（氮气）下分别进行研磨，100℃真空干燥8小时，得第一预混料和第二预混料；
（2）选取尺寸为长×宽×厚度= 250mm×250mm×18mm的铜基板作为基体材料，先将铜基板在600℃进行预热30分钟；然后采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆步骤（1）制得的第一预混料和第二预混料，并在熔覆的过程中采用PEM-5005H 横向U型卧式电磁铁外加磁场强度为60mT的磁场，形成第一梯度层和第二梯度层，制得本实施的金属陶瓷梯度涂层。
其中：激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2200W，光斑直径为2mm，光斑扫描速度为9.6mm/s，送粉速率为12.5g/min，离焦量为14mm，激光头角度为4°，载粉气体为流量为20.1L/min的氩气。
实施例4
实施例4的金属陶瓷梯度涂层的结构及各层的原料组分均与实施例1相同。
一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量配比分别称取第一梯度层和第二梯度层的制备原料，然后分别进行超声混合，再在保护气氛（氮气）下分别进行研磨，100℃真空干燥8小时，得第一预混料和第二预混料；
（2）选取尺寸为长×宽×厚度= 250mm×250mm×18mm的铜基板作为基体材料，采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆步骤（1）制得的第一预混料和第二预混料，并在熔覆的过程中采用PEM-5005H 横向 U 型卧式电磁铁外加磁场强度为40mT的磁场，形成第一梯度层和第二梯度层，制得本实施的金属陶瓷梯度涂层。
其中：激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000W，光斑直径为2mm，光斑扫描速度为10mm/s，送粉速率为13.5g/min，离焦量为14mm，激光头角度为4°，载粉气体为流量为20.1L/min的氩气。
实施例4的金属陶瓷梯度涂层的制备方法与实施例1相比，区别仅在于，实施例4在进行激光熔覆前未对铜基板进行预热。
实施例5
实施例5的金属陶瓷梯度涂层的结构及各层的原料组分均与实施例1相同。
一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量配比分别称取第一梯度层和第二梯度层的制备原料，然后分别进行超声混合，再在氮气气氛下分别进行研磨，100℃真空干燥8小时，得第一预混料和第二预混料；
（2）选取尺寸为长×宽×厚度= 250mm×250mm×18mm的铜基板作为基体材料，先将铜基板在550℃进行预热30分钟；然后采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆步骤（1）制得的第一预混料和第二预混料，形成第一梯度层和第二梯度层，制得本实施的金属陶瓷梯度涂层。
其中：激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000W，光斑直径为2mm，光斑扫描速度为10mm/s，送粉速率为13.5g/min，离焦量为14mm，激光头角度为4°，载粉气体为流量为20.1L/min的氩气。
实施例5的金属陶瓷梯度涂层的制备方法与实施例1相比，区别仅在于，实施例5在进行激光熔覆过程中未外加磁场。
对比例1
对比例1与实施例1的区别仅在于，对比例1的金属陶瓷梯度涂层的第一梯度层的原料组分中不含Ni。第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 90wt%和Cu10wt%。
对比例2
对比例2与实施例1的区别仅在于，对比例2的金属陶瓷梯度涂层的第一梯度层的原料组分中不含Cu。第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 90wt%和Ni10wt%。
性能测试
1、显微结构
采用光学显微镜对实施例1-5和对比例1-2制得的金属陶瓷梯度涂层的截面的显微结构进行检测，测试结果分别如图1-7所示。从图1-3可以看出，实施例1-3制得的金属陶瓷梯度涂层中，WC颗粒弥散分布于涂层中，且涂层中无气孔和裂纹。从图4可以看出，由于实施例4在进行激光熔覆前未对铜基板进行预热，激光熔覆温度梯度过大导致涂层中出现明显裂纹。从图5可以看出，由于实施例5在进行激光熔覆过程中未外加磁场，WC颗粒由于自身密度与熔池流动出现沉底且其与Cu颗粒的物性参数相差较大，造成了涂层的开裂。从图6-7可以看出，由于第一梯度层的原料组分中不含Ni或Cu，涂层与基体未形成良好的冶金结合。
2、显微硬度
采用显微硬度计对实施例1-5和对比例1-2制得的金属陶瓷梯度涂层进行硬度测试，沿垂直于涂层方向每隔100μm进行多点测试，载荷为1000g，加载时间为10s，测得的硬度值如表1所示。
表1：实施例1-5和对比例1-2制得的金属陶瓷梯度涂层的显微硬度对比表
由表1可知，随着WC含量的增加，涂层的硬度也随之增加，实施例4-5和对比例1-2与实施例1相比，主要体现不同工艺参数以及组分对涂层显微硬度的影响。这里需要指出的是，实施例5与实施例1相比，其显微硬度变化跨度较大，主要是由于WC的沉底聚积造成了在靠近基材的地方硬度很高，而在离基材比较远的地方硬度偏低。
3、耐磨
采用摩擦磨损试验机对各实施例1-3制得的金属陶瓷梯度涂层进行摩擦磨损测试，摩擦副为Si3N4球，往复磨擦10mm，载荷为10N，速度为0.05m/s，滑动距离为200m，测得的摩擦磨损系数图如图8-10所示。由图8-10可知，实施例1-3制得的金属陶瓷梯度涂层的摩擦系数分别为0.6689，0.6982，0.6683，较铜基板的磨擦系数0.3083明显提高。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种金属陶瓷梯度涂层，其特征在于，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 65-80wt%、WC0-15wt%、Cu 8-12wt%和Ni 8-12wt%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 80-90wt%、WC 10-20wt%。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷梯度涂层，其特征在于，所述Ni60的化学组成，按重量百分比计为：C 0.6-1.0wt%、Cr 14-17wt%、B 2.5-4.5wt%、Si 3-4.5wt%、Fe≤15wt%，杂质≤0.7wt%，余量为Ni。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷梯度涂层，其特征在于，所述Ni60、Ni和Cu的粉末粒度均为150-300目。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷梯度涂层，其特征在于，所述WC的粉末粒度为150-270目。
5.根据权利要求1所述的金属陶瓷梯度涂层，其特征在于，所述第一梯度层的厚度为0.6-0.8mm，所述第二梯度层的厚度0.8-1.0mm。
6.一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1至5任意一项所述的金属陶瓷梯度涂层，包括以下步骤：
（1）将第一梯度层和第二梯度层的制备原料分别进行超声混合，然后在保护气氛下分别研磨、真空干燥，得第一预混料和第二预混料；
（2）采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆所述第一预混料和第二预混料，形成第一梯度层和第二梯度层，得所述金属陶瓷梯度涂层。
7.根据权利要求6所述的金属陶瓷梯度涂层的制备方法，其特征在于，在进行所述激光熔覆的过程中外加磁场，所述磁场的磁场强度为20-60mT。
8.根据权利要求6所述的金属陶瓷梯度涂层的制备方法，其特征在于，在进行所述激光熔覆前还包括对所述铜基板进行预热的步骤，所述预热的温度为400-600℃。
9.根据权利要求6所述的金属陶瓷梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1500-2500W，光斑直径为2-4mm，光斑扫描速度为8-11mm/s，送粉速率为12-15g/min，离焦量为12-14mm，激光头角度为2-4°，载粉气体为流量为18-23L/min的氩气。
10.权利要求1至5任意一项所述的金属陶瓷梯度涂层在防护涂层中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310829509.6A CN116555758B (zh) | 2023-07-07 | 2023-07-07 | 一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310829509.6A CN116555758B (zh) | 2023-07-07 | 2023-07-07 | 一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116555758A true CN116555758A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116555758B CN116555758B (zh) | 2023-11-14 |
Family
ID=87503818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310829509.6A Active CN116555758B (zh) | 2023-07-07 | 2023-07-07 | 一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116555758B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117418143A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 汕头大学 | 陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101077644A (zh) * | 2006-05-26 | 2007-11-28 | 南京盛润科技有限公司 | 梯度复合材料及制备方法 |
| CN101532133A (zh) * | 2009-04-21 | 2009-09-16 | 广州有色金属研究院 | 一种铜基结晶器表面激光熔敷方法 |
| CN105420723A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-03-23 | 平高集团有限公司 | 一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法 |
| CN110144582A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-20 | 西安交通大学 | 一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法 |
| CN111020568A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-17 | 广东工业大学 | 一种抑制熔覆层开裂的激光熔覆方法及其制备的熔覆层 |
| CN112281153A (zh) * | 2020-07-21 | 2021-01-29 | 安徽马钢表面技术股份有限公司 | 一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法 |
| WO2021240696A1 (ja) * | 2020-05-27 | 2021-12-02 | 三島光産株式会社 | 連続鋳造用鋳型及び連続鋳造用鋳型の製造方法 |
| CN114507853A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-17 | 济南森峰激光科技股份有限公司 | 一种镁合金表面梯度陶瓷复合涂层激光熔覆制备方法 |
| CN115976390A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-04-18 | 宜宾上交大新材料研究中心 | 镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法 |
-
2023
- 2023-07-07 CN CN202310829509.6A patent/CN116555758B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101077644A (zh) * | 2006-05-26 | 2007-11-28 | 南京盛润科技有限公司 | 梯度复合材料及制备方法 |
| CN101532133A (zh) * | 2009-04-21 | 2009-09-16 | 广州有色金属研究院 | 一种铜基结晶器表面激光熔敷方法 |
| CN105420723A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-03-23 | 平高集团有限公司 | 一种激光熔覆材料及其制备方法，铝青铜基表面改性材料及其制备方法 |
| CN110144582A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-20 | 西安交通大学 | 一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法 |
| CN111020568A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-17 | 广东工业大学 | 一种抑制熔覆层开裂的激光熔覆方法及其制备的熔覆层 |
| WO2021240696A1 (ja) * | 2020-05-27 | 2021-12-02 | 三島光産株式会社 | 連続鋳造用鋳型及び連続鋳造用鋳型の製造方法 |
| CN112281153A (zh) * | 2020-07-21 | 2021-01-29 | 安徽马钢表面技术股份有限公司 | 一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法 |
| CN114507853A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-17 | 济南森峰激光科技股份有限公司 | 一种镁合金表面梯度陶瓷复合涂层激光熔覆制备方法 |
| CN115976390A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-04-18 | 宜宾上交大新材料研究中心 | 镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117418143A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 汕头大学 | 陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用 |
| CN117418143B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-03-26 | 汕头大学 | 陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116555758B (zh) | 2023-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Barmouz et al. | On the role of processing parameters in producing Cu/SiC metal matrix composites via friction stir processing: investigating microstructure, microhardness, wear and tensile behavior | |
| CN111168591B (zh) | 金刚石磨具及其制备方法 | |
| CN116555758B (zh) | 一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用 | |
| CN112281157B (zh) | 一种激光熔覆原位合成陶瓷相增强铜基熔覆层的制备方法 | |
| US9375811B2 (en) | Active metal brazing material | |
| CN110804711A (zh) | 一种高熵合金粉末及激光熔覆层制备方法和应用 | |
| Yinghua et al. | Improving the microstructure and mechanical properties of laser cladded Ni-based alloy coatings by changing their composition: A review | |
| CN108866538B (zh) | 激光熔覆原位合成复合碳化物(Ti,Nb)C强化Ni基涂层及制备 | |
| CN110643877A (zh) | 一种含W、Mn、Si、B、C及稀土元素的TiAl金属间化合物 | |
| Cheng et al. | Tribology property of laser cladding crack free Ni/WC composite coating | |
| Lu et al. | Effect of Cu-P-Sn on brazing diamond with Ni-based filler alloy | |
| Hong et al. | In-situ reinforced phase evolution and wear resistance of nickel-based composite coatings fabricated by wide-band laser cladding with Nb addition | |
| JP6866964B1 (ja) | Ｎｉ基合金、Ｎｉ基合金粉末、Ｎｉ基合金部材、およびＮｉ基合金部材を備えた製造物 | |
| Mertens et al. | On the elaboration of metal-ceramic composite coatings by laser cladding | |
| Mahdi et al. | Vacuum brazed Ni-based coating reinforced with core-shell WC@ Cu/Co-P | |
| CN110760837A (zh) | 钢铁表面激光熔覆陶瓷增强Ni基复合涂层及其制备方法 | |
| Xie et al. | Microstructural evolution and mechanical properties of Ni-based superalloy joints brazed using a ternary Ni-WB amorphous brazing filler metal | |
| Wang et al. | Joining of Cf/SiC and stainless steel with (Cu–Ti)+ C composite filler to obtain a stress-relieved and high-temperature resistant joint | |
| CN117418143B (zh) | 陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用 | |
| CN109825745B (zh) | 一种具有高综合性能的合金材料及其制备方法 | |
| CN111549341A (zh) | 镍基激光熔覆粉末及其制备方法和用途 | |
| CN113652586A (zh) | 一种选区激光熔化专用纳米改性钨合金及其制备方法 | |
| CN113862662B (zh) | 一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法 | |
| CN114540667B (zh) | 一种高韧钛合金及其制备方法 | |
| Cui et al. | Comparative analysis of the brazing mechanism and wear characteristics of brazed diamond abrasive with Zr-alloyed Cu-based filler metals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |