CN116716605A - 激光熔覆制备zta陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属基复合材料表面涂层领域，提出了激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法，用于将陶瓷颗粒的耐磨性和Fe基体的高韧性结合起来，制备耐磨复合涂层，其制备步骤如下：配置粘结剂；制备Fe基金属粉末；ZTA颗粒改性处理；制备复合材料混合粉末；预置层涂敷；激光熔覆制备耐磨涂层，本发明利用激光熔覆技术制备耐磨涂层，可以实现已经磨损的设备的修复再制造，进一步延长其使用寿命，利用激光熔覆技术制备表面耐磨复合层，耗时短，效率更高，且增强陶瓷颗粒与基体结合强度更高，表面耐磨层性能更好。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料表面涂层领域，具体涉及激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法。
背景技术
在矿山机械和环保等行业中，许多工件都在冲击载荷下承受磨料磨损，如掘进机的掘进齿、破碎机的锤头和齿板等均在冲击和磨料的综合作用下发生磨损和失效。冲击磨料磨损是一种极为恶劣的磨料磨损工况，极大缩短了机器的使用寿命，造成了严重的经济损失。
颗粒增强金属基复合材料是以具有高硬度、热稳定性好的陶瓷颗粒作为增强体，以金属或硬质合金作为基体，使两者相互复合而获得的一种先进材料，通常通过粉末冶金或铸造等复合制备方法进行制备。PRMMCs具有可设计性，可以根据材料的实际工况来调配金属基体和陶瓷颗粒成分配比，以期实现有针对性的延长材料使用寿命的目的。随着复相陶瓷制备技术的迅速发展，具有高强韧的氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷颗粒(ZTAp)的制备研究成为热点。由于在Al2O3中加入亚稳相ZrO2颗粒，使ZTAp兼具高硬度和良好的断裂韧性。已有的研究表明，将ZTAp作为增强相加入钢铁基体中可以使复合材料的耐磨损性能大幅度提高。
颗粒增强金属基复合材料虽然展现出了优异的耐磨性能，有效延长了机械的使用寿命，然而由于目前使用粉末冶金方法进行ZTAp/Fe复合材料预制体的烧结，该方法存在局限性，如产品存在孔隙、偏析、疏松、桥接相等组织缺陷，复合材料试样尺寸受到真空烧结炉空间的限制、试样制备效率低、周期长、使用时需要二次复合铸造加工。此外，不能对已经产生磨损的工件进行二次修复，限制了其应用范围。因此，如何能获得性能更加优异的耐磨材料，实现ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料的高效使用，突破其使用环境限制是关键性问题。
激光熔覆技术是采用高能激光束作为热源，将原料粉末快速熔化，在基材上进行铺展凝固并形成冶金结合涂层的一种材料表面改性工艺。激光熔覆技术可以有效增强材料表面的诸多性能，包括硬度、抗氧化、耐磨减摩、耐高温、耐酸蚀等。此外，激光熔覆技术可以实现对磨损设备的修复再制造，延长设备的使用寿命，有效降低设备的磨损带来的经济损失。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法，用于将陶瓷颗粒的耐磨性和Fe基体的高韧性结合起来，制备耐磨复合涂层，其制备步骤如下：
配置粘结剂；
制备Fe基金属粉末：将Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉加入一定量的乙醇，进行混料制备；
ZTA颗粒改性处理：将ZTA颗粒表面通过Ti-Ni-Cu粉末进行改性处理，在真空中完成预烧结，制备成改性ZTA陶瓷颗粒；
制备复合材料混合粉末：将Fe45自熔合金粉末、改性ZTA陶瓷颗粒加入一定含量的粘结剂，并加入到研磨装置中，进行混料至其分散均匀，配置成糊状复合涂敷粉末；
预置层涂敷：将复合涂敷粉末涂在钢铁工件表面，并烘干；
激光熔覆制备耐磨涂层：采用激光加工设备，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，形成耐磨复合涂层。
进一步的，配置粘结剂时，将环氧树脂和聚乙烯醇溶剂混合均匀，配置成粘结剂。
进一步的，所述聚乙烯醇溶的质量分数为2％～10％。
进一步的，制备Fe基金属粉末时，Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉的质量比为87.5％～100％：0％～10％：0％～2.5％。
进一步的，ZTA颗粒改性处理时，在真空中600-900℃的环境中完成预烧结，改性ZTA陶瓷颗粒的面包裹厚度为0.1mm～0.2mm。
进一步的，制备复合材料混合粉末时，按体积配比，称取Fe45自熔合金粉末70％～90％、改性ZTA陶瓷颗粒30％～10％。
进一步的，制备复合材料混合粉末时，所述研磨装置为行星球磨机。
进一步的，预置层涂敷时，复合涂敷粉末按照网状、长条状或菱形涂在钢铁工件表面，其厚度为1mm～3mm。
进一步的，在激光熔覆制备耐磨涂层时，所述激光加工设备的熔覆参数为1.5～3.2kw、扫描速度为1～5m/s，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面。
进一步的，在激光熔覆制备耐磨涂层之后，在熔覆层的表面重复进行预置层涂敷步骤，从而增加耐磨涂层的厚度。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用激光熔覆技术制备耐磨涂层，可以实现已经磨损的设备的修复再制造，进一步延长其使用寿命，利用激光熔覆技术制备表面耐磨复合层，耗时短，效率更高，且增强陶瓷颗粒与基体结合强度更高，表面耐磨层性能更好；可实现界面反应，在复合涂层内颗粒与基体之间形成过渡界面层，且可控制其界面层的反应，有利于改善复合涂层的耐磨性能；耐磨涂层的尺寸和形状方便控制，可根据实际使用环境随时调节粉末的成分组成与耐磨涂层的空间形状，实现涂层的可设计性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法，用于将陶瓷颗粒的耐磨性和Fe基体的高韧性结合起来，制备耐磨复合涂层，其制备步骤如下：
步骤一，配置粘结剂；
步骤二，制备Fe基金属粉末：将Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉加入一定量的乙醇，进行混料制备；
步骤三，ZTA颗粒改性处理：将ZTA颗粒表面通过Ti-Ni-Cu粉末进行改性处理，在真空中完成预烧结，制备成改性ZTA陶瓷颗粒；
步骤四，制备复合材料混合粉末：将Fe45自熔合金粉末、改性ZTA陶瓷颗粒加入一定含量的粘结剂，并加入到研磨装置中，进行混料至其分散均匀，配置成糊状复合涂敷粉末；
步骤五，预置层涂敷：将复合涂敷粉末涂在钢铁工件表面，并烘干；
步骤六，激光熔覆制备耐磨涂层：采用激光加工设备，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，形成耐磨复合涂层。
本发明利用激光熔覆技术制备耐磨涂层，可以实现已经磨损的设备的修复再制造，进一步延长其使用寿命，利用激光熔覆技术制备表面耐磨复合层，耗时短，效率更高，且增强陶瓷颗粒与基体结合强度更高，表面耐磨层性能更好；可实现界面反应，在复合涂层内颗粒与基体之间形成过渡界面层，且可控制其界面层的反应，有利于改善复合涂层的耐磨性能；耐磨涂层的尺寸和形状方便控制，可根据实际使用环境随时调节粉末的成分组成与耐磨涂层的空间形状，实现涂层的可设计性。
进一步的，步骤一，配置粘结剂时，将环氧树脂和聚乙烯醇溶剂混合均匀，配置成粘结剂，具体地所述聚乙烯醇溶的质量分数为2％～10％。
进一步的，步骤二，制备Fe基金属粉末时，Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉的质量比为87.5％～100％：0％～10％：0％～2.5％。
进一步的，步骤三，ZTA颗粒改性处理时，在真空中600-900℃的环境中完成预烧结，改性ZTA陶瓷颗粒的面包裹厚度为0.1mm～0.2mm。
进一步的，步骤四，制备复合材料混合粉末时，按体积配比，称取Fe45自熔合金粉末70％～90％、改性ZTA陶瓷颗粒30％～10％。
进一步的，步骤四，制备复合材料混合粉末时，所述研磨装置为行星球磨机，行星球磨机以300r/min～500r/min的转速、12～15h的球磨时间进行混料。
进一步的，步骤五，预置层涂敷时，复合涂敷粉末按照网状、长条状或菱形涂在钢铁工件表面，其厚度为1mm～3mm。
进一步的，步骤六，在激光熔覆制备耐磨涂层时，所述激光加工设备的熔覆参数为1.5～3.2kw、扫描速度为1～5m/s，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，激光加工设备为现有技术，可以为激光焊接设备。
进一步的，在步骤六，激光熔覆制备耐磨涂层之后，在熔覆层的表面重复进行预置层涂敷步骤，从而增加耐磨涂层的厚度。
下面给出两个具体实施例：
实施案例1：
步骤一，配置粘结剂：将环氧树脂(EP)和质量分数5％的聚乙烯醇(PVA)溶剂混合均匀，配置成粘结剂；
步骤二，制备Fe基金属粉末：将Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉按照质量比90％：8％：2％，加入一定量的乙醇，进行混料制备。
步骤三，ZTA颗粒改性处理：将ZTA颗粒表面通过Ti-Ni-Cu粉末进行改性处理，在真空中800℃完成预烧结，制备成具有0.1mm表面包裹厚度和强度的改性颗粒；
步骤四，制备复合材料混合粉末：按体积配比，称取Fe45自熔合金粉末80％、改性ZTA陶瓷颗粒20％，加入一定含量的粘结剂，加入行星球磨机中，以300r/min～500r/min的转速、12～15h的球磨时间进行混料至其分散均匀，配置成糊状复合涂敷粉末；
步骤五，预置层涂敷：将复合粉末按照网状、长条状、菱形形状涂在钢铁工件表面，厚度3mm，并烘干；
步骤六，激光熔覆制备耐磨涂层：采用激光加工设备，熔覆参数2.5kw、扫描速度2.5mm/s，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，根据使用需求，可以进一步在熔覆层的表面进行涂敷，增加耐磨涂层的厚度。
实施案例2：
步骤一，配置粘结剂：将环氧树脂(EP)和质量分数2％～10％的聚乙烯醇(PVA)溶剂混合均匀，配置成粘结剂；
步骤二，制备Fe基金属粉末：将Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉按照质量比87.5～100：0％～10％：0％～2.5％，加入一定量的乙醇，进行混料制备。
步骤三，ZTA颗粒改性处理：将ZTA颗粒表面通过Ti-Ni-Cu粉末进行改性处理，在真空中600-900℃完成预烧结，制备成具有0.1mm～0.2mm表面包裹厚度和强度的改性颗粒；
步骤四，制备复合材料混合粉末：按体积配比，称取Fe45自熔合金粉末70％～90％、改性ZTA陶瓷颗粒30％～10％，加入一定含量的粘结剂，加入行星球磨机中，以300r/min～500r/min的转速、12～15h的球磨时间进行混料至其分散均匀，配置成糊状复合涂敷粉末；
步骤五，预置层涂敷：将复合粉末按照网状、长条状、菱形形状涂在钢铁工件表面，厚度2mm，并烘干；
步骤六，激光熔覆制备耐磨涂层：采用激光加工设备，熔覆参数2kw、扫描速度1.5mm/s，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，根据使用需求，可以进一步在熔覆层的表面进行涂敷，增加耐磨涂层的厚度。
Claims (10)
1.激光熔覆制备ZTA陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合涂层的方法，其特征在于，用于将陶瓷颗粒的耐磨性和Fe基体的高韧性结合起来，制备耐磨复合涂层，其制备步骤如下：
配置粘结剂；
制备Fe基金属粉末：将Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉加入一定量的乙醇，进行混料制备；
ZTA颗粒改性处理：将ZTA颗粒表面通过Ti-Ni-Cu粉末进行改性处理，在真空中完成预烧结，制备成改性ZTA陶瓷颗粒；
制备复合材料混合粉末：将Fe45自熔合金粉末、改性ZTA陶瓷颗粒加入一定含量的粘结剂，并加入到研磨装置中，进行混料至其分散均匀，配置成糊状复合涂敷粉末；
预置层涂敷：将复合涂敷粉末涂在钢铁工件表面，并烘干；
激光熔覆制备耐磨涂层：采用激光加工设备，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面，形成耐磨复合涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，配置粘结剂时，将环氧树脂和聚乙烯醇溶剂混合均匀，配置成粘结剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇溶的质量分数为2％～10％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备Fe基金属粉末时，Fe45基自熔合金粉末、Ti粉、C粉的质量比为87.5％～100％：0％～10％：0％～2.5％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，ZTA颗粒改性处理时，在真空中600-900℃的环境中完成预烧结，改性ZTA陶瓷颗粒的面包裹厚度为0.1mm～0.2mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备复合材料混合粉末时，按体积配比，称取Fe45自熔合金粉末70％～90％、改性ZTA陶瓷颗粒30％～10％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备复合材料混合粉末时，所述研磨装置为行星球磨机。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预置层涂敷时，复合涂敷粉末按照网状、长条状或菱形涂在钢铁工件表面，其厚度为1mm～3mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光熔覆制备耐磨涂层时，所述激光加工设备的熔覆参数为1.5～3.2kw、扫描速度为1～5m/s，将烘干后的预置层熔覆在钢铁基体表面。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光熔覆制备耐磨涂层之后，在熔覆层的表面重复进行预置层涂敷步骤，从而增加耐磨涂层的厚度。
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| CN112725649A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-30 | 中国矿业大学(北京) | 一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法 |
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2023
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