CN116752135A - 一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合涂层材料技术领域，涉及一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。以镍基合金粉末为主体材料，以碳化铌为增强相，以G@SiO2为润滑剂，经湿法球磨混料后进行激光熔覆形成；按照体积分数计，Ni60为68～72％，G@SiO2为1～15％，余量为NbC；所述G@SiO2是利用非均匀形核法在石墨烯表面形成SiO2外壳获得。本发明的制备方法能够在45号钢表面制成兼具良好力学性能的自润滑复合涂层。
Description
技术领域
本发明属于复合涂层材料技术领域，涉及一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
在电液控制的液压泵和液压马达的实际使用中，由于活塞杆与内壁的持续往复接触和相对运动容易导致各运动构件出现磨损加速、产生黏着，进而影响其使用寿命，是导致构件磨损产生表面损伤与失效的主要原因。特别是在大马力的工程机械中，工作过程中受到的冲击载荷大，电液控制的液压泵和液压马达各运动构件间相互作用力大，极易导致各运动构件处因磨损而产生破坏。这便要求各运动构件在能承受较大的载荷冲击的同时，需要具有良好的耐磨性能。在机械零件的生产中，45号钢因其优良的机械性能和可加工性能多用于冲压模具、活塞杆以及细长轴和阶梯轴等轴类零件的加工制造。因此，需要提供一种基体为45号钢、表面耐磨性性高的复合材料，以减少电液控制的液压泵和液压马达的各运动构件的磨损，从而提高各运动构件的耐磨性能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，本发明的制备方法能够在45号钢表面制成兼具良好力学性能的自润滑复合涂层。
一方面，一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，以镍基合金粉末(Ni60)为主体材料，以碳化铌(NbC)为增强相，以包覆石墨烯颗粒(G@SiO2)为润滑剂，经湿法球磨混料后进行激光熔覆形成；
按照体积分数计，Ni60为68～72％，G@SiO2为1～15％，余量为NbC；
所述G@SiO2是利用非均匀形核法在石墨烯表面形成SiO2外壳获得。
本发明制备的复合涂层中，首先，依靠NbC作为陶瓷增强相，能够很好的抑制晶粒生长，同时其本身的高硬度有助于提高复合涂层的显微硬度；其次，G@SiO2的添加能够进一步促进NbC晶粒细化，两种材料共同作用很好的提高了自润滑涂层的显微硬度；第三，在激光熔覆中，G@SiO2包覆结构中的非晶态二氧化硅外壳能够散射激光束，使高能激光束聚焦性降低，对石墨烯的完整性起到了良好的保护作用，完整层片结构的石墨烯能够在自润滑涂层的磨损表面堆积成润滑膜。本发明通过添加NbC和G@SiO2的共同作用保证了复合涂层兼具良好力学性能的同时实现良好的自润滑效果。
另一方面，一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层，由上述制备方法获得。
第三方面，一种运动构件，所述运动构件的基体材料表面设置上述包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层。
第四方面，一种上述运动构件在工程机械中的应用。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对纳米石墨烯颗粒进行表面包覆改性，制备了具有核壳结构的包覆石墨烯颗粒，有效减少了激光熔覆过程中石墨烯结构的破坏。
(2)本发明通过对向激光熔覆复合涂层中添加NbC和G@SiO2，能够明显增强激光熔覆复合涂层的力学性能，同时实现良好的自润滑效果。相比于基体45钢材料，同时添加碳化铌(NbC)和包覆石墨烯颗粒(G@SiO2)的复合涂层中，显微硬度明显提高，最高可提高302.7％；磨损率显著降低，可降低375.5％。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1制备的碳化铌和包覆石墨烯增强镍基复合涂层的截面SEM图；
图2为本发明实施例2制备的碳化铌和包覆石墨烯增强镍基复合涂层的XRD图谱；
图3为本发明实施例3制备的碳化铌和包覆石墨烯增强镍基复合涂层的显微硬度图；
图4为本发明实施例4制备的碳化铌和包覆石墨烯增强镍基复合涂层与基体材料磨损量对比图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了满足运动构件能承受较大的载荷冲击的同时具有良好的耐磨性能，本发明提出了一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，以镍基合金粉末(Ni60)为主体材料，以碳化铌(NbC)为增强相，以包覆石墨烯颗粒(G@SiO2)为润滑剂，经湿法球磨混料后进行激光熔覆形成；
按照体积分数计，Ni60为68～72％，G@SiO2为1～15％，余量为NbC；
所述G@SiO2是利用非均匀形核法在石墨烯表面形成SiO2外壳获得。
通过在石墨烯表面形成SiO2外壳，能够避免直接添加石墨烯在激光熔覆过程中的破坏和烧损。
在一些实施例中，Ni60粉末的平均粒径为150～300目。
在一些实施例中，NbC的平均粒径为90～110nm。
在一些实施例中，湿法球磨混料在惰性气氛中进行。能够防止球磨过程中材料发生氧化。
在一些实施例中，湿法球磨混料的过程为：将Ni60、NbC和G@SiO2分别加入有机溶剂中，超声分散，再将Ni60分散液、NbC分散液和G@SiO2分散液混合，超声分散获得混合液，然后在惰性气氛条件下，将混合液进行球磨。球磨过程中，Ni60、NbC和G@SiO2的总质量与磨球的质量比为1:9～11。球磨的时间为36～60h。
湿法球磨混料后干燥获得复合粉末，然后将复合粉末涂覆在基体材料表面，再进行激光熔覆。在一些实施例中，将湿法球磨混料后的复合粉末涂覆在45钢基体材料表面，然后进行激光熔覆。具体地，复合粉末涂覆的厚度为0.8～1.2mm。
在一些实施例中，激光熔覆中，激光熔覆功率为1000～2000W；扫描速度为500～1500mm/min。
在一些实施例中，G@SiO2的制备过程为：将纳米石墨烯加入至含有分散剂的有机溶剂中，分散均匀获得石墨烯分散液，向石墨烯分散液中添加水和氨水制成混合液，并采用氨水调节混合液的pH为8～8.5；先混合液中滴加硅酸四乙酯稀释液，并加热至35～45℃进行反应。具体地，所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮。具体地，所述有机溶剂为乙醇。具体地，纳米石墨烯与分散剂的质量比为1:0.3～0.5。为了保证石墨烯分散液的分散均匀，采用超声和搅拌的方式进行分散。具体地，纳米石墨烯与硅酸四乙酯的质量比为1:15～20，优选为1:16～17。硅酸四乙酯稀释液采用乙醇进行稀释。
本发明的另一种实施方式，提供了一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层，由上述制备方法获得。
本发明的第三种实施方式，提供了一种运动构件，所述运动构件的基体材料表面设置上述包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层。
本发明的第四种实施方式，提供了一种上述运动构件在工程机械中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
以下各实施例的原料组分中，Ni60粉体平均粒径为150～300目；NbC粉体平均粒径为100nm；石墨烯平均片径尺寸为50～100nm，石墨烯层厚为3～5层。
以下各实施例中G@SiO2的制备过程为：
(1)称取0.2g聚乙烯吡络烷酮作为分散剂溶解到200ml无水乙醇中，再称取0.5g纳米石墨烯添加到含有分散剂的无水乙醇溶液中得到混合溶液。将混合溶液置于超声波清洗机中进行超声振动分散并搅拌1h，以保证混合溶液中石墨烯具有良好的分散性。
(2)向混合溶液中添加蒸馏水和氨水调节混合溶液PH值在8-8.5之间。量取9ml的硅酸四乙酯(密度0.94g/cm3)用50ml无水乙醇进行稀释得到硅酸四乙酯稀释液，将稀释液缓慢滴加到石墨烯混合溶液中，滴加速度保持在0.2ml/min左右，40℃水浴加热并搅拌。滴加完成后得到含有G@SiO2的悬浮液。
(3)将G@SiO2悬浮液离心、清洗、干燥得到G@SiO2包覆粉体。
以下各实施例的激光熔覆功率为1500W；扫描速度为1000mm/min。
实施例1
一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
复合粉末各组分的体积百分数为Ni60 70％、NbC 20％、G@SiO210％。其中，Ni60密度为8.0g/cm3、NbC密度为7.6g/cm3、G@SiO2密度为2.2g/cm3。
按照复合粉末的组分配比分别称量称取Ni60粉末、NbC粉末和和G@SiO2粉末加入适量的无水乙醇分别超声分散并搅拌20min、20min和10min。将超声分散后的溶液混合后再次超声分散并搅拌10min。为防止在球磨过程中材料发生氧化，将分散后的混合液倒入到充满氮气的球磨罐中。为保证球磨效率，称取与材料质量比10:1的磨球放入球磨罐中，将球磨罐置于球磨机中球磨48h。球磨48h后将混合液倒出，置于真空干燥箱110℃下真空干燥24h。干燥过筛后得到自润滑复合粉末。将自润滑复合粉末均匀涂覆在45钢基体材料表层，涂层厚度1mm，而后通过激光熔覆设备进行激光熔覆制备复合涂层，即自润滑耐磨涂层。
将本实施例制备的自润滑耐磨涂层通过电火花线切割技术分割为20mm×14mm的金属小块以便于夹持。将金属小块通过磨床打磨去除小块表面的腐蚀氧化层，再分别用220目、600目、800目1000目以及2000目砂纸去除材料表面划痕，使用金相抛光机对小块表面进行最后的抛光处理。如图1碳化铌和包覆石墨烯增强镍基复合涂层截面进行SEM微观形貌观察。自润滑耐磨涂层中碳化铌颗粒细小、分布均匀，包覆石墨烯的添加很好的提高了碳化铌的分散性，碳化铌硬质相的均匀分散能够更好的提高自润滑耐磨涂层的力学性能。
实施例2
一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
复合粉末各组分的体积百分数为Ni60 70％，NbC 20％，和G@SiO210％。其中，Ni60密度为8.0g/cm3、NbC密度为7.6g/cm3、G@SiO2密度为2.2g/cm3。
按照复合粉末的组分配比分别称量称取Ni60粉末、NbC粉末和和G@SiO2粉末加入适量的无水乙醇分别超声分散并搅拌20min、20min和10min。将超声分散后的溶液混合后再次超声分散并搅拌10min。为防止在球磨过程中材料发生氧化，将分散后的混合液倒入到充满氮气的球磨罐中。为保证球磨效率，称取与材料质量比10:1的磨球放入球磨罐中，将球磨罐置于球磨机中球磨48h。球磨48h后将混合液倒出，置于真空干燥箱110℃下真空干燥24h。干燥过筛后得到自润滑复合粉末。将自润滑复合粉末均匀涂覆在45钢基体材料表层，涂层厚度1mm，而后通过激光熔覆设备进行激光熔覆制备复合涂层，即自润滑耐磨涂层。
将本实施例制备的自润滑耐磨涂层通过电火花线切割技术分割为20mm×14mm的金属小块以便于夹持。将金属小块通过磨床打磨去除小块表面的腐蚀氧化层，再分别用220目、600目、800目1000目以及2000目砂纸去除材料表面划痕，使用金相抛光机对小块表面进行最后的抛光处理。如图2对自润滑耐磨涂层进行XRD物相分析。自润滑耐磨涂层主要物相为碳化铌(NbC)、碳化铬(Cr23C6和Cr7C3)、硅化铁(FeSi)、铁镍合金(Ni3Fe)、镍(Ni)。
实施例3
一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
复合粉末各组分的体积百分数为Ni60 70％，NbC 20％，和G@SiO210％。其中，Ni60密度为8.0g/cm3、NbC密度为7.6g/cm3、G@SiO2密度为2.2g/cm3。
按照复合粉末的组分配比分别称量称取Ni60粉末、NbC粉末和和G@SiO2粉末加入适量的无水乙醇分别超声分散并搅拌20min、20min和10min。将超声分散后的溶液混合后再次超声分散并搅拌10min。为防止在球磨过程中材料发生氧化，将分散后的混合液倒入到充满氮气的球磨罐中。为保证球磨效率，称取与材料质量比10:1的磨球放入球磨罐中，将球磨罐置于球磨机中球磨48h。球磨48h后将混合液倒出，置于真空干燥箱110℃下真空干燥24h。干燥过筛后得到自润滑复合粉末。将自润滑复合粉末均匀涂覆在45钢基体材料表层，涂层厚度1mm，而后通过激光熔覆设备进行激光熔覆制备复合涂层，即自润滑耐磨涂层。
将本实施例制备的自润滑耐磨涂层通过电火花线切割技术分割为20mm×14mm的金属小块以便于夹持。将金属小块通过磨床打磨去除小块表面的腐蚀氧化层，再分别用220目、600目、800目1000目以及2000目砂纸去除材料表面划痕，使用金相抛光机对小块表面进行最后的抛光处理。如图3对自润滑耐磨涂层进行显微硬度测试。随着测量点距耐磨涂层表层距离的增加自润滑耐磨涂层显微硬度的变化趋势在距表层600μm之内表现出良好的显微硬度，在距离为600至850μm耐磨涂层显微硬度出现剧烈的下降，在距离为800至1000μm时自润滑耐磨涂层显微硬度明显降低但是高于基体45号钢的硬度。自润滑耐磨涂层显微硬度最高为946HV。
实施例4
一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法。
复合粉末各组分的体积百分数为Ni60 70％，NbC 20％，和G@SiO210％。其中，Ni60密度为8.0g/cm3、NbC密度为7.6g/cm3、G@SiO2密度为2.2g/cm3。
按照复合粉末的组分配比分别称量称取Ni60粉末、NbC粉末和和G@SiO2粉末加入适量的无水乙醇分别超声分散并搅拌20min、20min和10min。将超声分散后的溶液混合后再次超声分散并搅拌10min。为防止在球磨过程中材料发生氧化，将分散后的混合液倒入到充满氮气的球磨罐中。为保证球磨效率，称取与材料质量比10:1的磨球放入球磨罐中，将球磨罐置于球磨机中球磨48h。球磨48h后将混合液倒出，置于真空干燥箱110℃下真空干燥24h。干燥过筛后得到自润滑复合粉末。将自润滑复合粉末均匀涂覆在45钢基体材料表层，涂层厚度1mm，而后通过激光熔覆设备进行激光熔覆制备复合涂层，即自润滑耐磨涂层。
将本实施例制备的自润滑耐磨涂层通过电火花线切割技术分割为20mm×14mm的金属小块以便于夹持。将金属小块通过磨床打磨去除小块表面的腐蚀氧化层，再分别用220目、600目、800目1000目以及2000目砂纸去除材料表面划痕，使用金相抛光机对小块表面进行最后的抛光处理。如图4采用MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机对45钢材料与自润滑耐磨涂层材料进行耐磨性能测试发现：自润滑耐磨涂层的磨损量数值为2.45×106(μm3)相比于45钢基体材料11.65×106(μm3)磨损率大幅降低了375.5％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，以Ni60粉末为主体材料，以NbC为增强相，以G@SiO2为润滑剂，经湿法球磨混料后进行激光熔覆形成；
按照体积分数计，Ni60为68～72％，G@SiO2为1～15％，余量为NbC；
所述G@SiO2是利用非均匀形核法在石墨烯表面形成SiO2外壳获得。
2.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，Ni60粉末的平均粒径为150～300目；
或，NbC的平均粒径为90～110nm。
3.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，湿法球磨混料在惰性气氛中进行。
4.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，湿法球磨混料的过程为：将Ni60、NbC和G@SiO2分别加入有机溶剂中，超声分散，再将Ni60分散液、NbC分散液和G@SiO2分散液混合，超声分散获得混合液，然后在惰性气氛条件下，将混合液进行球磨；优选地，球磨过程中，Ni60、NbC和G@SiO2的总质量与磨球的质量比为1:9～11；优选地，球磨的时间为36～60h。
5.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，将湿法球磨混料后的复合粉末涂覆在45钢基体材料表面，然后进行激光熔覆；优选地，复合粉末涂覆的厚度为0.8～1.2mm。
6.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，激光熔覆中，激光熔覆功率为1000～2000W；扫描速度为500～1500mm/min。
7.如权利要求1所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层的制备方法，其特征是，G@SiO2的制备过程为：将纳米石墨烯加入至含有分散剂的有机溶剂中，分散均匀获得石墨烯分散液，向石墨烯分散液中添加水和氨水制成混合液，并采用氨水调节混合液的pH为8～8.5；先混合液中滴加硅酸四乙酯稀释液，并加热至35～45℃进行反应；优选地，所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮；优选地，所述有机溶剂为乙醇；优选地，纳米石墨烯与分散剂的质量比为1:0.3～0.5；优选地，纳米石墨烯与硅酸四乙酯的质量比为1:15～20，优选为1:16～17。
8.一种包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层，其特征是，由权利要求1～7任一所述的制备方法获得。
9.一种运动构件，其特征是，所述运动构件的基体材料表面设置权利要求8所述的包覆石墨烯和碳化铌增强镍基复合涂层。
10.一种权利要求9所述的运动构件在工程机械中的应用。
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