CN1167831C - 一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层材料及涂层制备方法，以Ni、Al及微量合金元素粉末B、Zr组成的涂层合金与WC粉末均匀混合作为涂层材料；涂层合金中Al占22-25原子%，B为0.09～0.11原子%，Zr为0.9～1.1原子%，其余为Ni；WC颗粒占涂层总量的50-65重量%；在激光熔覆过程中，Ni、Al通过自生反应生成以Ni3Al金属间化合物为基的组织，碳化物弥散分布于其中。涂层方法为：在涂层材料，加入酒精球磨混合、烘干，通过热喷涂获得0.5-0.8mm厚预制涂层；然后进行激光处理，得到激光熔覆层。本发明的优点在于：涂层材料晶粒细小、成分均匀；熔覆层硬度高，耐磨性和热疲劳性能优良。
Description
技术领域
本发明属于金属间化合物/陶瓷复合涂层技术领域，特别是提供了一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层材料及涂层制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有高熔点，高硬度，热稳定性和化学稳定性好等诸多优良性能，是人们一直关注的激光熔覆用涂层材料。但是，由于大多数陶瓷的脆性很大，韧性很低，且与金属之间的润湿性差，特别是陶瓷与金属之间的热膨胀系数等物理性能差别很大，从而使激光熔覆陶瓷涂层与金属基体的匹配性不好，熔覆层常产生裂纹等缺陷，使熔覆质量难以保证。
产生这种情况的关键原因在于材料的内部组成和结构。陶瓷是金属元素与非金属元素之间形成的化合物，原子间以共价键结合；而金属的晶体结构为金属键，因此使两种材料在性能方面表现出较大差异。
大多数金属间化合物都具有金属键结构，价电子不象共价化合物那样被完全束缚在稳定的原子轨道上，也不象金属晶体中存在大量的自由电子，而只存在着部分自由运动的电子。虽然金属间化合物在结构上符合原子价规律，具有一定的化学组成，可用化学式表示，但是它们同时又具有金属键的特性，结合键介于共价健和金属键之间，共价键部分被破坏，因而存在一定的固溶度。这种组成结构使金属间化合物既保持了与金属材料相近的某些物理性能，而且可以象金属一样通过合金化和先进的制备技术显著地改善组织和性能；同时又在熔点、热稳定性和化学稳定性等使用性能上接近于陶瓷材料。就是说，由于金属间化合物在组成和结构上介于金属和陶瓷之间，从而使它在实际应用中可能填补金属材料和陶瓷材料在使用性能上的空白，与金属基体具有更好的匹配性，更好地满足激光熔覆技术对涂层材料的要求。
Ni3Al是人们研究较充分的一种金属间化合物，它具有强度高、耐腐蚀、抗氧化、屈服强度随温度升高而增大等诸多优良性能，而且还可以通过进一步合金化改善性能。WC除了具有众多陶瓷材料共同优良性能，相比之下它的韧性和高温硬度更为优越，是硬质合金中的主要强化相，与Ni基合金有着极佳的浸润性和匹配性。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层材料及涂层制备方法，把金属间化合物Ni3Al和WC陶瓷相引入涂层材料，采用激光熔覆技术制备涂层，为改善激光熔覆的质量和水平，提高熔覆层的综合使用性能，找到了新的途径。
本发明以45号钢为基体，涂层材料以一定成分的Ni、Al和一些微量元素B和Zr粉末组成的涂层合金，与一定量的WC粉末均匀混合作为涂层材料。在激光熔覆过程中，Ni、Al通过自生反应生成以Ni3Al金属间化合物为基的组织，碳化物弥散分布于其中。由此获得了晶粒细小、成分均匀的快速凝固组织；熔覆层硬度高，耐磨性和热疲劳性能优良。
涂层合金成分中Al占22-25原子％，同时加入B和Zr微量，其B为0.09～0.11原子％、Zr为0.9～1.1原子％，其余为Ni；WC颗粒占涂层总量的50-65重量％。
涂层工艺为：在涂层材料中加入酒精，经球磨混合15～20分钟，在95～105℃温度中烘干10～15分钟，通过热喷涂获得0.5-0.8mm厚预制涂层。然后进行激光处理，得到激光熔覆层；激光处理工艺参数为：激光波长10.6μm，功率密度15-40w/cm2，光束扫描速度3-12m/s。
以45号钢为基体进行激光熔覆处理，组织结构分析发现，激光熔覆层宏观形貌平整、光滑、致密、无缺陷，熔覆层组织为晶粒细小、成分均匀、碳化物弥散分布的快速凝固组织，熔覆层合金中，Ni3Al占65-70体积％；性能测试表明，激光熔覆层的显微硬度达到HV0.21200-1400左右。在MK-200试验机上进行了快速磨损试验，磨轮直径30mm，2.5mm，冷却液为0.5％铬酸钾水溶液；载荷100N，转速1000rpm，行程940m，磨损量约为2×10-2-4×10-2mm3，耐磨性良好。同时进行了热疲劳试验，加热温度800℃，保温时间3min，然后迅速淬入20℃水中，并重复上述热循环过程。
本发明的优点在于：涂层材料晶粒细小、成分均匀；熔覆层硬度高，耐磨性和热疲劳性能优良。
具体实施方式：
例1：涂层基体合金中各元素含量的原子百分比分别为Al(22％)，B(0.1％)、Zr(1％)，其余为Ni；
WC颗粒占涂层总量的65重量％。0.4公斤涂层材料，并经球磨混合15分钟，在100℃温度中烘干10分钟，通过热喷涂获得0.8mm厚预制涂层。然后进行激光处理，得到激光熔覆层；激光处理工艺参数为：激光波长10.6μm，功率密度15w/cm2，光束扫描速度3m/s。组织结构分析发现，激光宏观形貌熔覆层平整、光滑、致密、无缺陷，熔覆层组织为晶粒细小、成分均匀、碳化物弥散分布的快速凝固组织，熔覆层基体合金中，Ni3Al约占70vol％。激光熔覆层的显微硬度为HV0.21200，磨损量约为4×10-2mm3，130次热循环后，涂层组织未见明显改变。
例2：涂层基体合金中各元素含量的原子百分比为Al(22％)，B(0.1％)、Zr(1％)，其余为Ni；WC颗粒占涂层总量的50重量％。涂层材料经混合、烘干并通过热喷涂获得0.5mm厚预制涂层，激光波长10.6μm，功率密度40w/cm2，光束扫描速度12m/s。组织结构分析发现，激光宏观形貌熔覆层平整、光滑、致密、无缺陷，熔覆层组织为晶粒细小、成分均匀、碳化物弥散分布的快速凝固组织，熔覆层基体合金中，Ni3Al占65体积％。激光熔覆层的显微硬度为HV0.21400，磨损量约为2×10-2mm3，150次热循环后，涂层组织未见明显改变。
Claims (2)
1、一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层材料，其特征在于：以一定成分的Ni、Al及微量合金元素粉末B、Zr组成的涂层合金与WC粉末均匀混合作为涂层材料；涂层合金中Al占22-25原子％，B为0.09～0.11原子％，Zr为0.9～1.1原子％，其余为Ni；WC颗粒占涂层总量的50-65重量％；在激光熔覆过程中，Ni、Al通过自生反应生成以Ni3Al金属间化合物为基的组织，碳化物弥散分布于其中。
2、一种采用权利要求1所述涂层材料涂层的方法，其特征在于：在涂层材料中加入酒精，经球磨混合15～20分钟，在95～105℃的温度中烘干10～15分钟，通过热喷涂获得0.5-0.8mm厚预制涂层；然后进行激光处理，得到激光熔覆层；激光处理工艺参数为：激光波长10.6μm，功率密度15-40w/cm2，光束扫描速度3-12m/s。
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