CN116988061A - 一种镍基高温合金及其表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体为一种镍基高温合金及其表面改性方法，利用真空电子束在镍基高温合金表面熔覆NiCrBSi涂层，实现涂层与基体的良好结合，并同时具备优异的硬度和耐磨性，本发明方法简单、成本低且加工参数精准可控，能在更短的时间提高材料表面性能并提升加工效率，且实现了改性表面与基体的良好结合，经过真空电子束表面改性的镍基高温合金表面相对于未表面改性的镍基高温合金表面，表面性能得到了显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面改性技术领域，具体为一种镍基高温合金及其表面改性方法。
背景技术
镍基高温合金因其在高温环境下的高强度、抗氧化性和耐腐蚀性等优点而广泛应用于制造高温构件，特别是用于航空发动机和各种燃气涡轮发动机的最热端部件。然而，材料的失效通常首先发生在表面，如表面磨损、腐蚀和疲劳等形式，这些表面失效方式往往决定了材料的使用寿命。相比于新材料的开发，通过对材料表面进行改性以提高表面性能，从而满足使用要求，具有重要的应用价值。随着科学技术和全球航空业的发展，对镍基高温合金的应用提出了更高的要求，因此表面改性技术得到了迅速发展。
目前，为了改善材料的表面性能，常用的方法包括冷喷涂、等离子喷涂和渗碳渗氮等。这些方法可以在一定程度上提高材料表面的性能，但其改性涂层的厚度有限，易引入杂质，并且基体与改性层的结合强度较低，导致使用寿命较短。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种镍基高温合金及其表面改性方法，利用真空电子束在镍基高温合金表面熔覆NiCrBSi涂层，实现涂层与基体的良好结合，并同时具备优异的硬度和耐磨性。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种镍基高温合金表面改性方法，包括如下步骤：
S1、涂层粉末预处理
涂层粉末为NiCrBSi粉末，其中Ni、Cr、B、Si粉末的质量比为70:11:7:4；
S2、镍基高温合金表面涂层制备
在镍基高温合金表面粘结金属模具，将涂层粉末与粘结剂混合制成粘稠状混合物，将混合物置于金属模具中后干燥，再采用真空电子束对干燥后混合物进行熔覆得到镍基高温合金表面涂层，实现镍基高温合金表面改性。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，采用湿法球磨的方式进行涂层粉末预处理，球磨时的球料比为4~6:1，球磨时间为2~4h。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，球磨后将涂层粉末进行干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为4~6h。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，球磨后粉末的平均粒度为5~10μm。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，涂层粉末与粘结剂的质量比为5:1。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，粘结剂为质量百分比为2wt%的聚乙烯醇颗粒与质量百分比为98wt%的65℃温水的混合物。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，干燥温度为120℃，干燥时间为25~35min。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，真空电子束的加速电压为60kV，束流为18mA，聚焦电流为720mA，扫描速度为200~400mm/min。
作为本发明所述的一种镍基高温合金表面改性方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，真空电子束进行熔覆时的真空度＜10-2Pa。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种镍基高温合金，采用上述的镍基高温合金表面改性方法制备得到，其表面硬度≥340HB，磨损率≤0.7×10-5mm3/N·m。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种镍基高温合金及其表面改性方法，利用真空电子束在镍基高温合金表面熔覆NiCrBSi涂层，实现涂层与基体的良好结合，并同时具备优异的硬度和耐磨性，本发明方法简单、成本低且加工参数精准可控，能在更短的时间提高材料表面性能并提升加工效率，且实现了改性表面与基体的良好结合，经过真空电子束表面改性的镍基高温合金表面相对于未表面改性的镍基高温合金表面，表面性能得到了显著提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明表面改性后的镍基高温合金截面微观形貌图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种镍基高温合金及其表面改性方法，真空电子束技术是一种特殊的技术，它通过预先在基体上放置涂层材料，然后利用电子束扫描，产生高能量的转化作用，使基材表面熔化。同时，涂层中的元素会分散在熔池中，在快速冷却的条件下，实现了基体与涂层的良好结合。这种技术可以达到提高材料表面性能的目的。当电子束扫描到材料表面时，由于极高的能量转换效率，基体微熔，并使涂层元素经过分子间扩散和化学结合，在基材表面形成一层新的改性层。经过电子束熔覆处理后，镍基高温合金的表面微观组织和相结构发生改变，发生再结晶，并且随着扫描速度的增加，晶粒细化现象出现，从而改善了材料的性能，提高了表面硬度和耐磨性。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种镍基高温合金表面改性方法，包括如下步骤：
S1、涂层粉末预处理
涂层粉末为NiCrBSi粉末，其中Ni、Cr、B、Si粉末的质量比为70:11:7:4；
S2、镍基高温合金表面涂层制备
在镍基高温合金表面粘结金属模具，将涂层粉末与粘结剂混合制成粘稠状混合物，将混合物置于金属模具中后干燥，再采用真空电子束对干燥后混合物进行熔覆得到镍基高温合金表面涂层，实现镍基高温合金表面改性。
优选的，所述步骤S1中，采用湿法球磨的方式进行涂层粉末预处理，球磨时的球料比为4~6:1，球磨时间为2~4h；为去除湿法球磨后涂层粉末中残留水分，球磨后将涂层粉末进行干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为4~6h；球磨后粉末的平均粒度为5~10μm。具体的，球料比可以为例如但不限于4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1中的任意一者或任意两者之间的范围，球磨时间可以为例如但不限于2h、2.5h、3h、3.5h、4h中的任意一者或任意两者之间的范围；干燥时间可以为例如但不限于4h、4.5h、5h、5.5h、6h中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S2中，涂层粉末与粘结剂的质量比为5:1，粘结剂为质量百分比为2wt%的聚乙烯醇颗粒与质量百分比为98wt%的65℃温水的混合物。金属模具的厚度可以根据需要调整，例如可以为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm等等。
优选的，所述步骤S2中，干燥温度为120℃，干燥时间为25~35min；真空电子束的加速电压为60kV，束流为18mA，聚焦电流为720mA，扫描速度为200~400mm/min；真空电子束进行熔覆时的真空度＜10-2Pa。具体的，干燥时间可以为例如但不限于25min、30min、35min中的任意一者或任意两者之间的范围；扫描速度可以为例如但不限于200mm/min、250mm/min、300mm/min、350mm/min、400mm/min中的任意一者或任意两者之间的范围。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种镍基高温合金，采用上述的镍基高温合金表面改性方法制备得到，其表面硬度≥340HB，磨损率≤0.7×10-5mm3/N·m。
实施例
一种镍基高温合金表面改性方法，镍基高温合金成分如表1所示（重量百分比，wt.%）
表1
包括如下步骤：
S1、涂层粉末预处理
涂层粉末为NiCrBSi粉末，其中Ni、Cr、B、Si粉末的质量比为70:11:7:4；采用湿法球磨的方式进行涂层粉末预处理，球磨时的球料比为5:1，球磨时间为3h；为去除湿法球磨后涂层粉末中残留水分，球磨后将涂层粉末进行干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为5h；球磨后粉末的平均粒度为5~10μm。
S2、镍基高温合金表面涂层制备
在镍基高温合金表面粘结金属模具，将涂层粉末与粘结剂（质量百分比为2wt%的聚乙烯醇颗粒与质量百分比为98wt%的65℃温水的混合物）混合制成粘稠状混合物，涂层粉末与粘结剂的质量比为5:1，将混合物置于金属模具中后干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为30min，再采用真空电子束对干燥后混合物进行熔覆得到镍基高温合金表面涂层，实现镍基高温合金表面改性。图1显示了本发明表面改性后的镍基高温合金截面微观形貌图。该图清晰地展示了截面的三个组成部分，包括熔覆区、热影响区和基体。不同区域的显微组织不同，这是因为基材表面受到了较高能量的影响，在快速电子束熔覆过程中，具有极快的冷却速度。从表面到基材底部，温度存在较大差异，因此材料表面的组织出现了分区现象。在熔覆区域，相对于基体，可以观察到熔覆层表面颗粒状结构更为明显。这是因为在电子束处理高温镍基合金涂层表面的瞬间，熔覆层在凝固过程中，固-液相界面上含有较多的合金元素，导致显著的凝固前沿成分过冷，并形成大量晶核。然而，通过SEM观察可以发现涂层表面均匀，没有裂纹和明显的空隙，表明经过电子束熔覆处理后的涂层与基体之间具有良好的结合。
本发明实施例和对比例表的表面改性的参数如表2所示；
表2
本发明实施例和对比例制备的高温镍基合金表面性能如表3所示；
表3
为测试改性表面硬度，使用显微硬度计在表面改性区域进行了测试。荷载为2.98N，保持15秒，为减少误差，每个位置进行了三次硬度测量，取平均值。结果显示，随着扫描速度的提高，材料表面硬度逐渐增加。实施例3的熔覆层的表面硬度最高达459.7HB，相对于对比例1的硬度提高了1.948倍。为测试改性表面耐磨性，采用电火花线切割将带有基体的涂层区域制备成20×20×10mm的样品，进行摩擦磨损测试。首先，使用砂纸将涂层表面打磨至2000目，然后进行金相抛光和超声波清洗。之后，在摩擦磨损试验机上测试改性表面的耐磨性。通过图像分析软件对磨损体积进行测量，结果显示，实施例3的磨损体积和磨损率相对于基体分别降低了88.4%和提高了8.65倍。这是因为随着扫描速度的增加，单位面积受热时间变短，同时试样表面温度变化快速，达到106-108℃/s，从而导致晶粒细化、硬度提高和耐磨性显著改善。
本发明利用真空电子束在镍基高温合金表面熔覆NiCrBSi涂层，实现涂层与基体的良好结合，并同时具备优异的硬度和耐磨性，本发明方法简单、成本低且加工参数精准可控，能在更短的时间提高材料表面性能并提升加工效率，且实现了改性表面与基体的良好结合，经过真空电子束表面改性的镍基高温合金表面相对于未表面改性的镍基高温合金表面，表面性能得到了显著提升，硬度提高了约2倍，耐磨性提高了8~9倍。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、涂层粉末预处理
涂层粉末为NiCrBSi粉末，其中Ni、Cr、B、Si粉末的质量比为70:11:7:4；
S2、镍基高温合金表面涂层制备
在镍基高温合金表面粘结金属模具，将涂层粉末与粘结剂混合制成粘稠状混合物，将混合物置于金属模具中后干燥，再采用真空电子束对干燥后混合物进行熔覆得到镍基高温合金表面涂层，实现镍基高温合金表面改性。
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用湿法球磨的方式进行涂层粉末预处理，球磨时的球料比为4~6:1，球磨时间为2~4h。
3.根据权利要求2所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S1中，球磨后将涂层粉末进行干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为4~6h。
4.根据权利要求2所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S1中，球磨后粉末的平均粒度为5~10μm。
5.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S2中，涂层粉末与粘结剂的质量比为5:1。
6.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S2中，粘结剂为质量百分比为2wt%的聚乙烯醇颗粒与质量百分比为98wt%的65℃温水的混合物。
7.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S2中，干燥温度为120℃，干燥时间为25~35min。
8.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S2中，真空电子束的加速电压为60kV，束流为18mA，聚焦电流为720mA，扫描速度为200~400mm/min。
9.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面改性方法，其特征在于，所述步骤S2中，真空电子束进行熔覆时的真空度＜10-2Pa。
10.一种镍基高温合金，采用权利要求1-9任一项所述的镍基高温合金表面改性方法制备得到，其表面硬度≥340HB，磨损率≤0.7×10-5mm3/N·m。
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Also Published As
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