CN117286493B - 一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆领域，具体为一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层及其制备方法，解决了现有NiAl金属间化合物形成的涂层具有室温脆性以及低硬度的技术问题，该制备方法为配置激光熔覆粉料，粉料包括0~6%的TiC粉、40~60%的WC粉、1~4%的Cu粉、20.55~40.4%的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉；对金属基体预热，将激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层。本发明得到的镍铝基耐磨性涂层具有致密的组织结构，与基体的结合强度高；涂层平均硬度不小于450HV，镍铝基粘接相晶界缺陷得到改善，晶界的强度提高，涂层致密度较高，具有较高的硬度与良好的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，具体为一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层及其制备方法。
背景技术
NiAl是金属间化合物中的一种，其拥有特殊的B2晶体结构，而且具有熔点高、导热性能好、热膨胀系数低和抗氧化性好等优异特性。NiAl基粉末被认为是替代镍基高温粉末的潜力产品之一，因此在航空航天、汽车制造、高温结构材料、高温合金以及电子和能源应用领域中得到广泛的研究。
NiAl金属间化合物的制作方法主要包括铸造挤压态、定向凝固、燃烧合成以及激光熔覆等。其中激光熔覆原位生成法具体为，通过激光熔化金属粉末或预先涂覆的Ni和Al粉末混合粉末，在高温条件下，使Ni和Al元素发生化学反应生成NiAl金属间化合物，在基底表面形成组织均匀的涂层。
尽管NiAl金属间化合物拥有多种优异的性能，但由NiAl金属间化合物形成的涂层具有室温脆性以及低硬度等缺点，使其在常温下，塑性变形能力较差，容易发生脆性断裂，而且受到机械磨损和刮擦时，极易出现剥落或失效等问题，从而影响其使用寿命。这些问题限制了NiAl涂层的广泛应用，需要进一步研究和改进来提高其性能。
发明内容
为克服现有NiAl金属间化合物形成的涂层具有室温脆性以及低硬度的技术缺陷，本发明提供了一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层及其制备方法。
本发明公开了一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层，其组份及各组分组份的质量百分比分别为：0%~6%的TiC粉，40%~60%的WC粉，1~4%的Cu粉，20.55~40.4%的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉。该组分中，Ni粉与Al粉按照原子比例1：1作为余量混入。WC粉作为硬质相加入，有利于提高熔覆层硬度；Ni粉与Al粉的加入，在熔覆层原位生成NiAl金属间化合物作为粘接相； TiC与Cu元素作为添加相加入，有助于增强熔覆层的流动性，细化熔覆层晶粒，减少熔覆层缺陷的产生，提高熔覆层性能。
本发明还公开了一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，步骤为：
步骤一、对金属基体表面进行清洁预处理；
步骤二、按比例配置涂层所需的粉料，粉料包括0%~6%的TiC粉、40%~60%的WC粉、1~4%的Cu粉、20.55~40.4%的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉，将粉料混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；
步骤三、将金属基体表面预热到150~300℃，然后通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行后续热处理。
其中，金属基体可以适用于硬质合金、高速钢等金属材料中的一种。材料可通过改变成分配比、激光工艺参数以及热处理方式以适应不同材料性能要求。
上述粉料中，WC粉含量的增加，有助于增强涂层的硬度和耐磨性能，在激光熔覆的过程中，WC粉分解释放出W、C元素与熔池中的其他合金元素组成合金碳化物，与粘接相形成化学冶金结合，增加熔覆层显微组织的致密度，减少缺陷的形成，提高熔覆层的耐磨性能。TiC粉的作用是提高涂层显微组织的强度，未熔的TiC颗粒在熔池对流，重力等作用力下弥散分布在熔覆层中，形成弥散强化。Cu粉的作用是提高粉料的流动性，并提高材料的致密性。低熔点的Cu粉的加入，加快熔覆层内部对流以及提高其润湿性，增加熔覆层的致密性，有助于改善熔覆层内部提高涂层的抗磨损能力。Cu元素与熔池内其他元素反应合成固溶物，固溶物分散在熔覆中，形成固溶强化与晶界强化，均匀熔覆层内部的组织，减少晶界缺陷的产生。因此，包含Cu元素的熔覆层的性能高于未添加Cu元素的涂层，比如包含Cu元素的熔覆层觉有更高的抗磨损能力。
优选的，TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Cu粉的粒径为44~74μm；Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm。设置相似的粉末颗粒直径范围，是为了保证熔覆层具有良好的流动性。
优选的，步骤一中清洁预处理为使用砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗和干燥处理。砂纸具体可选择240目、400目和600目，无水乙醇能达到良好的清洗效果。可根据金属基体的具体情况使用有机溶剂或机械打磨中的一种，抛磨处理可有效去除金属基材在运输放置过程中携带的油污以及与空气接触出现的氧化层，以便在后续激光熔覆加工时，保证涂层与金属基体之间具有较高的结合强度。
优选的，步骤二中通过行星式球磨机将粉料混合均匀，行星式球磨机的转速为180~240r/min，球磨时间为8~12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐。这样为了使粉料混合均匀，避免球磨混合粉料时物料被氧化。
优选的，步骤三中激光熔覆技术参数为：激光功率为700~1000W，送粉速率为35~50g/min，扫描速度为80~240mm/min，圆形光斑的直径为2mm~5mm，搭接率为30~40%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为5~10L/min。具体进行激光熔覆操作时，可选用同轴送粉方式与预置粉末方式中的一种。
优选的，步骤四中，后续热处理为油冷、沙冷或者退火处理中的一种，冷却时间为20~30min。不同的热处理方式可得到不同的组织结构，因此根据需要可选择不同的冷却方式。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
一、本发明通过激光熔覆方式制备得到镍铝基耐磨性涂层，其具有致密的组织结构，且与基体的结合强度高，合金碳化物相弥散分布在熔覆层中；制备得到的镍铝基耐磨性涂层的平均厚度为0.5~1.5mm，涂层平均硬度不小于450HV，镍铝基粘接相晶界缺陷得到改善，晶界的强度提高，涂层致密度较高，涂层整体强度较现有技术中的涂层得到了显著提升。
二、本发明制备的镍铝基耐磨性涂层的硬度高、耐磨性能好，在摩擦磨损的过程中，一方面由于合金碳化物相硬质颗粒的存在，能减少磨球对涂层的切割作用，保护粘接相，降低摩擦过程中的摩擦因数；另一方面涂层在摩擦磨损的过程中会形成含有Al2O3等氧化物的氧化层，减少了直接接触和粘附现象，进一步增加涂层的耐磨性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的熔覆层微观组织图示意图；
图2为本发明实施例2的熔覆层微观组织图示意图；
图3为本发明对比例1的熔覆层微观组织图示意图；
图4为本发明实施例1、实施例2与对比例1和对比例2在相同摩擦实验条件下磨损量之间对比图；
图5为本发明实施例1的磨痕轮廓示意图；
图6为本发明实施例2的磨痕轮廓示意图；
图7为本发明对比例1的磨痕轮廓示意图；
图8为本发明对比例2的磨痕轮廓示意图；
图9为本发明实施例1、实施例2与对比例1的硬度曲线图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明某实施例公开了一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，步骤为：
步骤一、对金属基体表面进行清洁预处理；清洁预处理为依次使用240目、400目、600目的砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，对金属表面的毛刺、锈迹与氧化层打磨，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗，以去除金属基材表面氧化层与杂质，干燥处理；
步骤二、按比例配置涂层所需的粉料，粉料包括0%~6%的TiC粉、40%~60%的WC粉、1~4%的Cu粉、20.55~40.4%的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉，其中TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Cu粉的粒径为44~74μm；Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm，将粉料通过行星式球磨机混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；具体的，行星式球磨机的转速为180~240r/min，球磨时间为8~12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐；
步骤三、将金属基体表面预热到150~300℃，然后通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；其中激光熔覆技术参数为：激光功率为700~1000W，送粉速率为35~50g/min，扫描速度为80~240mm/min，圆形光斑的直径为2mm~5mm，搭接率为30~40%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为5~10L/min；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行后续热处理；后续热处理为油冷、沙冷或者退火处理中的一种，冷却时间为20~30min。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例
一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，步骤为：
步骤一、对42CrMo钢表面进行清洁预处理；清洁预处理为依次使用240目、400目、600目的砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，对金属表面的毛刺、锈迹与氧化层打磨，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗，以去除金属基材表面氧化层与杂质，干燥处理；
步骤二、按比例配置涂层所需的粉料，粉料包括2%的TiC粉、60%的WC粉、2%的Cu粉、24.6%的Ni粉以及11.4%的Al粉，其中TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Cu粉的粒径为44~74μm；Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm，将粉料通过行星式球磨机混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；具体的，行星式球磨机的转速为220r/min，球磨时间为12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐；
步骤三、在熔覆前使用电阻炉加热对步骤一处理得到的42CrMo钢预热到240℃，通过激光熔覆同轴送粉方式将激光粉料熔覆到金属基材表面上，然后通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；其中激光熔覆技术参数为：激光功率为800W，送粉速率为40g/min，扫描速度为80mm/min，圆形光斑的直径为3mm，搭接率为30%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为7L/min；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行油冷退火处理，冷却时间为20min，最终得到样品一。
样品一中耐磨性涂层的平均硬度为717HV，显微组织如图1所示，在对磨球为Si3N4负载60N，往复频率800次/min，测试时间为30 min，干摩擦的情况下平均摩擦系数为0.30，磨损量为0.94，则可得样品一上的镍铝基耐磨性涂层具有良好的耐磨性能。
实施例
一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，步骤为：
步骤一、对42CrMo钢表面进行清洁预处理；清洁预处理为依次使用240目、400目、600目的砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，对金属表面的毛刺、锈迹与氧化层打磨，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗，以去除金属基材表面氧化层与杂质，干燥处理；
步骤二、按比例配置涂层所需的粉料，粉料包括2%的TiC粉、60%的WC粉、3%的Cu粉、23.9%的Ni粉以及11.1%的Al粉，其中TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Cu粉的粒径为44~74μm；Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm，将粉料通过行星式球磨机混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；具体的，行星式球磨机的转速为220r/min，球磨时间为12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐；
步骤三、在熔覆前使用电阻炉加热对步骤一处理后得到的42CrMo钢进行加热，预热到240℃，通过激光熔覆同轴送粉方式将激光粉料熔覆到金属基材表面上，通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；其中激光熔覆技术参数为：激光功率为800W，送粉速率为40g/min，扫描速度为80mm/min，圆形光斑的直径为3mm，搭接率为30%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为7L/min；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行油冷退火处理，冷却时间为20min，最终得到样品二。
样品二中耐磨性涂层的平均硬度为871HV，显微组织如图2所示，在对磨球为Si3N4负载60N，往复频率800次/min，测试时间为30 min，干摩擦的情况下平均摩擦系数为0.27，磨损量为0.94，则可得样品二上的镍铝基耐磨性涂层具有良好的耐磨性能。
对比例1：
一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，步骤为：
步骤一、对42CrMo钢表面进行清洁预处理；清洁预处理为依次使用240目、400目、600目的砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，对金属表面的毛刺、锈迹与氧化层打磨，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗，以去除金属基材表面氧化层与杂质，干燥处理；
步骤二、按比例配置涂层所需的粉料，粉料包括2%的TiC粉、60%的WC粉、0%的Cu粉、26%的Ni粉以及12%的Al粉，其中TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm，将粉料通过行星式球磨机混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；具体的，行星式球磨机的转速为220r/min，球磨时间为12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐；
步骤三、在熔覆前使用电阻炉加热对步骤一处理后的42CrMo钢预热到240℃，通过激光熔覆同轴送粉方式将激光熔覆粉料熔覆到金属基材表面上，通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；其中激光熔覆技术参数为：激光功率为800W，送粉速率为40g/min，扫描速度为80mm/min，圆形光斑的直径为3mm，搭接率为30%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为7L/min；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行油冷退火处理，冷却时间为20min，最终得到样品三。
样品三中耐磨性涂层的平均硬度为641HV，显微组织如图3所示，在对磨球为Si3N4负载60N，往复频率800次/min，测试时间为30 min，干摩擦的情况下平均摩擦系数为0.53，磨损量为7.32，可得，样品三中涂层的耐磨性能比实施例1和实施例2中样品涂层的耐磨性能更差。
对比例2：对42CrMo钢表面进行清洁预处理；清洁预处理为依次使用240目、400目、600目的砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，对金属表面的毛刺、锈迹与氧化层打磨，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗，以去除金属基材表面氧化层与杂质，最后干燥处理备用，作为样品四。
本发明公开了制备镍铝基耐磨性涂层的方法，对比图1至图3可以看出，对比例1中，晶界之间还有大量空隙，其易造成涂层组织缺陷，从图1可以看出，实施例1中涂层的致密性良好，无明显的裂纹气孔存在，合金碳化物相弥散分布在涂层之中，晶界的强度和稳定性较高，熔覆层组织完整。结合图4可得，本发明所述方法能改善涂层致密性，提高熔池流动性，涂层的整体性能得到增强。
从图5、图6、图7以及图8的对比可以看出，图7所示未加入Cu元素的涂层存在较为严重的裂纹与沟壑，图8所呈现的样品四的磨痕形貌，表示金属基体具有较深的磨痕。从图3可以看出，样品三晶界之间存在较大的空隙，增加了晶界周围的应力集中，并进一步促使空隙的形成和扩展。实施例1与实施例2中添加Cu元素到涂层中，NiAl金属间化合物对Cu有很大的固溶度，Cu固溶到NiAl粘接相，形成合金化合物，减少晶界处空隙，耐磨性能得到很大的提升，抑制磨痕的深度与宽度扩展，相较于对比例1与对比例2得到明显减少。
如图1所示，实施例1中的白色物质为WC溶解析出的合金碳化物相，其均匀分布在涂层的内部，形成弥散强化，加强涂层抵抗塑性变形的能力。从图4可以看出，在摩擦磨损实验中，实施例1和2相较于对比例1和2平均摩擦因数与磨损量都得到很好的改善，磨损表面生成的Al2O3、Ti2O和W3O等氧化物形成了氧化保护层，具有保护、润滑、提高耐磨性能和调节摩擦性能等作用。由于对比例2中的样品四是基体本身，并没有在其表面熔覆涂层，所以图9中只将实施例1、实施例2和对比例1中的三个表面熔覆涂层的样品进行对比。通过图9也可得出，通过本发明制备的涂层，其耐磨性和硬度得到提升，能最大程度上降低粘着磨损，其中磨粒磨损作为磨损的主要方式。因此，通过具体示例结合附图的描述可得，本发明通过激光熔覆制备得到的镍铝基耐磨性涂层，具有较高的硬度与良好的耐磨性。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (7)
1.一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层，其特征在于，所述涂层的所需粉料的质量百分含量为：2~6%的TiC粉，40~60%的WC粉，1~4%的Cu粉，20.55~40.4 %的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉。
2.一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、对金属基体表面进行清洁预处理；
步骤二、按质量百分比例配置涂层所需的粉料，粉料包括2~6%的TiC粉、40~60%的WC粉、1~4%的Cu粉、20.55~40.4%的Ni粉以及9.45~18.6%的Al粉，将粉料混合均匀后，在真空条件下进行存放，得到激光熔覆粉料；
步骤三、将金属基体表面预热到150~300℃，然后通过激光熔覆技术将步骤二得到的激光熔覆粉料熔覆于金属基体表面，即可在金属基体表面形成镍铝基耐磨性涂层；
步骤四、在涂层熔覆完毕后，进行后续热处理。
3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，TiC粉的粒径为48~74μm，WC粉的粒径为48~149μm，Cu粉的粒径为44~74μm；Ni粉的粒径为48~74μm；Al粉的粒径为37~74μm。
4.根据权利要求2所述的一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中清洁预处理为使用砂纸对金属基体表面进行抛磨处理，抛磨后放入无水乙醇中进行超声清洗和干燥处理。
5.根据权利要求2所述的一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中通过行星式球磨机将粉料混合均匀，行星式球磨机的转速为180~240r/min，球磨时间为8~12h，使用的球磨罐为真空不锈钢罐。
6.根据权利要求3~5任一项所述的一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中激光熔覆技术参数为：激光功率为700~1000W，送粉速率为35~50g/min，扫描速度为80~240mm/min，圆形光斑的直径为2mm~5mm，搭接率为30~40%，激光熔覆保护气体为氩气，载气流量为5~10L/min。
7.根据权利要求6所述的一种激光熔覆镍铝基耐磨性涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中，后续热处理为油冷、沙冷或者退火处理中的一种，冷却时间为20~30min。
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