CN117300120A - 一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末及制备涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末及制备涂层的方法，所述涂层粉末，由气雾化Fe‑RE金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到；所述涂层粉末以质量百分比计，包括91‑93%的气雾化Fe‑RE金属原粉和7‑9%的硬质相粉末；所述气雾化Fe‑RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为27‑30%，C为0.18‑0.25%，Si为3.0‑4.0%，B为2.0‑3.0%，Ni为5.0‑6.0%，RE为0.1‑0.5%，杂质含量小于等于0.01%，余量为Fe。本发明制备的激光熔覆涂层性能优越，硬度超过65HRC，同时具备极强的耐磨性，可以满足行业对高质量激光熔覆涂层的性能要求，满足高性能尖端技术需求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面修复技术领域。具体地说是一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末及制备涂层的方法。
背景技术
激光熔覆技术相较于传统表面修复工艺方法具有不受选材限制、热应力及热变形较小、结合强度高等优势，尤其是近年来发展迅速的超高速激光熔覆技术，在节约粉末、提高熔覆率、减少变形、保证冶金结合强度等方面具有重要优势，获得了工业界的重视。激光熔覆技术近年来在航空航天、能源电力、冶金机械等领域得到广泛应用。
与Ni基、Co基表面修复粉末相比，Fe基系列表面修复粉末兼具理化性能突出和成本低的优势，同时由于金属-陶瓷复合粉末能同时具有金属基体的韧性和陶瓷颗粒的高硬度，在激光熔覆中得到了广泛应用。但是二者之间存在较大的物理化学性能的差异，会使两者之间结合较差导致熔覆层出现裂纹、孔洞等缺陷，熔覆层的组织较粗大，涂层的硬度和耐磨性较差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末及制备涂层的方法，实现以下发明目的：
提高激光熔覆涂层的硬度和耐磨性能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，所述涂层粉末，由气雾化Fe-RE金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到；所述涂层粉末以质量百分比计，包括91-93%的气雾化Fe-RE金属原粉和7-9%的硬质相粉末；所述气雾化Fe-RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为27-30%，C为0.18-0.25%，Si为3.0-4.0%，B为2.0-3.0%，Ni为5.0-6.0%，RE为0.1-0.5%，杂质含量小于等于0.01%，余量为Fe。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
所述气雾化Fe-RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为28%，C为0.22%，Si为3.1%，B为2.5%，Ni为5.4%，RE为0.2%，杂质含量为0.01%，Fe为60.57%。
所述RE为La、Ce、Y中的一种或多种；所述硬质相粉末为WC、TiC和SiC的一种或多种。
所述RE由La、Y组成，La的质量百分含量为50%，Y的质量百分含量为50%。
所述硬质相粉末为WC、TiC两种的混合物，其中WC的质量百分含量为60%，TiC的质量百分含量为40%。
所述气雾化Fe-RE金属原粉的粒径范围为53-150μm；硬质相粉末粒径范围为50-150μm。
所述气雾化Fe-RE金属原粉的制备方法为以高碳铬铁、块体石墨、纯硅、纯铁、镍板、硼铁、稀土氧化物为原料，在中频炉中冶炼，经氮气雾化得到气雾化原粉。
所述冶炼温度为1545-1555℃，雾化温度为1568-1573℃，雾化压力为5.4-5.6MPa。
所述气雾化Fe-RE金属原粉，各原料的质量百分比为：高碳铬铁含量为51.8-52%；块体石墨含量为0.38-0.42%；纯硅含量为3.57-3.63%；纯铁含量21.3-21.5%；镍板含量为5.3-5.5%；硼铁含量为16.7-16.9%；La2O3和Y2O3的含量分别为0.28-0.31%和0.19-0.21%。
所述高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末采用同步送粉的送粉方式，利用光纤激光器在基体表面形成熔覆层，其具体步骤如下：
（1）对需进行表面熔覆的金属基材进行前处理，将涂层粉末烘干后进行筛分；
（2）按照比例称量高硬度耐磨性金属粉末备用；
（3）利用激光将高硬度耐磨性金属粉末激光熔覆在金属基材的表面；
（4）热处理和车磨加工。
所述激光熔覆时工艺参数为：激光功率为2000～3000W；光斑直径为2.5mm；熔覆速度为1000～1500mm/min；送粉速度为18～30mg/s；搭接率：60%-70%；采用高纯氩气作为保护气，气体流量为10-20L/min。
所述金属基体为45钢；每1m2金属基材表面熔覆18-22kg的涂层粉末。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
（1）本发明涂层粉末制备的激光熔覆涂层性能优越，硬度超过65HRC，同时具备极强的耐磨性，由摩擦磨损试验后（GB/T 12444-2006）垂直磨损方向的截面形貌图，可以看到其磨损深度较浅，仅为34.8μm，且受影响的磨损宽度较小，为1186.3μm，整体磨损性能较优，
可以满足行业对高质量激光熔覆涂层的性能要求，满足高性能尖端技术需求。与传统方法制备激光熔覆涂层相比，本发明的激光熔覆涂层粉末及制备方法有利于工业化大规模生产高质量激光熔覆涂层。
（2）本发明制得的高硬度高耐磨性激光熔覆涂层粉末，质量较高，其松装密度达到4.57g/cm3，流动性为12.6 s/50g。
（3）本发明在传统Fe基激光修复粉末基础上添加RE元素，能有效提高粉末质量，这得益于RE元素的加入，可以除去O、P、S等有害杂质元素，从而净化熔体，同时RE元素的加入能有效改善熔体的液相吉布斯自由能，提高雾化效率与质量。RE的加入也能够促进熔覆过程中硬质相CrC的生成，同时抑制其生长，从而提高熔覆涂层的硬度和耐磨性。
（4）本发明通过气雾化Fe-RE金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到激光熔覆涂层粉末，能同时具有金属基体的韧性和陶瓷颗粒的高硬度，制备的涂层具有高硬度、高耐磨性等优点，与常规金属-陶瓷复合涂层相比，本发明中由于RE元素的加入，熔覆层中金属与陶瓷相的结合得到了有效提升，可以提高涂层的硬度和耐磨性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中气雾化Fe-RE金属原粉的SEM图；
图2为本发明实施例1中硬质相粉末的SEM图；
图3为本发明实施例1的激光熔覆涂层微观组织的金相显微镜图；
图4为本发明对比例1、2中气雾化Fe基金属原粉的SEM图；
图5为本发明对比例1中激光熔覆涂层微观组织的金相显微镜图；
图6为本发明对比例2中激光熔覆涂层微观组织的金相显微镜图；
图7为本发明实施例1、对比例1和对比例2的涂层硬度柱状图；
图8为本发明实施例1、对比例1和对比例2涂层的垂直磨损方向截面形貌的金相显微镜图。
其中图8a为实施例1涂层的垂直磨损方向截面形貌的金相显微镜图；图8b为对比例1涂层的垂直磨损方向截面形貌的金相显微镜图；图8c为对比例2涂层的垂直磨损方向截面形貌的金相显微镜图。
图8a所示涂层，添加了稀土和硬质相颗粒，得到均匀分布的硬质相和陶瓷相，提高材料的耐磨性能；而图8b所示涂层，只添加硬质相颗粒，其组织中只观察到了均匀的硬质相组织，其硬度和耐磨性相较于实施例1均有所降低；图8c所示涂层中由于未添加硬质相和稀土，未观察到其组织中存在硬质相颗粒，其硬度和耐磨性均较差。
具体实施方式
实施例1一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末
所述涂层粉末由气雾化Fe-RE金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到，以质量百分比计，包括92%的气雾化Fe-RE金属原粉和8%的硬质相粉末。
其中气雾化Fe-RE金属原粉的粒径范围为53-150μm；硬质相粉末粒径范围为50-150μm。
所述气雾化Fe-RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为28%，C为0.22%，Si为3.1%，B为2.5%，Ni为5.4%，RE为0.2%，杂质含量为0.01%，Fe为60.57%。
所述RE由La、Y组成，La的质量百分含量为50%，Y的质量百分含量为50%。
硬质相粉末为WC、TiC两种的混合物，其中WC的质量百分含量为60%，TiC的质量百分含量为40%。
本实施例制得的高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末松装密度为4.57g/cm3，流动性为12.6s/50g。
本实施例中的气雾化Fe-RE金属原粉，制备方法如下：以高碳铬铁、块体石墨、纯硅、纯铁、镍板、硼铁、稀土氧化物为原料，在中频炉中冶炼，冶炼温度为：1550℃；经氮气雾化得到气雾化原粉，雾化温度为1570℃，雾化压力为5.5MPa。
所述气雾化Fe-RE金属原粉的各原料指标为：高碳铬铁中C含量为0.3%，Cr含量为58.3%，Fe含量为40.1%；块体石墨中C含量≥99.9%；纯硅中Si含量大于99%；纯铁中Fe含量≥99.9%；镍板中Ni含量为99.96%；硼铁中B含量为17.1%，Fe含量为81.77%；稀土氧化物种类为La2O3和Y2O3。
所述气雾化Fe-RE金属原粉，各原料的质量百分比为：高碳铬铁含量为51.9%；块体石墨含量为0.4%；纯硅含量为3.6%；纯铁含量21.4%；镍板含量为5.4%；硼铁含量为16.8%；La2O3和Y2O3的含量分别为0.3%和0.2%。
制备的气雾化Fe-RE金属原粉的松装密度为4.51g/cm3，流动性为13.0s/50g。
本实施例制得的气雾化Fe-RE金属原粉微观形貌如图1所示，可以观察到，加入RE元素后，制得的粉末球形度极高，且粉末表面光洁，卫星粉数量较少，粉末性能优异。图2所示为硬质相颗粒微观形貌，可以看出，本发明中选择的硬质相颗粒球形度极高，同时表面光洁，粉末性能优异。
本发明还提供了一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层的制备方法，采用同步送粉的送粉方式，利用光纤激光器在基体表面形成熔覆层，其具体步骤如下：
（1）对需进行表面熔覆的金属基材进行前处理，包括表面打磨、抛光以及除油处理，将高硬度耐磨性金属粉末在150℃摄氏度的条件下，干燥0.5h，烘干后进行筛分；
（2）按照比例称量合理的高硬度耐磨性金属粉末备用；
（3）利用激光将高硬度耐磨性金属粉末激光熔覆在金属基材的表面，每1m2金属基材表面需要20kg高硬度耐磨性金属粉末；
（4）金属基材经过激光熔覆后进行热处理和车磨加工。
步骤（1）中的金属基材为45钢。
步骤（3）中激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为2500W；光斑直径为2.5mm；熔覆速度为16.7mm/s；送粉速度为18mg/s；搭接率：60%；采用高纯氩气作为保护气，气体流量为12L/min。
步骤(4)中所述的热处理温度为200℃，热处理时间为0.5h。
本实施例制得的高硬度高耐磨性激光熔覆涂层平均硬度达到66.7HRC，且具有极高的耐磨性，车磨加工后熔覆涂层厚度为0.5mm。
本实施例中硬度通过洛氏硬度计测得，分别测量7个点取平均值；磨损试验参照GB/T 12444-2006进行。注：耐磨性是通过摩擦磨损实验后，横截面磨损量确定，即磨损量越小说明耐磨性越好。
本实施例的激光熔覆涂层微观组织如图3所示，可以发现，熔覆涂层组织由均匀的等轴晶组成，在其中夹杂着硬质相颗粒，涂层中硬质相由外加硬质相粉末和内生硬质相共同组成，形成一定的尺寸梯度等级，同时由于RE元素的加入，硬质相颗粒尺寸更小且分布均匀，其尺寸仅为10-60μm，这在一定程度上极大的提高了涂层硬度和耐磨性。RE元素加入后，生成了部分稀土相，如图中黑色颗粒所示，这能够有效细化熔覆层的组织，这对于涂层硬度和耐磨性的提高也起到了一定的作用。图8a所示为实施例摩擦磨损试验后（GB/T 12444-2006）垂直磨损方向截面形貌图，可以看到其磨损深度较浅，仅为34.8μm，且受影响的磨损宽度较小，为1186.3μm，整体磨损性能较优。
对比例1
本对比例1与实施例1的区别在于，制备的激光熔覆涂层粉末不含稀土元素。具体制备方法如下：
本对比例1中的一种激光熔覆涂层粉末，是由气雾化Fe基金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到，以质量百分比计，包括92%的气雾化Fe基金属原粉和8%的硬质相粉末。
其中气雾化Fe基金属原粉的粒径范围为53-150μm；硬质相粉末粒径范围为50-150μm。
本对比例1制得的气雾化Fe基金属原粉的具体组成为：其中Cr为27.5%，C为0.21%，Si为3.1%，B为2.52%，Ni为5.3%，杂质含量为0.015%，余量为Fe。
本对比例1中的气雾化Fe基金属原粉中的不包含RE元素。
硬质相粉末包含WC、TiC两种的混合物，其中WC的质量百分含量为60%，TiC的质量百分含量为40%。
本对比例1制得的激光熔覆涂层粉末的松装密度为4.39g/cm3，流动性为14.4s/50g。
本对比例1中的气雾化Fe基金属原粉，制备方法如下：以高碳铬铁、块体石墨、纯硅、纯铁、镍板、硼铁为原料，在中频炉中冶炼，冶炼温度为：1550℃；经氮气雾化得到气雾化原粉，雾化温度为1570℃，雾化压力为5.5MPa。
所述高碳铬铁中C含量为0.3%，Cr含量为58.3%，Fe含量为40.1%；块体石墨中 C含量≥99.9%；纯硅中Si含量大于99%；纯铁中Fe含量≥99.9%；镍板中Ni含量为99.96%；硼铁中B含量为17.1%，Fe含量为81.77%。
所述气雾化Fe基金属原粉，各原料的质量百分比为：高碳铬铁含量为51.9%；块体石墨含量为0.4%；纯硅含量为3.6%；纯铁含量21.9%；镍板含量为5.4%；硼铁含量为16.8%。
本对比例1制得的气雾化Fe基金属原粉微观形貌如图4所示，可以观察到，该粉末球形度较高，但相较于实施例1中的高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末形貌，对比例1制粉时未添加RE元素，金属熔体液相线升高，从而使得粉末雾化过程中的过热度降低，导致卫星粉数量明显增多，粉末表面光洁度下降,粉末综合性能较差。
本发明还提供了一种激光熔覆涂层的制备方法，采用同步送粉的送粉方式，利用光纤激光器在基体表面形成熔覆层，其具体步骤如下：
（1）对需进行表面熔覆的金属基材进行前处理，包括表面打磨、抛光以及除油处理，将高硬度耐磨性金属粉末在150℃摄氏度的条件下，干燥0.5h，烘干后进行筛分；
（2）按照比例称量合理的高硬度耐磨性金属粉末备用；
（3）利用激光将高硬度耐磨性金属粉末激光熔覆在金属基材的表面，每1m2金属基材表面需要20kg高硬度耐磨性金属粉末；
（4）金属基材经过激光熔覆后进行热处理和车磨加工。
步骤（1）中的金属基材为45钢。
步骤（3）中激光熔覆时的工艺参数为：激光功率为2500W；光斑直径为2.5mm；熔覆速度为16.7mm/s；送粉速度为18mg/s；搭接率：60%；采用高纯氩气作为保护气，气体流量为12L/min。
步骤（4）中所述的热处理温度为200℃，热处理时间为0.5h。
本对比例1制得的激光熔覆涂层平均硬度为57.3HRC，相较于实施例1中的高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其硬度水平较低且耐磨性较差。对比例1的激光熔覆涂层微观组织如图5所示，对比例1中的熔覆涂层组织由粗大的枝晶组成，组织中仅有少量的胞状晶，这表明在只外加硬质相时，激光熔覆涂层的组织未被细化，这对于涂层硬度和耐磨性的提高作用较小。图8b所示为对比例熔覆涂层摩擦磨损试验后垂直磨损方向截面形貌图，可以看到其磨损深度相对较深，为39.5μm，且受影响的磨损宽度较长，为1354.7μm，整体磨损性能较差，在图中仅能观察到基体和白色外加硬质相颗粒，其硬质相尺寸较大，为80μm左右，这对于涂层耐磨性的提高作用较小。
与实施例1相比，对比例1的粉末形貌较差，且杂质含量有所上升，熔覆涂层组织相对粗大，熔覆涂层硬度相对较低，且熔覆涂层耐磨性较差。这说明在气雾化Fe基金属原粉的基础上，添加稀土元素，能明显改善熔覆涂层的微观组织，使其得到细化，同时稀土元素可以有效增加熔覆涂层组织中硬质相数量，降低硬质相颗粒尺寸的同时使其分布更均匀，提高熔覆涂层的硬度和耐磨性。
对比例2
本对比例2与实施例的区别在于，制备的激光熔覆涂层粉末不含稀土元素和硬质相。
本对比例2中的一种激光熔覆涂层粉末，为气雾化Fe基金属原粉，气雾化Fe基金属原粉粒径范围为53-150μm。
本对比例2采用和对比例1相同的气雾化Fe基金属原粉。
本对比例2制得的激光熔覆涂层粉末的松装密度为4.26g/cm3，流动性为15.7s/50g。
激光熔覆涂层的制备方法，同对比例1。
本对比例2制得的激光熔覆涂层平均硬度仅为48.2HRC，相较于实施例1中的高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末及制备方法，其硬度水平极低且耐磨性极差。对比例2的激光熔覆涂层微观组织如图6所示，对比例2中的熔覆涂层组织均由粗大的枝晶组成，组织中未观察到胞状晶组织，这说明在激光熔覆过程中，异质点数量较少，使得晶粒形核困难，晶粒快速生长为粗大的枝晶。图8c所示为对比例熔覆涂层摩擦磨损试验后垂直磨损方向截面形貌图，可以看到其磨损深度相对极深，为52.7μm，且受影响的磨损宽度较长，为1818.2μm，整体磨损性能较差。且在组织中未观察到硬质相存在。
与实施例1相比，对比例2的粉末形貌较差，熔覆涂层组织相对粗大，熔覆涂层硬度较低，且熔覆涂层耐磨性极差。这说明在气雾化Fe基金属原粉的基础上，设计添加稀土元素和硬质相颗粒，能明显改善熔覆涂层的微观组织，使其得到细化，同时稀土元素可以有效增加熔覆涂层组织中硬质相数量，提高熔覆涂层的硬度和耐磨性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述涂层粉末，由气雾化Fe-RE金属原粉和硬质相粉末均匀混合得到；所述涂层粉末以质量百分比计，包括91-93%的气雾化Fe-RE金属原粉和7-9%的硬质相粉末；所述气雾化Fe-RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为27-30%，C为0.18-0.25%，Si为3.0-4.0%，B为2.0-3.0%，Ni为5.0-6.0%，RE为0.1-0.5%，杂质含量小于等于0.01%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述气雾化Fe-RE金属原粉，以质量百分比计，其组成为：Cr为28%，C为0.22%，Si为3.1%，B为2.5%，Ni为5.4%，RE为0.2%，杂质含量为0.01%，Fe为60.57%。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述RE为La、Ce、Y中的一种或多种；所述硬质相粉末为WC、TiC和SiC的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述气雾化Fe-RE金属原粉的粒径范围为53-150μm；硬质相粉末粒径范围为50-150μm。
5.根据权利要求1所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述气雾化Fe-RE金属原粉的制备方法为以高碳铬铁、块体石墨、纯硅、纯铁、镍板、硼铁、稀土氧化物为原料，在中频炉中冶炼，经氮气雾化得到气雾化原粉。
6.根据权利要求5所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述冶炼温度为1545-1555℃，雾化温度为1568-1573℃，雾化压力为5.4-5.6MPa。
7.根据权利要求5所述的一种高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末，其特征在于，所述气雾化Fe-RE金属原粉，各原料的质量百分比为：高碳铬铁含量为51.8-52%；块体石墨含量为0.38-0.42%；纯硅含量为3.57-3.63%；纯铁含量21.3-21.5%；镍板含量为5.3-5.5%；硼铁含量为16.7-16.9%；La2O3和Y2O3的含量分别为0.28-0.31%和0.19-0.21%。
8.权利要求1所述高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末制备涂层的方法，其特征在于：所述高硬度高耐磨激光熔覆涂层粉末采用同步送粉的送粉方式，利用光纤激光器在基体表面形成熔覆层，其具体步骤如下：
（1）对金属基材进行前处理，将涂层粉末烘干后进行筛分；
（2）按照比例称量高硬度耐磨性金属粉末备用；
（3）利用激光将高硬度耐磨性金属粉末激光熔覆在金属基材的表面；
（4）热处理和车磨加工。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000～3000W；光斑直径为2.5mm；熔覆速度为1000～1500mm/min；送粉速度为18～30mg/s；搭接率：60%-70%；采用高纯氩气作为保护气，气体流量为10-20L/min。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述金属基体为45钢；每1m2金属基材表面熔覆18-22kg的涂层粉末。
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|---|---|---|---|---|
| CN118180380A (zh) * | 2024-05-13 | 2024-06-14 | 河北钨泰固机械设备有限公司 | 一种金属粉末、熔覆涂层及其制备方法和应用 |
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