CN117867493A - 基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于WC涂层技术领域，具体涉及一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法，包括如下步骤：步骤S1，真空雾化制备得到NiAl粉体；步骤S2，预处理基材，通过送粉机将NiAl粉体送至基材表面并由激光器扫描，得到粗制NiAl涂层；步骤S3，对粗制NiAl涂层进行打磨去氧化层并清洗，得到预制NiAl涂层；步骤S4，通过送粉机将WC合金粉末送至预制NiAl涂层表面并有激光器扫描，得到WC涂层；通过设置二路激光传输和二路送粉，在基材表面形成含有高强度高化学活性的Al3Ni物相的NiAl合金层，其中Ni和Al作为粘接金属有后续激光熔覆的WC粉体形成良好的冶金结合，有效提高了WC粉体与三维复杂曲面基材的结合强度，也降低了涂层应力和裂纹形成的可能性。
Description
技术领域
本发明属于WC涂层技术领域，具体涉及一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法。
背景技术
碳化钨(WC)因其超高的硬度，广泛的应用于材料表面改性处理，可以提高耐磨损和抗腐蚀性能。常规的制备方法是利用WC与少量的铁族金属(铁、镍、钴)混合，然后压制成型在氢气中经过1300℃高温烧结而形成硬度合金。但是以WC为原材料采用烧结方法的制造成本太高，损坏后难以修复，影响了WC的工业应用。
目前，超音速火焰喷涂技术已经能够制备高质量的WC涂层，但是WC的制备需要高温高压的条件，WC)涂层与基体材料的结合力差，不能形成冶金结合。因此，超音速火焰喷涂不太适用于WC涂层的制备。同时，超音速火焰喷涂技术不能在复杂三维曲面制备均匀分布的WC涂层，影响了WC涂层在工业进一步的应用。
但是在实际应用环节中，气缸缸套内壁的表面处理并不尽如人意，这类带有复杂三维曲面的WC涂层制备往往存在结合力不足等缺陷，进而带来设备性能的降低。
因此，亟需一种可提高WC涂层与复杂三维曲面结合力的涂层制备方法。
发明内容
本发明提供了一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法，以解决WC涂层通过现有工艺与复杂三维曲面结合力不足的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层的制备方法，包括如下步骤：步骤S1，真空雾化制备得到NiAl粉体；步骤S2，预处理基材，通过送粉机将NiAl粉体送至基材表面并由激光器扫描，得到粗制NiAl涂层；步骤S3，对粗制NiAl涂层进行打磨去氧化层并清洗，得到预制NiAl涂层；步骤S4，通过送粉机将WC合金粉末送至预制NiAl涂层表面并有激光器扫描，得到WC涂层。
又一方面，本发明还提供了一种由前所述方法制备得到的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层，包括：所述WC涂层的厚度为1000～1200μm；所述WC涂层中Ni和Al的质量份数之比为3:1。
本发明的有益效果是，本发明的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法通过设置二路激光传输和二路送粉，在基材表面形成含有高强度高化学活性的Al3Ni物相的NiAl合金层，其中Ni和Al作为粘接金属有后续激光熔覆的WC粉体形成良好的冶金结合，有效提高了WC粉体与三维复杂曲面基材的结合强度，也降低了涂层应力和裂纹形成的可能性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1是NiAl过渡层与WC涂层的结合机理图；
图2是本发明的激光熔覆WC-NiAl涂层工艺示意图；
图3是本发明的WC涂层断面形貌图；
图4是本发明的WC涂层的残余应力分析图；
图5是本发明的WC涂层的摩痕图；
图6是本发明的WC涂层的摩擦系数图。
图中：
WC涂层1、NiAl涂层2、基材3、WC粉末4、NiAl合金粉末5、光路6、第一激光头7、第二激光头8、第二反射镜9、第一反射镜10、氮气瓶11。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
以气缸缸套为代表的复杂三维曲面的WC涂层制备一直是行业困扰的痛点，而现有的超音速火焰喷涂技术虽然在平坦表面可以实现良好的涂层均匀性和附着力，但在复杂曲面上存在如下限制：
1.喷嘴配置和喷涂角度：超音速喷涂过程中，喷嘴的配置和喷涂角度对涂层的均匀性至关重要。在复杂的曲面结构上，喷嘴的位置和角度可能无法得到充分的调整，导致部分区域的涂层过厚或过薄，难以实现均匀的涂层分布。
2.粒子沉积和飞溅：超音速火焰喷涂过程中，涂层颗粒在高速气流中沉积到基材表面，同时也会有一部分颗粒发生飞溅。而在复杂的曲面上，粒子沉积和飞溅的分布可能不均匀，导致涂层的厚度和密度变化较大。
3.附着力和表面质量：复杂曲面上的不平坦性会影响涂层的附着力和表面质量。由于涂层的形成是靠颗粒在高速气流中冲击基材并粘附，对于凹凸不平的曲面，涂层的附着力可能会出现局部问题，同时也会影响涂层的表面光滑度和均匀性。
4.工艺参数的调整：超音速火焰喷涂需要调整多个工艺参数，包括喷涂速度、喷嘴温度、喷粉量等。对于复杂曲面，这些工艺参数的选择和调整可能更加困难，很难找到适合所有曲面的最佳参数组合，导致涂层均匀性的挑战。
本发明提供了一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层的制备方法，包括如下步骤：步骤S1，真空雾化制备得到NiAl粉体；步骤S2，预处理基材，通过送粉机将NiAl粉体送至基材表面并由激光器扫描，得到粗制NiAl涂层；步骤S3，对粗制NiAl涂层进行打磨去氧化层并清洗，得到预制NiAl涂层；步骤S4，通过送粉机将WC合金粉末送至预制NiAl涂层表面并有激光器扫描，得到WC涂层。
在本实施例中，具体的，所述NiAl粉体的球度不低于90％；所述NiAl粉体的粒径为50～105μm；以及所述NiAl粉体的粒径平均值±标准差的尺寸占总比例的97％；NiAl粉体球度、粒径、粒径平均值三项参数均可影响送粉的流动性，同时使粒径满足正态分布的特点可进一步提高送粉效率，以及高球度可使粉体能够以滚动方式移动，避免因粉体球度低而导致以漂浮方式移动而造成堵塞，影响涂层制备品质。
在本实施例中，具体的，所述基材包括45钢；以及所述预处理依次包括用浓NaOH溶液清洗、酒精清洗、烘干、装入夹具；其中NaOH溶液清洗可洗去表面的切屑液，酒精可清洗去除水渍。
在本实施例中，具体的，所述NiAl粉体与WC涂层的质量份数之比为8～10:100，以保证Ni、Al作为粘接金属可起到将基材与WC颗粒的有效结合。
在本实施例中，具体的，所述粗制NiAl涂层包括Al3Ni物相的NiAl合金层；所述预制NiAl涂层包括Al3Ni物相的NiAl合金层，具有高强度和高化学活性的Al3Ni物相的NiAl合金层，可为制备WC涂层提供附着层。
如图1所示，为上层为WC涂层，中层为NiAl过渡层，下层为基材的原子模型图，NiAl过渡层提供的Al3Ni物相可使上下两层紧密结合。
在本实施例中，具体的，步骤S2中所述送粉机的送粉速率为8～9g/s；所述送粉机的送粉种类为NiAl粉体；所述激光器的功率为1700～1800W；以及扫描速度为7～9mm/s；搭接率为40％。
在本实施例中，具体的，步骤S4中所述送粉机的送粉速率为8～9g/s；所述送粉机的送粉种类包括WC-Ni、WC-Al合金粉末；所述激光器的功率为1700～1800W；以及扫描速度为7～9mm/s；搭接率为40％。
在本实施例中，具体的，步骤S2与步骤S4中激光功率、送粉速度、激光扫描速度和搭接率的选择保持一致。
在本实施例中，具体的，所述激光器选择大功率熔覆NiAl涂层，以形成深的熔池，提高涂层冶金结合的界面。
在本实施例中，具体的，所述送粉机的送粉速度在于保证送粉流动性和激光熔覆熔池的质量。
在本实施例中，具体的，所述激光扫描的速度在于保证粉体的充分熔融。
如图2所示，步骤S2与步骤S4中激光功率、送粉速度、激光扫描速度和搭接率的选择保持一致可使NiAl过渡层与WC涂层的生成速度一致，光路6发射的激光分别通过第二反射镜9和第一反射镜10照射至第一激光头7和第二激光头8上分别将WC粉末4和NiAl合金粉末5激光熔覆在基材3上依次形成NiAl涂层2、WC涂层1，所述系统与氮气瓶11联通。
又一方面，本发明还提供了一种由前所述方法制备得到的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层，包括：所述WC涂层的厚度为1000～1200μm；所述WC涂层中Ni和Al的质量份数之比为3:1。
在本实施例中，具体的，所述WC涂层的摩擦系数为0.35～0.4。
在本实施例中，具体的，所述WC涂层的磨损率不高于28μm3·N-1·mm-1。
实施例
步骤S1，真空雾化制备得到NiAl粉体；
步骤S2，预处理基材，清洗45钢基体，将试样表面用浓NaOH溶液清洗，去除表面的切屑液后，酒精清洗去除水渍，烘干，装入夹具备用；
通过送粉机将NiAl粉体送至基材表面并由激光器扫描，得到粗制NiAl涂层；工艺参数：激光器功率1700W；送粉机送粉速率8g/s；送粉种类Ni、Al合金粉末；扫描速度8mm/s；搭接率40％；
步骤S3，对粗制NiAl涂层进行打磨去氧化层并清洗，得到预制NiAl涂层；
步骤S4，通过送粉机将WC合金粉末送至预制NiAl涂层表面并有激光器扫描，得到WC涂层；工艺参数：激光器功率1700W；送粉机送粉速率8g/s；送粉种类为Ni-60％WC粉末；扫描速度8mm/s；搭接率40％。
上述步骤均在氩气保护环境下进行。
如图3所示，由WC涂层断面形貌图可知，NiAl过渡层在WC涂层和基体之间起了很好的连接作用，提高了WC涂层的结合强度。
如图4所述，残余应力处于压应力状态，(残余应力为-1693±345MPa)，避免了裂纹的产生。
在本实施例中，具体的，涂层厚度1.1mm；WC涂层与NiAl过渡层形成良好的冶金结合；WC涂层平均硬度768±56HV0.5。
在本实施例中，具体的，在CFT-1型摩擦试验机上测试涂层的摩擦-磨损性能，腐蚀溶液为内蒙古乌素煤矿中泥浆，其成分如表1所示。
表1内蒙古乌素煤矿泥浆组分Tab.1Composition of Wusu coal mine in InnerMongolia
摩擦-磨损试验在常温下进行，每种涂层重复进行3次摩擦-磨损试验，取3次测量的平均值作为试验值。采用4mm的Si3N4球作为摩擦副，试验参数为：载荷10N，转速200t/min，往复长度4mm，持续时间60min。
如图5和图6所示，测得摩擦系数0.4；磨痕剖面面积1641.6μm2磨痕深度5.51μm磨损率为27.36μm3·N-1·mm-1。
综上所述，本发明的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层及其制备方法通过设置二路激光传输和二路送粉，在基材表面形成含有高强度高化学活性的Al3Ni物相的NiAl合金层，其中Ni和Al作为粘接金属有后续激光熔覆的WC粉体形成良好的冶金结合，有效提高了WC粉体与三维复杂曲面基材的结合强度，也降低了涂层应力和裂纹形成的可能性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，真空雾化制备得到NiAl粉体；
步骤S2，预处理基材，通过送粉机将NiAl粉体送至基材表面并由激光器扫描，得到粗制NiAl涂层；
步骤S3，对粗制NiAl涂层进行打磨去氧化层并清洗，得到预制NiAl涂层；
步骤S4，通过送粉机将WC合金粉末送至预制NiAl涂层表面并有激光器扫描，得到WC涂层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中
所述NiAl粉体的球度不低于90％；
所述NiAl粉体的粒径为50～105μm；以及
所述NiAl粉体的粒径平均值±标准差的尺寸占总比例的97％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述基材包括45钢；以及
所述预处理依次包括用浓NaOH溶液清洗、酒精清洗、烘干、装入夹具。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述NiAl粉体与WC涂层的质量份数之比为8～10:100。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述粗制NiAl涂层包括Al3Ni物相的NiAl合金层；
所述预制NiAl涂层包括Al3Ni物相的NiAl合金层。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中
所述送粉机的送粉速率为8～9g/s；
所述送粉机的送粉种类为NiAl粉体；
所述激光器的功率为1700～1800W；以及
扫描速度为7～9mm/s；
搭接率为40％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中
所述送粉机的送粉速率为8-9g/s；
所述送粉机的送粉种类包括WC-Ni、WC-Al合金粉末；
所述激光器的功率为1700-1800W；以及
扫描速度为7-9mm/s；
搭接率为40％。
8.一种由权利要求1-7任一项所述方法制备得到的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层，其特征在于，包括：
所述WC涂层的厚度为1000～1200μm；
所述WC涂层中Ni和Al的质量份数之比为3:1。
9.如权利要求8所述的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层，其特征在于，
所述WC涂层的摩擦系数为0.35～0.4。
10.如权利要求8所述的基于NiAl过渡层激光熔覆的WC涂层，其特征在于，
所述WC涂层的磨损率不高于28μm3·N-1·mm-1。
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| CN (1) | CN117867493A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021258566A1 (zh) * | 2020-06-24 | 2021-12-30 | 浙江工业大学 | 一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法 |
| CN114438489A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-05-06 | 西安陕鼓动力股份有限公司 | Trt叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层、制备方法及trt叶片 |
| CN115537803A (zh) * | 2022-10-09 | 2022-12-30 | 广东粤科新材料科技有限公司 | 一种316L不锈钢表面的WC-Ni耐磨涂层及其制备方法 |
| CN116875933A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-10-13 | 江苏远方动力科技有限公司 | 抑制高温脱碳的wc涂层合金及其制备方法 |
-
2024
- 2024-01-15 CN CN202410053079.8A patent/CN117867493A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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