納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料及其雷射熔覆工藝的製作方法

2023-07-13 01:49:26 1

專利名稱：納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料及其雷射熔覆工藝的製作方法
納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料及其雷射熔覆工藝技術領域
本發明屬材料表面改性技術領域。是提供一種碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料及其雷射熔覆工藝。
背景技術：
雷射熔覆是以不同的填料方式，在被熔覆基材表面上放置被選擇的塗層材料，經雷射輻照使之與基材表面一薄層同時熔化，並快速凝固後形成稀釋率極低，與基材呈冶金結合的表面塗層，從而顯著提高基材表面性能的工藝方法。
鎳基自熔性合金具有良好耐蝕性、抗氧化性和潤溼性，是目前雷射熔覆普遍採用的一類塗層材料體系。為了滿足劇烈摩擦磨損工況條件下工件使用性能的要求，通常是增加鎳基自熔性合金中碳和矽的含量，以增加其耐磨性能，但這勢必會增大塗層的開裂傾向。 如果在鎳基自熔性合金中引入納米碳包碳化鈦顆粒，構成所謂的納米增強複合材料，則因納米顆粒對基質相生長的控制作用，納米顆粒與位錯的相互作用，以及納米顆粒周圍特殊的應力場分布，可極大改善鎳基自熔性合金的韌性。同時，納米碳包碳化鈦作為一種包覆材料，其不僅具有核心碳化鈦高的硬度和強度，而且因碳包覆層特殊的六邊形薄層結構及薄層間微弱的範德華力，使其層間具有低的剪切強度，在受到摩擦擠壓和熱的作用下易在摩擦界面轉移形成潤滑轉移膜，而展示出良好的自潤滑特性，且碳對雷射束高的吸收率，可降低雷射熔覆過程中的能量密度，減少核心納米碳化鈦顆粒的燒蝕。從而全面提升鎳基自熔性合金的摩擦磨損性能。發明內容
本發明的目的是提供一種納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料體系及相應的雷射熔覆工藝。
本發明的技術解決方案是
一種納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料，以鎳基自熔性合金為基質材料；以尺寸範圍為100-500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加的體積百分比為O. 5-20%0
根據構件的工況需要，在鎳基自熔性合金粉體中加入一定化學計量比的納米碳包碳化鈦。複合粉體經充分混合後，在惰性氣體保護下，採用預置法進行雷射熔覆，以此獲得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層。具體方法操作步驟如下
( I)根據構件的性能要求，在鎳基自熔性合金中加入一定比例的納米碳包碳化鈦粉體；
(2)採用研磨法，將配製好的複合粉體進行長時間溼混，以使其均勻混合；
(3)採用預置法，在鋼和合金基體上利用連續CO2雷射器進行雷射熔覆。
其中
步驟(I)中所述自熔性合金為Ni65.83Cr15B3.QSi3.5CQ.7Fei2鎳基合金，其粉體的粒度範圍介入3(Γ 80μπι範圍內；碳包碳化鈦尺寸分布在100-500nm之間，加入量為O. 5-20vol. % ；
步驟(2)中所述的研磨法中溼混介質為無水酒精溶液；
步驟(3)中所述的惰性氣體為氬氣或氦氣；
步驟(3)中所述的預置塗層厚度為O. 2-1. Omm ；
步驟(3)中所述雷射工藝參數為雷射功率2. 5-4. 5KW，掃描速度2. 0-6. Omm/s，光斑直徑2. 0-6. 0mm，搭接率10_40%。
本發明的有益效果是，碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層組織均勻緻密，耐蝕性能和摩擦磨損性能優異，可滿足碳鋼、合金鋼構件在腐蝕環境和劇烈摩擦磨損服役條件下使用性能要求，且塗層製備過程規模化和自動化程度高，可實現柔性加工。


圖I是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的XRD圖譜。
圖2是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的SEM形貌。
圖中a O. O wt. %TiC/C ; b O. 5 wt. %TiC/C; c I. 5 wt. %TiC/C;
d 3. 5 wt. %TiC/C; e 5.0 wt. %TiC/C; f 15.0 wt. %TiC/C;
圖3是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層中碳包碳化鈦納米顆粒分布。
圖4是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的顯微硬度。
圖5是實例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的摩擦係數。
圖6是實例納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的耐磨性能。
具體實施方式
下面結合具體實施例，對本發明的技術方案進一步說明。
選用粒度為45_180μπι的Nifa8Cr15BwS^5Ca7Fe12鎳基自熔性合金粉末為熔覆層基質材料，選用粒度為500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加量為O. 5-14 vol. %。首先按化學計量比配製複合粉體。然後，採用研磨法將配製好的複合粉體進行溼混。將複合粉體預置於300M鋼表面(預置層厚度為1mm)，在氬氣保護下利用5KW橫流CO2雷射器進行多道搭接雷射熔覆。雷射熔覆具體工藝參數為雷射功率3. OKff,掃描速度3. Omm/s,光斑直徑 5. Omm，搭接率 20%。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的XRD圖譜如圖I所示。可見，不同納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層主要是由Y -Ni、Ni3B、M23C6, M7C3和TiC相所組成。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的SEM形貌如圖2所示。可見，不同碳包碳化鈦含量的複合塗層皆呈現出典型的樹枝晶+共晶組織形貌特徵。但有所不同的是隨著碳包碳化鈦含量的增加，複合塗層組織逐漸細化，共晶組織數量逐漸減低；當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，複合塗層組織開始粗化，共晶組織數量隨之增加。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層中碳包碳化鈦顆粒典型的分布如圖3所示。可見，在雷射熔覆後，碳包碳化鈦仍保持原始的形貌特徵，且其分布比較均勻。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的顯微硬度如圖4所示。隨著碳包碳化鈦含量的增加，複合塗層平均顯微硬度由HV635逐漸降至HV475。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的摩擦係數如圖5所示。可見，隨著碳包碳化鈦含量的增加，複合塗層的摩擦係數由O. 710逐漸降低至O. 630 ;當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，複合塗層摩擦係數開始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時，摩擦係數達到O. 638。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層的磨損體積如圖6所示。可見，隨著碳包碳化鈦的增加，複合塗層的磨損體積由7. 6X 10_3mm3逐漸降至3. 2X 10_3mm3 ;當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，複合塗層磨損體積開始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時， 磨損體積達到4. 9X l(T3mm3。
本發明的實施例，摩擦磨損實驗是在CETRUMT-2型磨損試驗機上進行的，採用球盤往復磨損方式，使用直徑為5mm的GCrl5鋼球(其硬度為HRC55)，法向加載5N的載荷，往復運動距離3mm,磨損時間30min。
權利要求
1.一種納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料，其特徵是以鎳基自熔性合金為基質材料；以尺寸範圍為100-500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加的體積百分比為0. 5_20%。
2.製備權利要求I所述的納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料的雷射熔覆，其特徵在於，工藝參數範圍為雷射功率2. 5-4. 5KW，掃描速度2. 0-6. Omm/s，光斑直徑2. 0-6. Omm,搭接率10-40%，氬氣或氦氣保護。
全文摘要
納米碳包碳化鈦增強鎳基複合塗層材料與雷射熔覆工藝屬於材料表面改性技術領域。其特徵是以Ni65.83Cr15B3.0Si3.5C0.7Fe12鎳基自熔性合金粉末為基質材料，以0.5-20vol.%的納米碳包碳化鈦為增強相，利用雷射熔覆技術在鋼和合金基體上製備納米增強鎳基複合塗層。本發明的優點是塗層組織均勻緻密，韌性好，耐蝕性和耐磨性能優異，與基體之間具有良好的冶金結合，可滿足碳鋼、合金鋼構件在不同工況條件下對摩擦磨損性能要求，且塗層製備過程規模化和自動化程度高，可廣泛應用於航空航天、機械、汽車和軍工等領域。
文檔編號C22C19/03GK102978444SQ20121049506
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者王存山, 柴龍順, 董星龍, 黃昊 申請人:大連理工大學