[發明專利]一種激光熔覆金屬/陶瓷復合涂層及其制備工藝

有效

• 申請號: 201310392592.1
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103409749A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 于慧君;陳傳忠;賀挺
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 楊琪

技術領域

本發明涉及一種激光熔覆金屬陶瓷復合涂層，屬于復合材料技術領域。

背景技術

激光熔覆是利用高能激光束加熱材料表面，將預先涂覆在其上的或輸送到表面的涂層材料與基體表面一薄層一起熔化形成微小熔池并迅速凝固，在金屬基體表面形成具有優異性能的、與基體呈現冶金結合的熔覆層。由于熔化速度快，基體熔化層薄，所以稀釋率較低，可以得到成分與涂層基本一致的熔覆層。激光熔覆的特點是：冷卻速度極快，熔覆層的組織細小，合金元素固溶速度增加，甚至產生亞穩相和非晶等；熔覆層與基底具有冶金結合，且基底對涂層的稀釋率低；可進行涂層成分設計，得到不同性能的涂層；局部表層快速加熱對基底或工件的熱影響小；熔覆層的厚度可控，并可以進行選區熔覆。熔覆材料的選擇和熔覆操作的工藝參數是決定熔覆層性能的關鍵。

激光熔覆的主要目的是為了提高工件的耐磨、耐蝕及耐熱性能，基體材料有各種碳鋼、不銹鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。自熔性合金由于具有良好的脫氧、造渣功能，同時又與多數金屬材料具有良好的潤濕性，自開展激光熔覆技術研究以來，被廣泛用作熔覆材料，如Ni基、Fe基、Co基自熔性合金。在此基礎上，根據服役條件和更加嚴格的性能要求，在自熔合金中加入各種高熔點的碳化物(TiC、SiC、B₄C、WC)、氮化物(TiN、Si₃N₄)、硼化物(TiB₂)和氧化物(Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Cr₂O₃)陶瓷顆粒，形成金屬陶瓷復合涂層，從而獲得各種優異的表面性能，顯示出激光熔覆技術更為廣闊的應用前景。

采用自熔性合金+陶瓷相作為熔覆材料，熔覆層由面心立方的γ相(Fe、Ni、Co)、未熔陶瓷相顆粒和析出相(如M₇C₃、M₂₃C₆等)組成。涂層中存在細晶強化、硬質顆粒彌散強化、固溶強化和位錯堆積強化等強化機制。

目前，關于鋼鐵表面-Ni基激光熔覆的研究較少，尚未發現以Ni基自熔性合金+作為熔覆材料在鋼鐵表面進行激光熔覆的研究。

激光熔覆的工藝參數主要包括激光功率P、光斑尺寸(光斑直徑D)、光腔輸出時的光束構型和聚焦方式、掃描速度V、多道搭接率及預制層厚度或送粉量。受激光器某些固定參量的局限，實際上激光熔覆層的質量主要是通過以下幾方面來加以控制：

(1)激光功率P。功率太低時熔覆材料與基體不能充分熔化，不能實現與熔覆層的良好結合；功率太高時又會導致稀釋率升高，不利于熔覆層的性能的提高。

(2)光斑尺寸D。大的光斑直徑能延長熔池的存在時間，有利于成分的均勻化。過大的光斑直徑使輸入能量面密度降低，熔化深度變淺。

(3)掃描速度V。掃描速度過慢，會造成預置涂層材料燒損，表面粗糙度增大。掃描速度過快，激光能量不足，涂層材料未完全熔化，不能形成涂層。

發明內容

本發明的目的是提供一種激光熔覆金屬/陶瓷復合涂層。

本發明的另一目的是提供該種激光熔覆金屬/陶瓷復合涂層的制備工藝。

本發明采取的技術方案為：

一種激光熔覆金屬/陶瓷復合涂層，它以鋼為基體材料，以Ni35鎳基合金粉末和大顆粒碳化鈮NbC為熔覆材料，激光熔覆得到，熔覆材料的體積百分比（體積是由其粉末質量除以其密度的計算方式得到）組成為Ni35鎳基合金粉末20～80%、大顆粒NbC80～20%。

所述的組成優選為Ni35鎳基合金粉末30～70%、大顆粒NbC70～30%。

所述的大顆粒NbC粒度為74μm～178μm。Ni35鎳基合金粉末粒徑37μm～89μm。

上述激光熔覆金屬/陶瓷復合涂層的制備工藝，包括步驟如下：

1)將熔覆材料混合均勻，用水玻璃稀釋溶液將混合粉末調成糊狀均勻涂覆于清理后的基體試樣表面，控制其厚度為1.2～1.5mm，晾干；

2)用連續激光器對步驟1)晾干的試樣涂覆層進行熔覆，連續激光器用的功率為2～5kW，掃描速度為5～20mm/s，光斑直徑為4mm，并側吹氬氣保護。

上述步驟1)中水玻璃稀釋溶液中水玻璃與水體積比=1:3，每克熔覆材料用水玻璃稀釋溶液5-10滴。步驟2）所述的功率優選3kW，掃描速度為5mm/s。