[發明專利]一種氬弧重熔Fe基耐磨層的制備方法

在審

• 申請號: 201810030215.6
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN107937860A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 董天順;鄭曉東;李國祿;李亞龍;李小兵;劉利;王冉
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/06;C23C4/18;C23C24/10;C22C38/54;C22C38/02;C22C38/04
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙)12210
• 代理人: 趙鳳英

技術領域

本發明屬于重熔合金涂層技術領域，尤其涉及一種氬弧重熔Fe基合金粉末及其制備方法。

背景技術

航空發動機的缸套、曲軸的破壞和失效一般都發生在零件的表面或從表面開始，如磨損、氧化等。據統計，全世界各類零部件因摩擦磨損造成的經濟損失高達數千億美元。由于摩擦磨損發生在材料表面，因此采用先進的表面強化技術，在普通材料表面優化設計出所需的耐磨涂層是一種簡便有效的方法，不僅可以顯著提高產品的服役壽命，而且節約材料和能源。熱噴涂技術是目前常見的表面修復與防護技術，其具有生產效率高、經濟效益好、材料利用率高等優點。熱噴涂技術雖然多種多樣，但其基本工藝是相同的，噴涂材料經加熱熔化和加速→撞擊基體→冷卻凝固→形成涂層。

等離子噴涂是熱噴涂的典型技術之一，雖然等離子噴涂層具有較高的耐磨能力，但是等離子涂層存在孔隙、裂紋、氧化夾雜物、涂層與基體結合差等缺陷，限制了熱噴涂層的應用范圍。目前，相關研究發現重熔處理可以明顯改善熱噴涂層的組織，并進而提高其耐磨性、耐疲勞性能。比較常見的重熔處理方式有激光重熔、電子束重熔、感應重熔、火焰重熔等。但上述重熔方法在工程應用中均存在一定的困難：激光重熔急劇加熱、冷卻使得涂層容易產生裂紋，同時熔池中的氣體也不易于排除，進而形成氣孔缺陷；電子束重熔要求具備真空室，因此工件的尺寸受到限制；感應重熔溫度場分布不均勻，影響涂層組織與性能的均勻性且該工藝嚴格受感應圈形狀和尺寸限制；火焰重熔擴大了重熔工件的熱影響區，殘余應力較大，變形較嚴重；而鎢極氬弧重熔技術經濟成本低，容易實現自動化，惰性氣體保護效果好，熱輸入較低，熔深較淺。

氬弧重熔技術是被廣泛認可的一種獲得耐磨、耐熱、抗氧化和抗腐蝕涂層的表面技術，也是一種實現工件再制造的成形技術。它是以高能量密度的電弧為熱源，使涂層溫度瞬間達到熔點以上而熔化，在基材表面制備一層合金材料，使重熔層與基材實現冶金結合，且在基材表面形成與原有完全不同成分、性能的合金層的表面改性方法。該技術具有很多優點：如(1)氬弧能量密度高105-106W/cm²，加熱速度快，對基材熱影響小，容易實現自動化。(2)可將基材的稀釋率控制在極低的范圍。(3)重熔層與基材形成冶金結合，結合強度高，可以保證涂層在使用過程中不易脫落。(4)適用材料體系廣泛，理論上任何基材表面均能重熔金屬或陶瓷材料等。(5)還可以用于廢品件的處理，大量節約加工成本，對環境的污染小等。

目前，氬弧重熔技術在工業中的應用主要有以下幾個方面：(1)在航空航天工業中的應用。航天發動機磨損是發動機使用和維修的一大難題，通過氬弧重熔技術可以獲得優異性能的重熔層，為燃氣渦輪發動機零件的修復開創了一個新局面。(2)在汽車工業中的應用。在汽車發動機上，可以用氬弧重熔技術形成具有優良耐磨、耐熱的合金涂層。(3)在模具上的應用，模具的使用壽命決定了許多設備的生產率和生產成本。(4)在工業齒輪上的應用，可以通過氬弧重熔技術在齒輪表面制備重熔層，提高齒輪的耐磨性及疲勞性能。(5)改善金屬材料的耐磨性。氬弧重熔是提高金屬材料耐磨性能的有效途徑之一，但是由于涂層的成分影響著熱裂傾向，因此，對涂層成分進行合適的設計是必要的。

重熔材料：目前應用廣泛的氬弧重熔材料主要有鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金、碳化鎢復合材料、陶瓷材料。在金屬粉末中，自熔性合金粉末的研究與應用最多。Fe基自熔性合金粉末適用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基體多為鑄鐵和低碳鋼，其最大優點是成本低且抗磨性能好。但是，與Ni基、Co基自熔性合金粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性較差、重熔層易開裂、容易被氧化、易產生氣孔等缺點。因此，在Fe基自熔性合金粉末的成分設計上，通常采用B、Si及Cr等元素來提高重熔層的硬度與耐磨性，用Ni元素來提高重熔層的流動性及抗開裂能力。雖然Fe基合金涂層擁有較高的耐磨性能，但是在滑動磨損、滾動/滑動疲勞等惡劣的工況條件下，鐵基合金涂層往往因涂層與基體間結合較差而失效，因此，找到一種合適組分的涂層以及新的表面強化的方法十分重要。

發明內容

本發明的目的是針對上述問題，提供一種氬弧重熔Fe基耐磨層的制備方法。該方法通過對涂層的成分設計，在常規的Fe基噴涂層中添加了新的成分Ni和La元素，又采用了不同于傳統涂層的制備方法，即先噴涂再重熔的兩步法制備涂層。本發明提高了重熔層的硬度、耐磨性，并且通過氬弧重熔技術實現了重熔層與基體達到冶金結合。

本發明的技術方案為：

一種氬弧重熔Fe基耐磨層的制備方法，包括以下步驟：