專利名稱：一種鎳基非晶合金粉末和鎳基非晶復(fù)合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面涂層技術(shù)領(lǐng)域的材料及方法，尤其涉及一種具有強(qiáng)非晶形成能力的鎳基非晶合金粉末，以及鎳基非晶復(fù)合涂層的激光制備方法。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)合金又稱為金屬玻璃，具有長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，非晶合金具備很多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨和耐腐蝕等，因而引起人們極大的興趣。目前，非晶合金材料還沒(méi)有大范圍推廣應(yīng)用，主要是其制備工藝過(guò)程難以控制，在實(shí)際中很難制備大塊非晶材料，其應(yīng)用主要被限制在薄帶、細(xì)絲、粉末等低維度形狀上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其應(yīng)用，在絕大部分條件下不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。通過(guò)表面工程技術(shù)在傳統(tǒng)材料表面獲得一層非晶涂層可以大大提高其表面硬度、耐蝕及耐磨性能，在材料表面改性領(lǐng)域具有十分巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，目前受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，是當(dāng)·前表面工程技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前，非晶納米晶涂層的制備方法主要有物理氣相沉積法(PVD)、濺射法、輝光放電、離子注入、電化學(xué)沉積法和熱噴涂技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)在一定程度上促進(jìn)了非晶涂層的發(fā)展，但又存在一定的局限性。例如，物理氣相沉積法僅能得到博得沉積膜，而且沉積速度比較慢，效率低；熱噴涂技術(shù)所得涂層不完全致密，存在少量間隙，并且涂層中納米晶的形成還需要對(duì)涂層進(jìn)行后熱處理。關(guān)于非晶納米晶涂層的制備也有相關(guān)報(bào)道。例如，中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2010年8月6日公開(kāi)的《鐵基非晶納米晶涂層的激光制備方法》發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書中公開(kāi)了一種鐵基非晶納米晶涂層的激光制備方法，以鐵、鎳、硅、硼和鈮等單質(zhì)元素粉末混合后作為熔覆粉末成分，利用CO2激光熔覆技術(shù)在低碳鋼表面制備出鐵基非晶涂層，最終形成具有高硬度和優(yōu)異耐磨性能的鐵基非晶納米晶涂層。在采用CO2激光進(jìn)行制備時(shí)，由于激光熱量分布為高斯分布，不可避免的會(huì)造成母材的大量熔化提高熔覆層的稀釋率而改變其名義成分，最終導(dǎo)致涂層的非晶含量較低；同時(shí)，由于采用的粉末為單質(zhì)元素混合，容易導(dǎo)致在激光熔覆時(shí)S1、B和Nb等易氧化單質(zhì)元素的燒損，也會(huì)導(dǎo)致涂層的非晶含量降低。并且，鎳基涂層由于其具有更好的塑韌性結(jié)合，因此制備鎳基非晶復(fù)合涂層也比制備鐵基非晶納米晶涂層更可能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種鎳基非晶合金粉末及其制備方法，并提供一種鎳基非晶復(fù)合涂層的激光制備方法。以鎳、鐵、硼、硅和鈮等單質(zhì)混合并在氬氣保護(hù)下霧化成非晶合金粉末，利用激光加工方法獲得致密的冶金結(jié)合并具有較高非晶體積含量的鎳基非晶復(fù)合涂層。本發(fā)明提供了一種鎳基非晶合金粉末，其特征在于，按重量百分比計(jì)量其成分為，包括 30-33%Fe、3-5%B、5-7%Si，7-9%Nb，余為 Ni。所述粉末為球形、近球形或類球形。
所述粉末為完全非晶態(tài)或者晶化體積分?jǐn)?shù)小于10%。所述粉末的粒度為100目 350目。一種如上所述的鎳基非晶粉末的制備方法，按所述合金成分進(jìn)行配料，將配好的原材料預(yù)熱后裝入電爐中熔化，待溫度升至145(T155(TC時(shí)加入脫氧劑，排氣、清渣，然后加入稀土合金，攪拌后靜置3飛分鐘出爐，將合金液注入脂粉裝置中，在惰性氣體保護(hù)下或者真空狀態(tài)下霧化合金，將合金制備成10(Γ350目粉末。優(yōu)選地，所述惰性氣體為氬氣。一種如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶粉末復(fù)合涂層的激光制備方法，其中，在激光熔覆時(shí)將鎳基粉末經(jīng)同軸送粉的方式送粉，在氬氣保護(hù)氣氛中熔覆制成鎳基合金熔覆層，再經(jīng)激光重熔制備成鎳基非晶復(fù)合涂層。優(yōu)選地，所述的激光熔覆制備鎳基涂層是指設(shè)定激光功率為700W 900W，光斑為3. 3mmX 2mm的長(zhǎng)方形，激光掃描速度為O. 36m/min,送粉量為12g/min，保護(hù)氣流量為12 15L/min。優(yōu)選地，所述的激光重熔是指，在重熔時(shí)選用的激光功率為3500W，氬氣保護(hù)氣流量為15L/min,重熔時(shí)激光掃描速度為6m/min 9m/min。一種鎳基非晶復(fù)合涂層，其中，其非晶體積含量較高，微觀結(jié)構(gòu)由非晶基體及Y (Fe, Ni)相和NbC晶體相等組成。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過(guò)將霧化所得非晶合金粉末采用同軸送粉的方式送粉，在氬氣保護(hù)氣氛中在低碳鋼表面制成鎳基合金涂層，再經(jīng)激光重熔制成鎳基非晶復(fù)合涂層。所述的鎳基非晶 合金粉末，該鎳基非晶合金粉末的重量百分比計(jì)量，其成分為30-33%Fe、3_5%B、5_7%Si，7_9%Nb，余量為 Ni。所述的鎳基非晶合金粉末制備的霧化方法是指按上述合金成分進(jìn)行配料，將配好的原材料預(yù)熱后裝入電爐中熔化，待溫度升至145(T155(TC時(shí)加入脫氧劑，排氣、清渣，然后加入稀土合金，攪拌后靜置3飛分鐘出爐，將合金液注入脂粉裝置中，在惰性氣體保護(hù)下或者真空狀態(tài)下霧化合金，將合金制備成10(Γ350目粉末。所得粉末為球形、近球形或類球形，獲得非晶合金粉末為完全非晶態(tài)或者晶化體積分?jǐn)?shù)小于10%。所述的激光熔覆制備鎳基合金涂層是指將合金粉末在氬氣保護(hù)下通過(guò)同軸送粉器送入激光光束下方熔化，在基材表面凝固形成熔覆層。激光功率為700W 900W，光斑為3. 3mmX 2mm的長(zhǎng)方形，激光掃描速度為O. 36m/min，送粉量為12g/min，保護(hù)氣流量為12 15L/min。所述激光重熔是指在熔覆層獲得良好成形的基礎(chǔ)上(熔覆層具有一定的高度并且其稀釋率較低)，對(duì)所得熔覆涂層在氬氣保護(hù)下進(jìn)行激光重熔，重熔時(shí)為獲得較深的重熔層深度和重熔后液態(tài)合金的冷卻速度。在重熔時(shí)，選用的激光功率為3500W，氬氣保護(hù)氣流量為15L/min,重熔時(shí)激光掃描速度為6m/min 9m/min。通過(guò)上述方法制備得到的鎳基非晶復(fù)合涂層具有較高的非晶體積含量，微觀結(jié)構(gòu)由非晶基體及Y (Fe, Ni)相和NbC晶體相等組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(a)鎳基熔覆粉末具有較強(qiáng)的非晶形成能力；(b)經(jīng)霧化所得粉末為球狀、近球形或類球形，便于提高激光熔覆過(guò)程中送粉的流暢性；(C)由于使用霧化粉末，可極大避免在熔覆過(guò)程中單質(zhì)元素的燒損；(d)所得涂層具有較高的非晶體積含量和顯微硬度；(e)本發(fā)明方法的應(yīng)用范圍廣，通過(guò)合理的工藝調(diào)整，也可適用于其它非晶復(fù)合涂層的制備。以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基非晶粉末宏觀形貌；圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基非晶粉末X射線衍射圖譜；圖3是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的掃描電鏡像；圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的X射線衍射圖譜；圖5是本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的掃描電鏡像；圖6是本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的X射線衍射圖譜；圖7是本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的掃描電鏡像；圖8是本發(fā)明 的另一個(gè)較佳實(shí)施例的鎳基涂層的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，選用的粉末成分為(按重量百分比):32. 4%Fe、4. 4%B、6. 3%Si，8. 2%Nb，余量為Ni，經(jīng)霧化以后所得粉末的宏觀形貌和X射線衍射圖譜如圖1和圖2所示，由圖1可知，其所得粉末粒度比較均勻，并且絕大部分都為球狀，這樣可保證激光熔覆送粉時(shí)的流動(dòng)性，粉末的力度為100目 350目。粉末的XRD圖譜(圖2)主要表現(xiàn)為漫散射峰，因此認(rèn)為粉末主要由非晶相組成，僅有少量晶體相，經(jīng)計(jì)算晶體相數(shù)量約為5%。這一方面說(shuō)明本研究中給出的合金體系具有較高的非晶形成能力；另一方面，說(shuō)明在粉末制備過(guò)程中保證了粉末的成分十分接近給定的名義成分。先用激光熔覆在低碳鋼表面上制備鎳基合金激光熔覆涂層，然后對(duì)涂層表面進(jìn)行激光快速重熔處理。激光熔覆參數(shù)為激光功率為800W，激光掃描速度為O. 36m/min，送粉量為12g/min，保護(hù)氣流量為15L/min。激光重熔時(shí)的參數(shù)為激光功率為3500W，重熔時(shí)激光掃描速度為8m/min，保護(hù)氣流量為15L/min。圖3為所得激光重熔層的顯微組織掃面電鏡照片，其表現(xiàn)為沒(méi)有明顯晶界的基體上分布著很多白色的顆粒相的微觀形貌，其基體為非晶相的典型特征，白色點(diǎn)狀相主要為NbC0圖4為涂層X(jué)射線衍射圖譜及其分析結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層在44° (2Θ)角附近出現(xiàn)漫散射包(寬化現(xiàn)象)，也就是說(shuō)在這些重熔層內(nèi)生成了非晶相組織。同時(shí)在圖4中的XRD測(cè)試結(jié)果中也出現(xiàn)部分尖銳峰，表明在涂層內(nèi)部也出現(xiàn)了晶體相。這些晶體峰經(jīng)和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對(duì)，分別標(biāo)定為Y (Fe，Ni)和NbC相。對(duì)涂層X(jué)射線衍射圖譜進(jìn)行分析和計(jì)算可得該涂層的非晶體積含量為62%。證明在激光重熔層內(nèi)獲得了具有較高非晶體積含量的非晶復(fù)合組織。采用顯微硬度儀對(duì)涂層的硬度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)其顯微硬度為1207HVa5，此硬度值超過(guò)了傳統(tǒng)鎳基涂層的硬度值，可極大的提高涂層的耐磨性能。實(shí)施例2，選用的粉末成分為(按重量百分比):30. 4%Fe、3. 6%B、5. 2%Si，7%Nb，余量為Ni。經(jīng)霧化以后所得粉末的粒度為10(Γ350目。先用半導(dǎo)體激光熔覆在低碳鋼表面上制備鎳基合金激光熔覆涂層，然后對(duì)涂層表面進(jìn)行激光快速重熔處理。激光熔覆參數(shù)為激光功率為700W，激光掃描速度為O. 36m/min，送粉量為12g/min，保護(hù)氣流量為15L/min。激光重熔時(shí)的參數(shù)為激光功率為3500W，重熔時(shí)激光掃描速度為8m/min，保護(hù)氣流量為15L/
mirio圖5為所得激光重熔層的顯微組織掃面電鏡照片，其表現(xiàn)為沒(méi)有明顯晶界的基體上分布著很多白色的顆粒相的微觀形貌，其基體為非晶相的典型特征，白色點(diǎn)狀相主要為NbC0圖4為涂層X(jué)射線衍射圖譜及其分析結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層在44° (2Θ)角附近出現(xiàn)漫散射包(寬化現(xiàn)象)，也就是說(shuō)在這些重熔層內(nèi)生成了非晶相組織。同時(shí)在圖4中的XRD測(cè)試結(jié)果中也出現(xiàn)部分尖銳峰，表明在涂層內(nèi)部也出現(xiàn)了晶體相。這些晶體峰經(jīng)和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對(duì)，分別標(biāo)定為Y (Fe，Ni)和NbC相。對(duì)涂層X(jué)射線衍射圖譜進(jìn)行分析和計(jì)算可得該涂層的非晶體積含量為63%。證明在激光重熔層內(nèi)獲得了具有較高非晶體積含量的非晶復(fù)合組織。采用顯微硬度儀對(duì)涂層的硬度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)其顯微硬度為1214HVa5，此硬度值超過(guò)了傳統(tǒng)鎳基涂層的硬度值，可極大的提高涂層的耐磨性能。實(shí)施例3，選用的粉末成分為(按重量百分比):32. 4%Fe、4. 4%B、6. 3%Si，8. 2%Nb，余量為Ni。經(jīng)霧化以后所得粉末的粒度為10(Γ350目。先用半導(dǎo)體激光熔覆在低碳鋼表面上制備鎳基合金激光熔覆涂層，然后對(duì)涂層表面進(jìn)行激光快速重熔處理。激光熔覆參數(shù)為:激光功率為700W，激光掃描速度為O. 36m/min，送粉量為12g/min，保護(hù)氣流量為15L/min。激光重熔時(shí)的參數(shù)為激光功率為3500W，重熔時(shí)激光掃描速度為7m/min，保護(hù)氣流量為15L/min0圖7為所得激光重熔層的顯微組織掃面電鏡照片，可以發(fā)現(xiàn)獲得的涂層非常致密，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷的存在。組織上表現(xiàn)為沒(méi)有明顯晶界的基體上分布著很多白色的顆粒相的微觀形貌，其基體為非晶相的典型特征，白色點(diǎn)狀相主要為NbC ;同時(shí)在激光重熔層內(nèi)也出現(xiàn)了部分等軸晶組織，主要`是Y(Fe，Ni)。圖4為涂層X(jué)射線衍射圖譜及其分析結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)涂層在44° (2 Θ)角附近出現(xiàn)漫散射包(寬化現(xiàn)象)，也就是說(shuō)在這些重熔層內(nèi)生成了非晶相組織。同時(shí)在圖8中的XRD測(cè)試結(jié)果中也出現(xiàn)部分尖銳峰，表明在涂層內(nèi)部也出現(xiàn)了晶體相。這些晶體峰經(jīng)和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對(duì)，分別標(biāo)定為Y (Fe, Ni)和NbC相。對(duì)涂層X(jué)射線衍射圖譜進(jìn)行分析和計(jì)算可得該涂層的非晶體積含量為51. 5%。證明在激光重熔層內(nèi)獲得了具有較高非晶體積含量的非晶復(fù)合組織。此時(shí)非晶體積含量有所降低，是由于激光重熔時(shí)掃描速度降低導(dǎo)致的。采用顯微硬度儀對(duì)涂層的硬度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)其顯微硬度為1157H\5，此硬度值超過(guò)了傳統(tǒng)鎳基涂層的硬度值，可極大的提高涂層的耐磨性能。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鎳基非晶合金粉末，其特征在于，按重量百分比計(jì)量其成分為，包括30-33%Fe、3-5%B、5-7%Si，7-9%Nb，余為 Ni。
2.如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末為球形、近球形或類球形。
3.如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末為完全非晶態(tài)或者晶化體積分?jǐn)?shù)小于10%。
4.如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶合金粉末，其特征在于，所述粉末的粒度為100目 350目。
5.一種如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶粉末的制備方法，其特征在于，按所述合金成分進(jìn)行配料，將配好的原材料預(yù)熱后裝入電爐中熔化，待溫度升至145(T155(TC時(shí)加入脫氧齊U，排氣、清渣，然后加入稀土合金，攪拌后靜置3飛分鐘出爐，將合金液注入脂粉裝置中，在惰性氣體保護(hù)下或者真空狀態(tài)下霧化合金，將合金制備成10(Γ350目粉末。
6.如權(quán)利要求5所述的鎳基非晶粉末的制備方法，所述惰性氣體為氬氣。
7.—種如權(quán)利要求1所述的鎳基非晶粉末復(fù)合涂層的激光制備方法，其特征在于，在激光熔覆時(shí)將鎳基粉末經(jīng)同軸送粉的方式送粉，在氬氣保護(hù)氣氛中熔覆制成鎳基合金熔覆層，再經(jīng)激光重熔制備成鎳基非晶復(fù)合涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的鎳基非晶粉末復(fù)合涂層的激光制備方法，所述的激光熔覆制備鎳基涂層是指設(shè)定激光功率為700W 900W，光斑為3. 3mmX 2mm的長(zhǎng)方形，激光掃描速度為.O.36m/min,送粉量為12g/min,保護(hù)氣流量為12 15L/min。
9.如權(quán)利要求7所述的鎳基非晶粉末復(fù)合涂層的激光制備方法，其特征在于，所述的激光重熔是指，在重熔時(shí)選用的激光功率為3500W，氬氣保護(hù)氣流量為15L/min，重熔時(shí)激光掃描速度為6m/mirT9m/min。
10.一種鎳基非晶復(fù)合涂層，其特征在于，通過(guò)權(quán)利要求書疒9中任一所述的激光制備方法制備得到，其非晶體積含量較高，微觀結(jié)構(gòu)由非晶基體及Fe，Ni相和NbC晶體相等組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可以獲得鎳基非晶復(fù)合涂層的鎳基非晶合金粉末及非晶復(fù)合涂層的激光制備方法，鎳基非晶合金粉末主要由Ni、Fe、B、Si和Nb等5中元素組成，該粉末具有較強(qiáng)的非晶形成能力；采用同軸送粉的方式將鎳基非晶合金粉末在低碳鋼表面制備激光熔覆涂層，再采用高速激光重熔的方式制備非晶復(fù)合涂層。本發(fā)明制備的鎳基非晶復(fù)合涂層具有良好的致密度，非晶體積含量高，硬度值高。這種涂層在耐磨、耐蝕、防輻射等領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22F9/08GK103060725SQ201310025419
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者李瑞峰, 李鑄國(guó), 朱彥彥, 黃堅(jiān) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)