激光熔覆涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面改性技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料表面的磨損和腐蝕是造成工程零部件失效的主要原因，每年由于磨損和腐蝕給各國造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，提高材料的表面性能，尤其是提高其耐磨性和抗氧化性就至關(guān)重要。激光熔覆技術(shù)作為表面強(qiáng)化和材料保護(hù)方法之一，它是以高能量密度激光束為熱源，通過在普通金屬基體表面熔敷一層具有特殊性能的合金粉末，從而可以顯著改善基體金屬的表面性能，大大延長零件的使用壽命。與其他表面改性技術(shù)，如熱噴涂、焊接、鍍層等相比，激光熔覆技術(shù)具有熔敷率高、稀釋率低、粉末適用范圍廣、基體受到的熱影響小、不易變形等優(yōu)點(diǎn)，且所得熔覆層組織晶粒細(xì)小，與基體之間呈牢固冶金結(jié)合。因此，激光熔覆技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于零件表面微觀結(jié)構(gòu)和成分的改良，以提高其耐磨性、耐腐蝕性和高溫抗氧化性等性能。
[0003]目前，國內(nèi)外研究學(xué)者通常選用Ni基、Co基和Fe基自熔性合金粉末作為激光熔覆涂層材料，其中，Ni基和Co基合金具有良好的高溫性能和抗氧化性，但它們均屬稀缺金屬，成本較高。Fe基合金的來源較為廣泛、價格低廉，耐磨性較好，且目前需要進(jìn)行修復(fù)及表面改性處理的工程零件也主要是鋼鐵材料，采用Fe基合金作為熔覆材料，涂層與基體之間的相容性和潤濕性良好，同時降低了對稀釋率的嚴(yán)格要求，有利于激光熔覆工藝的控制。因此，研究和開發(fā)Fe基合金系列的激光熔覆涂層有利于減少戰(zhàn)略性稀有元素的用量、降低加工成本，具有重要的科研意義和實(shí)踐價值。
[0004]但在一些比較苛刻的工作環(huán)境下，單純的Fe基合金涂層并不能滿足使用要求，國內(nèi)外學(xué)者通常采用向Fe基合金粉末中添加一定含量的高熔點(diǎn)碳化物、氮化物、硼化物或氧化物陶瓷顆粒，制成金屬基陶瓷復(fù)合涂層以進(jìn)一步提高熔覆層的硬度、耐磨性、抗氧化性等性能，其中以碳化物陶瓷和氧化物陶瓷的添加為主。而激光熔覆涂層中使用較多的碳化物陶瓷主要為WC和TiC，WC和TiC的添加在一定程度上能夠細(xì)化涂層的組織，提高熔覆層的硬度、耐磨性等性能，但目前為止，對于激光熔覆Fe基陶瓷復(fù)合涂層的研究主要集中在提高涂層的硬度、耐磨性等方面，而對涂層的熔覆性及成型性，如氣孔、裂紋等缺陷則關(guān)注較少，從而使涂層的使用性能有所下降，且目前對Fe基涂層高溫性能的提高也處于實(shí)驗研究階段，有待進(jìn)一步改善。
[0005]如，中國專利申請?zhí)枮?01410652414.2，申請日為2014年11月14日的申請案公開了一種鐵基碳化鈦激光熔覆涂層的制備方法，該申請案以45#鋼作為激光熔覆的基體，以質(zhì)量百分比分別為10%、20%、30%、40%和50%的碳化鈦粉末與鐵基合金粉末的混合粉末作為熔覆材料，使用高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆，其中激光功率為3000W，所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370，掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣。該申請案在一定程度上能夠改善基體金屬表面的耐磨、耐蝕和耐熱性能，但由于TiC的熔點(diǎn)較高，在激光熔覆過程中熔解量較少，難以獲得硬質(zhì)相彌散分布的熔覆層，且其熔敷性、與基體金屬的潤濕性均較差，熔敷時熔池的流動性不好，導(dǎo)致成形不良，所得涂層與基體的結(jié)合較差，且熔敷層在長時間使用時也易出現(xiàn)裂紋。又如，中國專利申請?zhí)枮?01410835692.1，申請日為2014年12月30日的申請案公開了一種鐵基鎳包碳化鎢激光熔覆材料的制備方法，該申請案選取45鋼作為熔覆基體，選用質(zhì)量百分比為30%的鎳包碳化鎢粉末與70%的鐵基合金粉末組成的混合粉末作為熔覆材料，使用高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆來制備熔覆涂層，但由于WC與鐵基合金粉末的相容性相對較差，涂層中易產(chǎn)生裂紋，且WC粉末在激光熔覆過程中易發(fā)生“沉底”現(xiàn)象，涂層中可以看到較大顆粒未熔WC的存在，這些大顆粒未熔WC在磨損過程中易從涂層中剝落下來，從而易導(dǎo)致涂層產(chǎn)生大面積剝落，耐磨性較差。此外，以WC和TiC作為陶瓷添加相時所得涂層的高溫抗氧化能力也相對較差。
[0006]大量研究表明，稀土氧化物具有細(xì)化晶粒、凈化晶界，提高材料的韌性和高溫性能的作用，其中，常用的稀土氧化物主要有La203、Y203、CeO2, In2O3等。關(guān)于通過加入稀土氧化物來提高合金涂層性能的研究已有相關(guān)公開，如，中國專利申請?zhí)枮?01310247604.1的專利公開了一種含稀土元素的NbC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨激光熔覆涂層及制備方法，該申請案中采用原位合成方法產(chǎn)生NbC顆粒，并通過稀土 CeO2的添加在一定程度上提高了鐵基激光熔覆層的硬度，但其涂層組織以樹枝晶為主，組織粗大且分布不均勻，因而所得鐵基合金涂層的耐磨性、高溫抗氧化性均較差。
[0007]因此，進(jìn)一步研究出一種耐磨性、耐蝕性、韌性及高溫抗氧化性等綜合性能良好，且同時又具有優(yōu)良的成型性和熔覆性能的激光熔覆鐵基合金涂層及其制備方法就具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有激光熔覆鐵基合金涂層的成型性和熔覆性能相對較差，熔覆過程中易產(chǎn)生氣孔和裂紋等質(zhì)量缺陷，從而影響鐵基合金涂層的使用性能的不足，提供了一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層及其制備方法。通過使用本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠制備出耐磨性、韌性及高溫性能等綜合性能良好，且同時具有優(yōu)良的成型性和熔覆性能的激光熔覆鐵基合金涂層，從而提高了熔覆層的綜合使用性能，延長了表面改性工件的使用壽命，有利于減少戰(zhàn)略性稀有元素鈷和鎳的用量，降低了生產(chǎn)成本。
[0010]2.技術(shù)方案
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0012]本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層，是由如下質(zhì)量百分比的組分混合均勻后經(jīng)激光熔覆制備的:鐵基自熔性合金粉末65%?73%、Cr3C2合金粉末26.5%?34 %和CeO2粉末0.5%?1%，其中，上述Fe基自熔性合金粉末由如下質(zhì)量百分比的組分組成:C0.07%?0.09%、Crl5%?18%、Ni5%?6.5%、Si2.0%?2.8%、Β0.7%?1.0%、Mo0.5%?0.6%, Fe 為余量。
[0013]更進(jìn)一步地，該涂層由如下質(zhì)量百分比的組分混合均勻后經(jīng)激光熔覆制備的:Fe基自熔性合金粉末68 %?71 %、Cr3C2合金粉末28 %?31 %和CeO 2粉末0.8 %?I %。
[0014]更進(jìn)一步地，該涂層由如下質(zhì)量百分比的組分混合均勻后經(jīng)激光熔覆制備的:Fe基自熔性合金粉末70 %、Cr3C2合金粉末29.2 %和CeO 2粉末0.8 %。
[0015]更進(jìn)一步地，所述的Fe基自熔性合金粉末由如下質(zhì)量百分比的組分組成:C0.09%、Crl5%、Ni5%、Si2.8%、Β1.0%、Μο0.5%, Fe 為余量。
[0016]更進(jìn)一步地，所述的Cr3C2合金粉末選用Ni, Cr-Cr 3C2復(fù)合粉末，其中，Cr 3C2合金粉末中Cr3C2的質(zhì)量百分比含量為85%。
[0017]更進(jìn)一步地，所述的Fe基自恪性合金粉末的粒度為60?120 μπι，Cr3C2合金粉末的粒度為50?110 μ m，CeO2粉末的粒度為60?10nm0
[0018]本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層的制備方法，其步驟為:
[0019]步驟一、基板預(yù)處理:
[0020]除去基板待熔覆表面的油污和鐵銹，并對其表面進(jìn)行打磨，保證待熔覆表面的平整與光潔，然后將基板置于烘箱中于150?200°C下烘干2.5?3.5h ;
[0021]步驟二、粉末的配制、混合均勻及烘干:
[0022]按照質(zhì)量百分比含量稱量以下三種組分:鐵基自熔性合金粉末65%?73%、Cr3C2合金粉末26.5%?34%和CeO2粉末0.5%?I%，將稱好的三種粉末進(jìn)行混合分散均勾得到熔覆用復(fù)合粉末，然后將復(fù)合粉末置于烘箱中于120?150°C下烘干1.5?2h ;
[0023]步驟三、涂層的制備:
[0024]將烘干后的復(fù)合粉末預(yù)置于基板的待熔覆表面，采用CO2激光器進(jìn)行激光熔覆，熔敷過程中使用Ar氣進(jìn)行保護(hù)；
[0025]步驟四、后熱處理:
[0026]將熔敷后的基板置于150?200°C的保溫爐中保溫1.5?2.5h后隨爐冷卻。
[0027]更進(jìn)一步地，步驟二中將稱好的三種粉末進(jìn)行混合分散均勻是通過先在研缽中進(jìn)行手動研磨I?2h，然后采用球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械球磨1.5?2h來實(shí)現(xiàn)的，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r/mino
[0028]更進(jìn)一步地，步驟三中粉末預(yù)置的具體操作為:將復(fù)合粉末置于研缽中，并向其中加入乙醇作為溶劑，加入火棉膠作為粘結(jié)劑，充分?jǐn)嚢杈鶆颢@得漿料，然后將漿料均勻涂覆于基板待熔覆表面，預(yù)置涂層的厚度為I?2mm ;其中，火棉膠的加入量為4?6ml/100g復(fù)合粉末。更進(jìn)一步地，步驟三中激光熔覆的工藝參數(shù)如下:光斑直徑5-7_，激光功率2.2?2.4kW，多道搭接量2.5?3mm，掃描速率160?185mm/min。
[0029]3.有益效果
[0030]采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著效果:
[0031](I)本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層，是由鐵基自熔性合金粉末、Cr3C2合金粉末和CeO 2粉末混合均勻后經(jīng)激光熔覆制備的，通過向鐵基自熔性合金粉末中添加Cr3C2合金粉末和CeO 2粉末，并通過大量實(shí)驗研究對各組分的含量進(jìn)行優(yōu)化控制，使所得鐵基合金涂層的組織更加均勻和細(xì)化，確保熔覆層的硬度、耐磨性、高溫抗氧化性和韌性等綜合性能得到顯著改善的條件下，仍能保持優(yōu)良的成型性和熔覆性能，熔覆層與基體冶金結(jié)合良好，基本消除了氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷。
[0032](2)本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層，其所用Fe基自熔性合金粉末由如下質(zhì)量百分比的組分組成:C0.09%、Crl5%、Ni5%、Si2.8%、Β1.0%、Μο0.5%，本發(fā)明通過對Fe基自熔性合金粉末中的C、Cr含量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化控制，使之與Cr3C2的含量相適應(yīng)，從而使所得激光熔覆涂層中含Cr碳化物的數(shù)量和分布形態(tài)得到有效優(yōu)化，使涂層的硬度、耐磨性與韌性實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)合，且Ni的添加有助于改善熔覆合金的流動性，少量Mo的添加進(jìn)一步改善了涂層的磨損性能及潤濕性。而Fe基自恪性合金粉末中的S1、B與&02共同作用，有助于熔覆過程中進(jìn)行脫氧、脫硫，可有效防止氣孔的產(chǎn)生，并對S1、B的添加量進(jìn)行控制，從而可降低熔覆層的收縮率，減少裂紋的產(chǎn)生。
[0033](3)本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層，復(fù)合粉末中CeO 2粉末的粒度為60?lOOnm，該稀土 CeO2集稀土、納米特性于一體，從而有效抑制了柱狀晶的生長，使熔覆層組織得到進(jìn)一步細(xì)化與均勻化，提高了熔覆層的韌性、耐磨性和高溫性能，并使稀土元素凈化晶界、抑制氣孔和裂紋產(chǎn)生的功能得到進(jìn)一步提高。
[0034](4)本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr 3C2激光熔覆涂層的制備方法，激光熔覆前將基板和復(fù)合粉末均置于烘箱中進(jìn)行烘干處理，一方面能夠去除粉末和鋼板表面的水蒸氣，減少熔覆過程中氣孔的產(chǎn)生，另一方面還可以減少基板與熔覆層之間的溫差，降低熔覆層冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力，防止熔覆層裂紋的產(chǎn)生。發(fā)明人還通過大量實(shí)驗研究，對激光熔覆過程中的各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，使Cr3C2粉末的熔解量、未熔Cr 3C2的含量和尺寸及先共晶碳化物的分布形態(tài)、尺寸等均得到有效優(yōu)化，從而使熔覆層的硬度、耐磨性與韌性實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)合，進(jìn)一步提高了熔覆層的綜合性能和表面宏觀質(zhì)量。
[0035](5)本發(fā)明的一種添加CeO2的鐵基Cr3C2激光熔覆涂層的制備方法，選用粉末預(yù)置方式進(jìn)行激光熔覆，其中以火棉膠作為粘結(jié)劑，并控制火棉膠的加入量，從而可以避免熔覆過程中熔覆粉末發(fā)生“飛濺”現(xiàn)象，使熔覆層與基板之間實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，且避免火棉膠添加量較多時易導(dǎo)致大量氣孔產(chǎn)生，從而影響熔覆層的成型性能。
【附圖說明】
[0036]圖1 (a)為對比例I所得涂層的表面宏觀形貌；
[0037]圖1 (b)為本發(fā)明實(shí)施例1所得涂層的表面宏觀形貌；
[0038]圖2 (a)為對比例I所得涂層的底部典型金相顯微組織；
[0039]圖2 (b)為對比例I所得涂層的中部典型金相顯微組織；
[0040]圖2 (C)