球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層及其激光熔覆制備工藝和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層及其激光熔覆制備工藝和應(yīng)用，屬于激光熔覆技術(shù)和涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是以TiC/鈷基合金復(fù)合粉末為激光熔覆材料，采用激光熔覆技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備TiC/鈷基合金復(fù)合涂層。所得復(fù)合涂層材料中TiC所占體積比例為(0?30)％，涂層最高硬度為1200?1300HV0.2，復(fù)合涂層硬度為球墨鑄鐵基體硬度的5倍以上。該復(fù)合涂層應(yīng)用于在強(qiáng)烈磨損條件下使用的球墨鑄鐵零件。
【專利說(shuō)明】
球墨鑄鐵表面T i C/鉆基合金復(fù)合涂層及其激光膝覆制備工藝 和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及激光烙覆技術(shù)和涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種球墨鑄鐵表面TiC/ 鉆基合金復(fù)合涂層及其激光烙覆制備工藝和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，但在使用過(guò)程中，通常因經(jīng)受磨損等而導(dǎo)致 失效，曾采用滲氮、感應(yīng)澤火等工藝對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，但存在處理周期長(zhǎng)、硬化層薄、 硬化層硬度不夠高及澤火變形大等缺點(diǎn)，使用效果不理想。
[0003] 激光烙覆技術(shù)是指W不同的方式在被烙覆基體表面上預(yù)置涂層材料，經(jīng)激光福照 使之與基體表面一薄層同時(shí)烙化，并快速凝固后形成稀釋率極低并與基體呈冶金結(jié)合的表 面烙覆層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng) 化方法。激光烙覆技術(shù)同其他表面強(qiáng)化技術(shù)(熱噴涂、堆焊技術(shù)等)相比有如下優(yōu)點(diǎn):冷卻速 度快(高達(dá)1〇5~i〇6k/s)、產(chǎn)生快速凝固組織特征、容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法 得到的新相;熱輸入小、崎變小、烙覆層稀釋率小(一般小于5%)，與基體呈牢固的冶金結(jié)合 或界面擴(kuò)散結(jié)合。因此，依據(jù)表面性能要求，如何通過(guò)對(duì)合金粉末研制及激光工藝參數(shù)等進(jìn) 行調(diào)整，獲得性能良好的烙覆層，使其對(duì)關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化與修復(fù)作用，具有廣闊的 應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種球墨鑄鐵表面TiC/鉆基合金復(fù)合涂層及其激光烙覆 制備工藝和應(yīng)用，所制備的涂層顯著提高零件耐磨和減磨性能，特別適用于在強(qiáng)烈磨損條 件下使用的耐磨零件。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種球墨鑄鐵表面TiC/鉆基合金復(fù)合涂層的激光烙覆制備工藝，該工藝是WTiC/ 鉆基合金復(fù)合粉末為激光烙覆材料，采用激光烙覆技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備TiC/鉆基合金 復(fù)合涂層。
[0007] 所述TiC/鉆基合金復(fù)合粉末是由TiC粉末和鉆基合金粉末均勻混合后形成，其中： 所述TiC粉末所占體積比例為(0-30)%，優(yōu)選為為（10-30) %。。所述鉆基合金優(yōu)選為司太利 (Stellite)合金，所述鉆基合金粉末粒度為150~320目，所述TiC粉末粒度為5~50WI1。
[000引所述TiC/鉆基合金復(fù)合粉末的制備過(guò)程為:將TiC粉末和鉆基合金粉末按所需比 例進(jìn)行配比，并用研磨機(jī)進(jìn)行均勻混合，混合時(shí)間為20min-化;然后將混合好的粉末在烘箱 中進(jìn)行烘干處理，烘干溫度為150~200°C，烘干時(shí)間為2-化，即得到所述TiC/鉆基合金復(fù)合 粉末。
[0009] 所述激光烙覆技術(shù)具體過(guò)程如下：
[0010] 激光烙覆前，對(duì)待制備涂層的球墨鑄鐵表面進(jìn)行清理，除掉表面的誘潰，然后用丙 酬擦洗，W備激光烙覆用;激光烙覆時(shí)，采用6kW 0)2激光器，送粉方式采用預(yù)置粉末法，激 光烙覆工藝參數(shù)為:激光功率P為3.2~3.5kW，掃描速度V為400~600mm/min，光斑直徑2mm， 搭接率1.5,采用氣氣側(cè)吹保護(hù)，=道次烙覆;激光烙覆過(guò)程中采用電阻加熱方式對(duì)球墨鑄 鐵進(jìn)行輔助加熱，加熱溫度為200-350°C。
[0011] 本發(fā)明采用上述工藝制備的TiC/鉆基合金復(fù)合涂層中，TiC均勻分布于鉆基合金 快速凝固組織中，涂層中的TiC一部分為快速烙化時(shí)溶解的TiC凝固時(shí)重新析出的TiC枝狀 物，另一部分為未溶解的TiC顆粒，復(fù)合涂層厚度為l-5mm。
[0012] 所述復(fù)合涂層(烙覆層)最高硬度為1200-1300HV0.2,復(fù)合涂層硬度為球墨鑄鐵基 體硬度(200-240HVO. 2)的5倍W上。
[0013] 本發(fā)明有益效果如下：
[0014] 1、本發(fā)明提出將TiC復(fù)合鉆基合金用于球墨鑄鐵表面激光烙覆，研發(fā)出適用于球 墨鑄鐵表面激光烙覆涂層的新型TiC/鉆基合金復(fù)合材料，配合合適的激光烙覆工藝，得到 組織致密，無(wú)裂紋，耐磨性能優(yōu)良的激光烙覆涂層。
[0015] 2、本發(fā)明采用激光烙覆技術(shù)在球墨鑄鐵表面激光烙覆TiC/鉆基合金高硬度復(fù)合 涂層，從而增強(qiáng)球墨鑄鐵零件的表面耐磨性能，使零件在強(qiáng)烈磨損條件下減少因摩擦而發(fā) 生的磨損失效。
[0016] 3、本發(fā)明在球墨鑄鐵上激光烙覆TiC/鉆基合金復(fù)合涂層，使球墨鑄鐵表面的耐磨 性能顯著提高，并使涂層具有理想的減磨性能。
[0017] 4、本發(fā)明在球墨鑄鐵電梯曳引輪表面耐磨性能提升方面進(jìn)行應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為含TiC為5%的烙覆層和結(jié)合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結(jié)合層。
[0019] 圖2為含TiC為10%的烙覆層和結(jié)合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結(jié)合層。
[0020] 圖3為含TiC為30%的烙覆層和結(jié)合層組織照片;其中：（a)烙覆層；（b)結(jié)合層。
[0021] 圖4為烙覆層SEM照片和抓S圖譜;其中：（a)為SEM照片；（b)為(a)中"譜圖1 r處對(duì) 應(yīng)的邸姻譜；（C)為(a)中"譜圖12"處對(duì)應(yīng)的圖邸S譜。
[0022] 圖5為本發(fā)明球墨鑄鐵表面TiC/Co基合金烙覆層的XRD圖。
[0023] 圖6為激光烙覆層硬度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] W下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
[0025] 實(shí)施例1
[0026] 實(shí)驗(yàn)材料:基體材料為球墨鑄鐵，激光烙覆材料為TiC/鉆基合金復(fù)合粉末，鉆基合 金為鉆銘鶴合金(CoCrW)，鉆基合金粉末粒度為150~320目，TiC粉末粒度為5~50WI1。
[0027] 所述TiC/鉆基合金復(fù)合粉末的制備過(guò)程為:將TiC粉末和鉆基合金(CoCrW)粉末按 所需比例混合，并用研磨機(jī)進(jìn)行均勻混合，混合時(shí)間為30min;混合好的粉末在烘箱中進(jìn)行 烘干處理，烘干溫度為180°C，烘干時(shí)間為化，即得到所述TiC/鉆基合金復(fù)合粉末;該復(fù)合粉 末中，TiC粉末所占體積比例分別為5%、10%和30%。
[0028] 本實(shí)施例激光烙覆技術(shù)具體過(guò)程如下：
[0029] 激光烙覆前，對(duì)球墨鑄鐵表面進(jìn)行清理，除掉表面的誘潰，然后用丙酬擦洗，W備 激光烙覆用;對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行表面激光烙覆時(shí)，采用化W C化激光器，送粉方式采用預(yù)置粉 末法。采用激光功率P = 3.2~3 .化W、掃描速度V = 400~600mm/min、光斑直徑2mm、搭接率 1.5,采用氣氣側(cè)吹保護(hù)，=道次烙覆，烙覆層厚度為3mm。在激光烙覆的過(guò)程中采用電阻加 熱方式對(duì)試樣進(jìn)行輔助加熱，加熱溫度270-290°C。
[0030] 激光烙覆結(jié)束后，采用線切割將制備的試樣沿著垂直涂層表面的方向切割試樣， 進(jìn)行打磨拋光和腐蝕，然后用金相顯微鏡、SEM等進(jìn)行組織觀察和分析。
[0031] 本實(shí)施例制備的球墨鑄鐵表面激光烙覆層的組織特征如圖1-3所示，激光烙覆后 烙覆層表面成形良好，通過(guò)顯微組織照片可W看出，表面沒(méi)有氣孔和裂紋，烙覆層中形成了 大量的樹枝晶，在樹枝晶晶間均勻地分布著很多細(xì)小的黑色顆粒狀物質(zhì)，烙覆材料和基體 之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，相互之間緊密結(jié)合。
[0032] 通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察烙覆試樣，采用抓S genesis XM-2能譜儀對(duì)樹枝晶晶間 的黑色顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行元素分析。激光烙覆層組織SEM照片如圖4所示，EDS成分分析如表1- 2所示。由圖4可看出，均勻分布于樹枝晶晶間和枝晶上的暗黑色相為含Ti物質(zhì)，根據(jù)抓S結(jié) 果可推斷相為TiC顆粒和溶解TiC在凝固時(shí)形成的枝狀TiC。
[0033] 表1圖4(b)圖譜11的邸S成分分析 「nm^l
[0037] 本實(shí)施例制備的球墨鑄鐵表面TiC/Co基合金激光烙覆層的XRD分析如圖5所示，通 過(guò)烙覆層X射線衍射分析表明，烙覆層主要由丫 -(：〇、1'1(：、化1'1、(：〇(^和少量的化7〔3、51(：等組 成。Co在高溫下（大于417°C)W面屯、立方結(jié)構(gòu)的丫-Co形式存在，而在室溫下則W密排六方 結(jié)構(gòu)的e-Co形式存在，但由于激光烙覆的冷卻速度極快，使凝固結(jié)晶的丫-Co來(lái)不及發(fā)生相 變而得W保留到室溫;激光烙覆時(shí)，由于TiC顆粒發(fā)生溶解，分解為Ti和C元素溶解于合金烙 體中，Ti除了與合金烙體中溶解的C凝固形成TiC枝晶外，也與鉆基合金中的M在凝固時(shí)形 成TiNi存在于TiC/Co基合金烙覆層中，而C與鉆基合金中的Co、C;r、Si等元素形成CoCx、 化7C3、SiC等碳化物。
[0038] 對(duì)本實(shí)施例制備的球墨鑄鐵表面激光烙覆層的硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3和 圖5所示。
[0039] 表3激光烙覆層硬度數(shù)據(jù)(鉆基合金+30vol%TiC烙覆層橫截面硬度數(shù)據(jù)）
[0040]
[0041] 由硬度測(cè)試結(jié)果可看出，隨著與球墨鑄鐵基體表面距離增加，在熱影響區(qū)和結(jié)合 區(qū)硬度快速提高，而在烙覆層區(qū)域硬度增加緩慢，直到烙覆層表層硬度又有快速提高，烙覆 層最高硬度為1278.細(xì)Vq.2,提高到球墨鑄鐵基體硬度(200-240HVQ.2)的5倍W上。
[0042] 對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)運(yùn)些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的。因此，本發(fā)明將 不會(huì)被限制于本文所示的運(yùn)些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致 的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種球墨鑄鐵表面Tie/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝，其特征在于:該工 藝是以Tie/鈷基合金復(fù)合粉末為激光熔覆材料，采用激光熔覆技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備 Tic/鈷基合金復(fù)合涂層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述Tie/鈷基合金復(fù)合粉末是由TiC粉末和鈷基合金粉末均勻混合后形成，其 中：所述TiC粉末所占體積比例為(0- 30) %。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述TiC/鈷基合金復(fù)合粉末中，TiC粉末所占體積比例為(10- 30) %。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述鈷基合金為司太利合金，所述鈷基合金粉末粒度為150~320目；所述TiC 粉末粒度為5~50μπι。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述TiC/鈷基合金復(fù)合粉末的制備過(guò)程為:將TiC粉末和鈷基合金粉末按所需 比例進(jìn)行配比，并用研磨機(jī)進(jìn)行均勻混合，混合時(shí)間為20min-lh;然后將混合好的粉末在烘 箱中進(jìn)行烘干處理，烘干溫度為150~200°C，烘干時(shí)間為2-5h，即得到所述TiC/鈷基合金復(fù) 合粉末。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:所述激光熔覆技術(shù)具體過(guò)程如下： 采用6kW C02激光器，送粉方式采用預(yù)置粉末法;在激光熔覆的過(guò)程中采用電阻加熱方 式對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行加熱，激光熔覆工藝參數(shù)為:激光功率P為3.2~3.5kW，掃描速度V為400 ~600mm/min，光斑直徑2mm，搭接率1.5，采用氬氣側(cè)吹保護(hù)，三道次熔覆。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層的激光熔覆制備工藝， 其特征在于:激光熔覆處理前，對(duì)待制備涂層的球墨鑄鐵表面進(jìn)行清理，除掉表面的銹漬， 然后用丙酮擦洗，以備激光熔覆用;激光熔覆過(guò)程中采用電阻加熱方式對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行輔 助加熱，加熱溫度為200-350 °C。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層，其特 征在于:所述TiC/鈷基合金復(fù)合涂層中，TiC均勻分布于鈷基合金組織中，涂層中的TiC包括 TiC枝狀物和TiC顆粒，復(fù)合涂層厚度為l-5mm。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層，其特征在于： 所述復(fù)合涂層最高硬度為1200-1300HV〇. 2,復(fù)合涂層硬度為球墨鑄鐵基體硬度的5倍以上。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述工藝制備的球墨鑄鐵表面TiC/鈷基合金復(fù)合涂層，其特征在 于:該復(fù)合涂層應(yīng)用于在強(qiáng)烈磨損條件下使用的球墨鑄鐵零件。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK106048606SQ201610663798
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月12日 公開號(hào)201610663798.7, CN 106048606 A, CN 106048606A, CN 201610663798, CN-A-106048606, CN106048606 A, CN106048606A, CN201610663798, CN201610663798.7
【發(fā)明人】童文輝, 趙子龍, 王杰, 國(guó)旭明
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)航空航天大學(xué)