專利名稱：納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料及其激光熔覆工藝的制作方法
納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料及其激光熔覆工藝技術領域
本發(fā)明屬材料表面改性技術領域。是提供一種碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料及其激光熔覆工藝。
背景技術：
激光熔覆是以不同的填料方式，在被熔覆基材表面上放置被選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之與基材表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基材呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著提高基材表面性能的工藝方法。
鎳基自熔性合金具有良好耐蝕性、抗氧化性和潤濕性，是目前激光熔覆普遍采用的一類涂層材料體系。為了滿足劇烈摩擦磨損工況條件下工件使用性能的要求，通常是增加鎳基自熔性合金中碳和硅的含量，以增加其耐磨性能，但這勢必會增大涂層的開裂傾向。 如果在鎳基自熔性合金中引入納米碳包碳化鈦顆粒，構(gòu)成所謂的納米增強復合材料，則因納米顆粒對基質(zhì)相生長的控制作用，納米顆粒與位錯的相互作用，以及納米顆粒周圍特殊的應力場分布，可極大改善鎳基自熔性合金的韌性。同時，納米碳包碳化鈦作為一種包覆材料，其不僅具有核心碳化鈦高的硬度和強度，而且因碳包覆層特殊的六邊形薄層結(jié)構(gòu)及薄層間微弱的范德華力，使其層間具有低的剪切強度，在受到摩擦擠壓和熱的作用下易在摩擦界面轉(zhuǎn)移形成潤滑轉(zhuǎn)移膜，而展示出良好的自潤滑特性，且碳對激光束高的吸收率，可降低激光熔覆過程中的能量密度，減少核心納米碳化鈦顆粒的燒蝕。從而全面提升鎳基自熔性合金的摩擦磨損性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料體系及相應的激光熔覆工藝。
本發(fā)明的技術解決方案是
一種納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料，以鎳基自熔性合金為基質(zhì)材料；以尺寸范圍為100-500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加的體積百分比為O. 5-20%0
根據(jù)構(gòu)件的工況需要，在鎳基自熔性合金粉體中加入一定化學計量比的納米碳包碳化鈦。復合粉體經(jīng)充分混合后，在惰性氣體保護下，采用預置法進行激光熔覆，以此獲得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層。具體方法操作步驟如下
( I)根據(jù)構(gòu)件的性能要求，在鎳基自熔性合金中加入一定比例的納米碳包碳化鈦粉體；
(2)采用研磨法，將配制好的復合粉體進行長時間濕混，以使其均勻混合；
(3)采用預置法，在鋼和合金基體上利用連續(xù)CO2激光器進行激光熔覆。
其中
步驟(I)中所述自熔性合金為Ni65.83Cr15B3.QSi3.5CQ.7Fei2鎳基合金，其粉體的粒度范圍介入3(Γ 80μπι范圍內(nèi)；碳包碳化鈦尺寸分布在100-500nm之間，加入量為O. 5-20vol. % ；
步驟(2)中所述的研磨法中濕混介質(zhì)為無水酒精溶液；
步驟(3)中所述的惰性氣體為氬氣或氦氣；
步驟(3)中所述的預置涂層厚度為O. 2-1. Omm ；
步驟(3)中所述激光工藝參數(shù)為激光功率2. 5-4. 5KW，掃描速度2. 0-6. Omm/s，光斑直徑2. 0-6. 0mm，搭接率10_40%。
本發(fā)明的有益效果是，碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層組織均勻致密，耐蝕性能和摩擦磨損性能優(yōu)異，可滿足碳鋼、合金鋼構(gòu)件在腐蝕環(huán)境和劇烈摩擦磨損服役條件下使用性能要求，且涂層制備過程規(guī)模化和自動化程度高，可實現(xiàn)柔性加工。


圖I是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的XRD圖譜。
圖2是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的SEM形貌。
圖中a O. O wt. %TiC/C ; b O. 5 wt. %TiC/C; c I. 5 wt. %TiC/C;
d 3. 5 wt. %TiC/C; e 5.0 wt. %TiC/C; f 15.0 wt. %TiC/C;
圖3是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層中碳包碳化鈦納米顆粒分布。
圖4是實施例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的顯微硬度。
圖5是實例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的摩擦系數(shù)。
圖6是實例納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的耐磨性能。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明的技術方案進一步說明。
選用粒度為45_180μπι的Nifa8Cr15BwS^5Ca7Fe12鎳基自熔性合金粉末為熔覆層基質(zhì)材料，選用粒度為500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加量為O. 5-14 vol. %。首先按化學計量比配制復合粉體。然后，采用研磨法將配制好的復合粉體進行濕混。將復合粉體預置于300M鋼表面(預置層厚度為1mm)，在氬氣保護下利用5KW橫流CO2激光器進行多道搭接激光熔覆。激光熔覆具體工藝參數(shù)為激光功率3. OKff,掃描速度3. Omm/s,光斑直徑 5. Omm，搭接率 20%。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的XRD圖譜如圖I所示。可見，不同納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層主要是由Y -Ni、Ni3B、M23C6, M7C3和TiC相所組成。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的SEM形貌如圖2所示。可見，不同碳包碳化鈦含量的復合涂層皆呈現(xiàn)出典型的樹枝晶+共晶組織形貌特征。但有所不同的是隨著碳包碳化鈦含量的增加，復合涂層組織逐漸細化，共晶組織數(shù)量逐漸減低；當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，復合涂層組織開始粗化，共晶組織數(shù)量隨之增加。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層中碳包碳化鈦顆粒典型的分布如圖3所示。可見，在激光熔覆后，碳包碳化鈦仍保持原始的形貌特征，且其分布比較均勻。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的顯微硬度如圖4所示。隨著碳包碳化鈦含量的增加，復合涂層平均顯微硬度由HV635逐漸降至HV475。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的摩擦系數(shù)如圖5所示。可見，隨著碳包碳化鈦含量的增加，復合涂層的摩擦系數(shù)由O. 710逐漸降低至O. 630 ;當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，復合涂層摩擦系數(shù)開始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時，摩擦系數(shù)達到O. 638。
實施例所得納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層的磨損體積如圖6所示。可見，隨著碳包碳化鈦的增加，復合涂層的磨損體積由7. 6X 10_3mm3逐漸降至3. 2X 10_3mm3 ;當碳包碳化鈦含量超過5wt. %時，復合涂層磨損體積開始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時， 磨損體積達到4. 9X l(T3mm3。
本發(fā)明的實施例，摩擦磨損實驗是在CETRUMT-2型磨損試驗機上進行的，采用球盤往復磨損方式，使用直徑為5mm的GCrl5鋼球(其硬度為HRC55)，法向加載5N的載荷，往復運動距離3mm,磨損時間30min。
權(quán)利要求
1.一種納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料，其特征是以鎳基自熔性合金為基質(zhì)材料；以尺寸范圍為100-500nm的碳包碳化鈦為增強相，其添加的體積百分比為0. 5_20%。
2.制備權(quán)利要求I所述的納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料的激光熔覆，其特征在于，工藝參數(shù)范圍為激光功率2. 5-4. 5KW，掃描速度2. 0-6. Omm/s，光斑直徑2. 0-6. Omm,搭接率10-40%，氬氣或氦氣保護。
全文摘要
納米碳包碳化鈦增強鎳基復合涂層材料與激光熔覆工藝屬于材料表面改性技術領域。其特征是以Ni65.83Cr15B3.0Si3.5C0.7Fe12鎳基自熔性合金粉末為基質(zhì)材料，以0.5-20vol.%的納米碳包碳化鈦為增強相，利用激光熔覆技術在鋼和合金基體上制備納米增強鎳基復合涂層。本發(fā)明的優(yōu)點是涂層組織均勻致密，韌性好，耐蝕性和耐磨性能優(yōu)異，與基體之間具有良好的冶金結(jié)合，可滿足碳鋼、合金鋼構(gòu)件在不同工況條件下對摩擦磨損性能要求，且涂層制備過程規(guī)模化和自動化程度高，可廣泛應用于航空航天、機械、汽車和軍工等領域。
文檔編號C22C19/03GK102978444SQ20121049506
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王存山, 柴龍順, 董星龍, 黃昊 申請人:大連理工大學