專利名稱：激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法
技術領域：
本發明屬于鈷基合金技術領域，涉及一種激光熔覆合金粉末及其制備方法，特別是一種激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，該高耐磨鈷基合金粉末適用于激光熔覆高耐磨工況零部件。
背景技術：
在現代的日常生活和工業生產中，金屬材料的磨損與腐蝕會出現在各個領域，是破壞機械零部件、工程構件的二大主要方式之一，腐蝕將會導致機械零件的大量消耗，而磨損則是導致機械零件失效的重要原因之一。它們在損耗大量金屬材料的同時，也浪費了大量資源，在經濟損失中占據非常大的比重。高溫、腐蝕、摩擦和磨損引起的工程構件的失效大多發生在表面，這一現象促使材 料科學工作者對材料表面的極大關注，并促使材料表面改性技術的迅猛發展。人們希望在材料整體保持足夠的韌性和強度的同時，使材料表面獲得較高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蝕和抗氧化等。據報道，目前，在全世界工業化國家中，在磨損上消耗的能量占總能量的二分之一，約有60% 80%的機械零部件由于磨損而失效。在一個高度發達的工業化國家，每年因磨損所造成的經濟損失幾乎占國民經濟總產值的1% 2%。例如，美國平均每年由于磨損造成的經濟損失高達200億美元；英國平均每年由磨損造成的經濟損失超過51500萬英鎊。在我國，由磨損造成的經濟損失同樣也相當嚴重。僅據石油、化工、煤炭、電力、農機等部門粗略統計，我國每年就有高達數百萬噸的鋼材消耗在磨損上，經濟損失達到200 300億元之多。所以說，金屬材料的磨損影響著機械零件的性能質量和使用壽命，進而影響著這些機械零件在市場上的競爭能力。同時，金屬腐蝕問題也遍及國民經濟各個領域，從尖端科學技術的應用到工農業生產，從日常生活中的應用到國防工業的制造，凡是使用金屬材料的地方，都不同程度上存在著腐蝕問題。據有關專家統計，全球每一分半鐘就有一噸鋼材被腐蝕成鐵銹。例如，1975年，美國每年由腐蝕造成的經濟損失高達820億美元，占國民經濟總產值的4.9%;1995年，美國由于腐蝕造成的經濟損失直線上升到3000億美元。統計表明，在一個工業發達的國家，因腐蝕造成的經濟損失約占國民經濟總產值的2% 4%，超過水災、火災、地震、和咫風等所有自然災害造成的損失的總和。雖然我國僅為一個發展中國家，但由于腐蝕帶來的損失也相當可觀，每年大約5000億元人民幣，約占我國國民經濟生產總值的6%左右。僅在石油與天然氣領域每年由腐蝕造成的經濟損失就約100億元，煤炭工業每年由腐蝕造成的資金浪費約為55. 6億元，而電力系統每年的腐蝕損失則近17億元。因此，從有限的資源與能源出發，現代的工業生產要求機械零部件具有足夠的耐磨耐蝕性能，可以在高溫、高負荷等極其惡劣的環境下長時間工作，因此解決金屬的磨損與腐蝕問題已迫在眉睫。激光熔覆陶瓷技術可以將金屬高的強韌性、良好的工藝性與陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結合起來，為最有價值和競爭力的表面強化技術，也是激光熔覆技術發展的熱點之一。激光熔覆是一項新興、迅猛發展的技術，它是在高能量密度激光束照射下，基體表面一薄層與根據需要加入的合金同時熔化，形成厚度為10 1000 μ m表面熔化層，快速凝固以滿足某一特殊性能要求的工藝方法，是集激光加熱熔化、熔池中物質交互作用及快速凝固成型等多學科交叉的一門新技術，此技術在表面處理方面得到較細致的研究。由于局部表面受熱密度大，光斑直徑小，受熱時間短，故工件表面上熔化區很小，傳到工件內部熱量少，熔化區內存在很大的溫度梯度，冷卻速度可達IO4 109°C /S。正是由于快速凝固，賦予合金不同于正常凝固的特點。作為表面改性手段之一的激光熔覆，適于各類金屬的表層改性和修復。激光表面熔覆能保持原涂層合金成份(稀釋率5 8%)，僅在重熔區與基體的交界處存在很有限的相互擴散區，而此擴散區正是實現涂覆層與基體的冶金結合所必須的。它能把高性能的合金粉末涂覆在普通材料(工件)上，從而獲得優異特性的表面涂層(如耐熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊等優良涂層)。
與傳統的表面改性(熱噴涂、等離子噴涂等)技術相比，它主要有以下優點界面為冶金結合；組織極細；熔覆層成分均勻及稀釋度低；覆層厚度可控；熱畸變小；易實現選區熔覆和工藝過程易實現自動化。在表面改性技術中，激光熔覆已成為比較活躍的研究領域。激光表面涂層技術是七十年代中期發展起來的材料表面工程領域的前沿課題之一，國內外正在蓬勃發展。隨著高功率激光器及配套技術的發展與完善，它已從實驗室研究逐步走向工業應用，在未來材料表面改性領域將具有強大的生命力。激光熔覆既可用于傳統材料的表面改性，提升材料的性能，又可用于表面失效零件的修復，故可用的基體材料十分廣泛，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵以及鋁合金、銅合金、鎳基高溫合金等。此外，材料科研人員還開發了非晶態及準晶涂層等。目前，國內外對激光技術在傳統材料表面的改性研究較多，高合金鋼、高溫合金表面改性的研究也有報道，然而應用激光熔覆修復一些機械零部件的實際工程應用卻有待于進一步推廣，主要原因是激光熔覆過程中常有裂紋、涂層不均勻等問題，有待于科技工作者更深一步研究。激光熔覆層材料的狀態一般有粉末狀、絲狀、膏狀等。另外還可將金屬板材、粉末冶金制品、鋼帶和焊條等作為熔覆材料，其中合金粉末在激光熔覆技術中應用最為廣泛。視工件的實際使用環境條件不同，對工件表面涂層的性能要求也不一樣。激光熔覆合金體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鉆基合金及復合合金粉末等。鐵基合金粉末適于要求局部耐磨且容易變形的零件；鎳基合金適于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件，所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高；鉆基合金涂層適于要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件；陶瓷涂層在高溫下有較高的強度，且熱穩定性好，化學穩定性高，適用于耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。耐磨涂層是激光熔覆陶瓷涂層中研究得最早也是最多的I種。Ni基、Co基、Fe基自熔合金雖然本身就具有良好的耐磨、耐蝕、耐熱性能，利用它們的激光熔覆層進行材料表面強化的研究報道已經很多。但在滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，單純的Ni基、Co基、Fe基自熔性合金已不能勝任使用要求。復合材料是一種新型的表面強化工程材料，金屬與金屬、金屬與陶瓷、陶瓷與陶瓷等，合金粉末之間以及合金粉末與陶瓷之間的搭配的選擇范圍十分廣泛。為此近年來國內外開展了在上述激光熔覆的合金粉末體系中加入一定含量的各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬陶瓷復合涂層甚至純陶瓷涂層，以提高熔覆層的耐磨性。盡管采用復合材料進行激光熔覆可制備高性能的復合材料涂層，但目前國內大多仍然處于實驗室的研究中，而且其制備工藝大多都是在實驗室內采用將鎳基自熔合金與一定含量的WC粉末混合均勻，然后加入飽和松節油或自制的有機粘結劑，調成料漿或膏狀，預涂覆于工件上，然后進行激光熔覆或燒結。其所加入的硬質顆粒較大、密度與基體金屬不同，顆粒在熔覆層中的分布往往不均勻，通常呈現梯度分布；所加的顆粒材料與基體的潤濕性、穩定性、膨脹系數及化學反應活性等均導致熔覆層的組織與性能的不均勻性。且所制備的組合粉末由于各組元比重相差懸殊，因而在貯存、運輸和使用過程中而易產生偏析。無法進行商品化市場供應，目前在市場上尚未見有顆粒增強激光熔覆專用粉末商品銷售。由于上述原因，至今尚未見激光熔覆專用組合粉末，從而制約了激光熔覆在高耐磨工況領域上的應用。

發明內容
本發明的目的是避免上述現有技術中的不足，開發一種能夠滿足工程機械嚴重磨粒磨損工況條件下所需的一種激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法。為實現上述目的，本發明可以通過以下基本化學成分的設計和添加硬質化合物和相應的制備技術方案來實現本發明所提供的一種激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為50 98%基體合金粉末，I 45%的WC或TiC或WC和TiC的混合體粉末，I 5%的粘結劑制備成組合粉末；其中基體合金的化學成分及其質量百分比為；O. I O. 4% C、3. 5 5. 5% Si、I. 5 3% B、I. 6 2. 5% Mn、I. O 3. 0% Cr 、O. 5 2% W、2. O 3· 0%Μο、0· 5 3%Ni、0. I O. 4% Nb,< 15%Fe、0. 2 O. 3% La203,O. 4 O. 5Y、Co余量和不可避免的雜質元素。本發明所提供的激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，其制備工藝步驟是基體合金粉末制備一添加碳化物顆粒一添加粘結劑一攪拌球磨一組合粉末一干燥一破碎一篩分；具體工藝步驟如下(I)基體合金制備基體合金粉末制備的工藝流程為配料一熔煉一霧化一干燥一篩分；配料原料為純鈷、石墨粉、卩60、卩68、卩651、胃、恥、祖、1^20、￥;熔煉將上述配制好的原料在真空感應爐或中頻感應爐中進行熔煉，熔化溫度約為1250°C _1350°C，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格后，出爐溫度1200 1280°C;霧化采用惰性氣或高壓水霧化，霧化孔徑5 10mm，霧化壓力，10 14MPa ；干燥所用設備是遠紅外烘干機，烘干溫度為220°C 280°C ；篩分由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末作為成品粉；
(2)添加碳化物顆粒選取粒度范圍為+150目 -350目的市售WC或TiC粉末或WC和TiC的混合體粉末作為增強硬質顆粒；(3)添加粘結劑采用熱固型的酚醛樹脂、環氧樹脂或水玻璃做粘結劑，加入環己酮或甲醇溶劑，使其溶解成樹脂溶液；(4)攪拌球磨將制備好的基體合金粉末和WC或TiC粉末和粘結劑按照所需的比例進行配置后，倒入攪拌球磨機中，將所需劑量的樹脂溶解于環己酮或甲醇溶劑使其溶解成樹脂溶液；攪
拌均勻后倒入球磨機內所需處理的混合粉中，將球體直徑10 20mm的磨球按照2 : I
3 I球料比配制好后加入到攪拌球磨機中，起動攪拌球磨機,經5 60小時的充分攪拌球磨，使混合粉各組分及樹脂液都分布均勻，將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起，制備成組合粉末；(5)干燥將球磨好的組合粉末從球磨機中倒出，然后經150°C 200°C干燥；(6)破碎和篩分將干燥好的組合粉末進行破碎，由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末分別作為成品粉，即得所需成分、所需粒度等級而又不會發生組分偏析的組合粉末。有益效果與現有技術相比，本發明具有如下優點I)本發明的激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末既有較高的韌性，高的硬度，又具有優異的耐磨性和耐蝕性，其耐磨料磨損性可為高鉻鑄鐵的10倍，其耐蝕性與lCrl8Ni9 Ti相當。適用于激光熔覆高沖擊、高耐磨工況零部件。2)本發明激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末具有優異的激光熔覆工藝性能，而且處理后的激光熔覆層具有無裂紋、無氣孔、無雜質、組織致密、晶粒細化等優點。3)經本發明工藝制備的激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末能將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起；具有足夠的粘結強度，能夠有效的防止組合粉在貯存、運輸和使用過程中由于各組元比重相差懸殊而產生偏析。4)本發明激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末，特別適用于有較高表面硬度、韌性和高耐磨性的合金工件的激光熔覆修復，所得激光熔覆合金粉末工藝性能好，在無需預熱和后續熱處理的條件下即可獲得大面積大厚度無裂紋的激光熔覆合金層，熔覆層強度、硬度和耐磨性高，塑韌性好，并且比現有大多數熱噴涂用自熔合金粉末和現有大多數激光熔覆用合金粉末成本大幅度降低。可減少戰略性稀有元素的用量，顯著降低激光熔覆成本。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳述。實施例一一種激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，該激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為60%基體合金粉末，37的WC，3%的酚醛樹脂粘結劑制備成組合粉末；其中基體合金的化學成分及其質量百分比為；O. 3% CA% Si,2. 5% B、2. 6% CrU. 5%ff,2. 2% Mn,O. 3% Nb,2. 5% Ni,13% Fe、O. 3% La203、0. 4% Y、Co 余量。其制造工藝步驟基體合金粉末制備一添加碳化物顆粒一添加粘結劑一攪拌球磨一組合粉末一干燥一破碎一篩分；具體工藝步驟如下
(I)基體合金制備基體合金粉末制備的工藝流程為配料一熔煉一霧化一干燥一篩分；配料原料為純鎳、石墨粉、FeCr, FeB, FeSi、Cu、Sn、稀土 Y、稀土 Ce ;按上述重量百分比配比，準備好制作基體金屬粉末的原材料。熔煉啟動真空感應中頻爐，按熔煉工藝的要求，放入金屬開始熔煉，一般容易氧化的金屬在熔化的后期放入。熔化溫度約控制在1250-1300°C ;當本爐的金屬全部在爐內熔化后，進行造渣，去除金屬液中的雜質，然后進入精煉期進行精煉，澆注前加入脫氧劑進行脫氧，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格后，出爐溫度控制在1200 1250°C。霧化將熔煉合格的合金液體倒入錐體漏包中，開始進行金屬粉末的霧化，打開高壓惰性氣體瓶，將來自氣瓶的高壓氣體作為氣刀，對熔化后經孔徑為5 IOmm的漏嘴約束后成一細流的熔融金屬液流進行切割霧化，霧化壓力10 14MPa，將金屬霧化成極微小的金屬液滴，最后凝固成合金粉末。凝固后的金屬粉末，在高溫時還是相當容易氧化的，所以須在無氧或低氧的環境下讓其冷卻到室溫，才能減少粉末的含氧量。正常的霧化時間在5 20分鐘左右。干燥所用設備是遠紅外烘干機，烘干溫度約250°C，干燥后的金屬粉末，先取樣進行化學成份的化驗，合格后轉入下道工序。篩分由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末作為成品粉。(2)添加碳化物顆粒選取粒度范圍為-250目的市售WC粉末作為增強硬質顆粒；(3)添加粘結劑采用熱固型的酚醛樹脂做粘結劑，加入環己酮溶劑，使其溶解成樹脂溶液；(4)攪拌球磨將制備好的基體合金粉末和WC粉末和粘結劑按照上述的比例進行配置后，倒入攪拌球磨機中，將3 %熱固型的酚醛樹脂溶解于環己酮溶劑中使其溶解成樹脂溶液，攪拌均勻后倒入球磨機內的所需處理的混合粉中，將球體直徑15mm的磨球按照2 I球料比配制好后加入到攪拌球磨機中，經35小時的充分攪拌球磨，使混合粉各組分及樹脂液都分布均勻，將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起，制備成組合粉末；(5)干燥將球磨好的組合粉末從球磨機中倒出，然后經180°C干燥；(6)破碎和篩分將干燥好的組合粉末進行破碎，由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末作為成品粉，即得所需成分、所需粒度等級而又不會發生組分偏析的組合粉末。
按用戶的要求進行篩分，包裝入庫。實施例二一種激光熔覆高韌性耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，該激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為68%基體合金粉末，30的TiC，2%的環氧樹脂粘結劑制備成組合粉末；其中基體合金的化學成分及其質量百分比為；O. 2% C,5% Si,3% BU. 5% Cr,2. 0W、2. 5% Μη、0· 2% Nb,3% Ni,12% Fe、0. 2%La2O3>0. 5% Y、Co 余量。(2)添加碳化物顆粒選取粒度范圍為-300目的市售WC粉末作為增強硬質顆粒；·
(3)添加粘結劑采用熱固型的環氧樹脂做粘結劑，加入甲醇溶劑，使其溶解成樹脂溶液；(4)攪拌球磨將制備好的基體合金粉末和TiC粉末和粘結劑按照上述的比例進行配置后，倒入攪拌球磨機中，將2 %熱固型的酚醛樹脂溶解于甲醇溶劑中使其溶解成樹脂溶液，攪拌均勻后倒入球磨機內的所需處理的混合粉中,將球體直徑12mm的磨球按照2.5:1球料比配制好后加入到攪拌球磨機中，經5 60小時的充分攪拌球磨，經26小時的充分攪拌球磨，使混合粉各組分及樹脂液都分布均勻，將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起，制備成組合粉末；其制備方法與實施例一相同。實施例三一種激光熔覆高韌性耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，該激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為68%基體合金粉末，30的TiC，2%的環氧樹脂粘結劑制備成組合粉末；其中基體合金的化學成分及其質量百分比為；O. 4% C,2. 8% Si,2. 0% B,3% Cr,2. 5% WU. 8% Mn,O. 25% Nb,2. 0% Ni,10%Fe,O. 25% La203、0. 45% Y、Co 余量。(2)添加碳化物顆粒選取粒度范圍為-200目的市售50% WC和50% TiC所組成的的混合體粉末作為增強硬質顆粒；(3)添加粘結劑采用水玻璃做粘結劑，加入甲醇溶劑；(4)攪拌球磨將制備好的基體合金粉末和TiC粉末和粘結劑按照上述的比例進行配置后，倒入攪拌球磨機中，將2. 5%水玻璃加入于甲醇溶劑中，攪拌均勻后倒入球磨機內的所需處理的混合粉中，將球體直徑18_的磨球按照2. 8 : I球料比配制好后加入到攪拌球磨機中，起動攪拌球磨機，經18小時的充分攪拌球磨，使混合粉各組分及水玻璃液都分布均勻，將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起，制備成組合粉末；其制備方法與實施例一相同。
本發明提出的以上成份的激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末，特別適用于相應制件表面的激光熔覆，其熔覆層的硬度高，耐磨性良好，產生開裂和其它熔敷層缺陷的傾向小，可以制備大厚度熔覆層，激光熔覆工藝性能良好，比現用激光熔覆 合金粉末的成本低，能適用更廣泛的應用需要。本發明的材料推廣應用具有顯著的經濟和社會效益。
權利要求
1.激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，其特征在于激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為50 98%基體合金粉末，I 45%的WC或TiC或WC和TiC的混合體粉末，I 5%的粘結劑制備成組合粉末；其中基體合金的化學成分及其質量百分比為；O. I O. 4% C、3. 5 5. 5% SiU. 5 3% Β、1· 6 2. 5% MnU. O 3. 0% Cr,O. 5 2% W、2. O 3. 0% Mo,O. 5 3% Ni、0. I O. 4% Nb、< 15% Fe,O. 2 O. 3% La203、0. 4 O. 5稀土 Y、Co余量和不可避免的雜質元素；其制備工藝步驟是 基體合金粉末制備一添加碳化物顆粒一添加粘結劑一攪拌球磨一組合粉末一干燥一破碎一篩分；具體工藝步驟如下 (1)基體合金制備 基體合金粉末制備的工藝流程為配料一熔煉一霧化一干燥一篩分； 配料:原料為純鈷、石墨粉460、卩68、卩65丨、胃、恥、祖、1^20、￥; 熔煉將上述配制好的原料在真空感應爐或中頻感應爐中進行熔煉，熔化溫度約為12500C _1350°C，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格后，出爐溫度1200 1280°C ； 霧化采用惰性氣或高壓水霧化，霧化孔徑5 10mm，霧化壓力，10 14MPa ； 干燥所用設備是遠紅外烘干機，烘干溫度為220°C 280°C ； 篩分由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末作為成品粉； (2)添加碳化物顆粒 選取粒度范圍為+150目 -350目的市售WC或TiC粉末或WC和TiC的混合體粉末作為增強硬質顆粒； (3)添加粘結劑 采用熱固型的酚醛樹脂、環氧樹脂或水玻璃做粘結劑，加入環己酮或甲醇溶劑，使其溶解成樹脂溶液； (4)攪拌球磨 將制備好的基體合金粉末和WC或TiC粉末和粘結劑按照所需的比例進行配置后，倒入攪拌球磨機中，將所需劑量的樹脂溶解于環己酮或甲醇溶劑使其溶解成樹脂溶液；攪拌均勻后倒入球磨機內所需處理的混合粉中，將球體直徑10 20mm的磨球按照2 : I 3 : I球料比配制好后加入到攪拌球磨機中,起動攪拌球磨機,經5 60小時的充分攪拌球磨，使混合粉各組分及樹脂液都分布均勻，將各組元粉末顆粒包裹起來，并粘結在一起，制備成組合粉末； (5)干燥 將球磨好的組合粉末從球磨機中倒出，然后經150°C 200°C干燥； (6)破碎和篩分 將干燥好的組合粉末進行破碎，由篩粉機篩出粒度范圍為+150目 -350目的粉末分別作為成品粉，即得所需成分、所需粒度等級而又不會發生組分偏析的組合粉末。
全文摘要
本發明為激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末及其制備方法，其特征在于激光熔覆高耐磨鈷基合金粉末由基體合金粉末與碳化物硬質顆粒和粘結劑所組成，其配比為50～98％基體合金粉末，1～45％的WC或TiC或WC和TiC的混合體粉末，1～5％的粘結劑制備成組合粉末。其制備工藝步驟是基體合金粉末制備→添加碳化物顆粒→添加粘結劑→攪拌球磨→組合粉末→干燥→破碎→篩分。本發明的激光熔覆用合金粉末既有較高的硬度、韌性，又具有優異的耐磨性和耐蝕性，特別適用于適用于激光熔覆高沖擊、高耐磨工況零部件。而且能夠有效的防止在貯存、運輸和使用過程中由于各組元比重相差懸殊而產生偏析。
文檔編號C22C30/00GK102943266SQ20121053287
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者丁剛, 丁家偉, 耿德英, 謝宗翰, 王愛華, 郭洪才, 印杰, 孫健, 唐華平 申請人:江蘇新亞特鋼鍛造有限公司