納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層材料及其激光熔覆工藝制造技術(shù)

納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層材料與激光熔覆工藝屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)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(qiáng)相，利用激光熔覆技術(shù)在鋼和合金基體上制備納米增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(mǎn)足碳鋼、合金鋼構(gòu)件在不同工況條件下對(duì)摩擦磨損性能要求，且涂層制備過(guò)程規(guī)模化和自動(dòng)化程度高，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、汽車(chē)和軍工等領(lǐng)域。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層材料及其激光熔覆工藝
本專(zhuān)利技術(shù)屬材料表面改性
是提供一種碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層材料及其激光熔覆工藝。
技術(shù)介紹
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(shí)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(rùn)濕性，是目前激光熔覆普遍采用的一類(lèi)涂層材料體系。為了滿(mǎn)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(shì)必會(huì)增大涂層的開(kāi)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(qiáng)復(fù)合材料，則因納米顆粒對(duì)基質(zhì)相生長(zhǎng)的控制作用，納米顆粒與位錯(cuò)的相互作用，以及納米顆粒周?chē)厥獾膽?yīng)力場(chǎng)分布，可極大改善鎳基自熔性合金的韌性。同時(shí)，納米碳包碳化鈦?zhàn)鳛橐环N包覆材料，其不僅具有核心碳化鈦高的硬度和強(qiáng)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(qiáng)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(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，而展示出良好的自潤(rùn)滑特性，且碳對(duì)激光束高的吸收率，可降低激光熔覆過(guò)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。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的是提供一種納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層材料體系及相應(yīng)的激光熔覆工藝。本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)解決方案是一種納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(qiáng)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(xué)計(jì)量比的納米碳包碳化鈦。復(fù)合粉體經(jīng)充分混合后，在惰性氣體保護(hù)下，采用預(yù)置法進(jìn)行激光熔覆，以此獲得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(fù)合粉體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間濕混，以使其均勻混合；(3)采用預(yù)置法，在鋼和合金基體上利用連續(xù)CO2激光器進(jìn)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(wú)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(yù)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%。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果是，碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(mǎn)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(guò)程規(guī)模化和自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)柔性加工。附圖說(shuō)明圖I是實(shí)施例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的XRD圖譜。圖2是實(shí)施例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(shí)施例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層中碳包碳化鈦納米顆粒分布。圖4是實(shí)施例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的顯微硬度。圖5是實(shí)例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)。圖6是實(shí)例納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的耐磨性能。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)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(qiáng)相，其添加量為O. 5-14 vol. %。首先按化學(xué)計(jì)量比配制復(fù)合粉體。然后，采用研磨法將配制好的復(fù)合粉體進(jìn)行濕混。將復(fù)合粉體預(yù)置于300M鋼表面(預(yù)置層厚度為1mm)，在氬氣保護(hù)下利用5KW橫流CO2激光器進(jìn)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(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的XRD圖譜如圖I所示。可見(jiàn)，不同納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層主要是由Y -Ni、Ni3B、M23C6, M7C3和TiC相所組成。實(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的SEM形貌如圖2所示。可見(jiàn)，不同碳包碳化鈦含量的復(fù)合涂層皆呈現(xiàn)出典型的樹(shù)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(fù)合涂層組織逐漸細(xì)化，共晶組織數(shù)量逐漸減低；當(dāng)碳包碳化鈦含量超過(guò)5wt. %時(shí)，復(fù)合涂層組織開(kāi)始粗化，共晶組織數(shù)量隨之增加。實(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層中碳包碳化鈦顆粒典型的分布如圖3所示。可見(jiàn)，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(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(fù)合涂層平均顯微硬度由HV635逐漸降至HV475。實(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)如圖5所示。可見(jiàn)，隨著碳包碳化鈦含量的增加，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)由O. 710逐漸降低至O. 630 ;當(dāng)碳包碳化鈦含量超過(guò)5wt. %時(shí)，復(fù)合涂層摩擦系數(shù)開(kāi)始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到O. 638。實(shí)施例所得納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的磨損體積如圖6所示。可見(jiàn)，隨著碳包碳化鈦的增加，復(fù)合涂層的磨損體積由7. 6X 10_3mm3逐漸降至3. 2X 10_3mm3 ;當(dāng)碳包碳化鈦含量超過(guò)5wt. %時(shí)，復(fù)合涂層磨損體積開(kāi)始升高，且在碳包碳化鈦含量為15wt. %時(shí)， 磨損體積達(dá)到4. 9X l(T3mm3。本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施例，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)是在CETRUMT-2型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，采用球盤(pán)往復(fù)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(fù)運(yùn)動(dòng)距離3mm,磨損時(shí)間30min。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(qiáng)相，其添加的體積百分比為0.5?20%。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種納米碳包碳化鈦增強(qiáng)鎳基復(fù)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(qiáng)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...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王存山，柴龍順，董星龍，黃昊，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：