激光熔覆原位合成复合碳化物(Ti,Nb)C强化Ni基涂层及制备

摘要

激光熔覆原位合成复合碳化物(Ti,Nb)C强化Ni基涂层及制备，属于表面处理技术领域。制备步骤为：首先将Cr12MoV汽车模具钢表面用角磨机和丙酮清洗干净，熔覆用合金粉末按照化学成分配比并放入球磨机混合2小时后，采用同轴送粉方式，在基材表面制备4道4层的耐磨涂层，该涂层组织致密，原位强化相分布均匀、弥散效果好、界面无污染，且与基材呈现良好的冶金结合。显微硬度值达700HV左右，显著提高了模具钢表面的力学性能。

说明书

技术领域

本发明公开了一种磨损汽车模具的激光熔覆修复方法，具体涉及激光熔覆原位合成复合碳化物强化Ni基涂层及其制备方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，汽车保有量迅速增加，为了解决日益严重的燃料资源消耗和汽车尾气排放，汽车轻量化已成为一种趋势，研究表明，汽车质量每减轻10％，汽车能源消耗将降低4％-8％。因此，降低汽车重量、生产低油耗低排放的汽车、实现节能减排成为了当前汽车发展的重要方向。而目前主要通过两个途径来实现汽车轻量化：一是采用高强度钢板使材料的厚度减少，从而使汽车质量降低；二是使用密度小、强度高的轻质铝、镁合金材料代替钢板材料。但是，高强度钢板的应用，使冲压成形时模具的工作条件更加恶劣，所受载荷更大，模具的磨损情况也更为严重，同时模具的磨损还会影响冲压工件的质量，包括工件的形状、尺寸和表面质量，磨损造成的模具损伤占模具失效的70％左右，给汽车模具的设计和应用带来了一系列的问题。目前，解决这一问题的一般方法是整体更换模具，这样既浪费生产材料同时又降低了工作效率。

激光熔覆作为一种新型的表面强化和修复技术，为解决该问题提供了途径，它通过高能激光束的辐照，在基材表面将熔覆材料熔化，并与基材表面结合形成保护层。相比于其他传统熔覆方法(如堆焊和喷涂)，激光熔覆具备诸多优势，如热影响区小，基材应力变形小；熔覆材料和基材呈现冶金结合，结合强度高等。常用的涂层基体材料有Fe基，Ni基和Co基三类，Fe基粉末原料来源广泛、成本低、工艺性能良好，但是涂层耐磨与耐腐蚀性提高有限，Co基粉末具备较高的硬度和良好的耐磨、耐腐蚀性及高温性能，但是成本极高，Ni基粉末兼具成本优势和优异的涂层性能，熔覆工艺良好，因此研究和应用较为广泛。

陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高耐磨性、高弹性模量等优越性能，常用作金属基激光涂层的强化相，但是通过外加的陶瓷颗粒容易出现下沉、断裂、烧损、熔解等缺陷，此外陶瓷颗粒在加工过程中往往容易受到污染，导致颗粒同基体的润湿性差，结合能力低，从而损害复合材料的力学性能。

研究显示：通过原位合成得到的强化相尺寸细小且分布均匀，表面无污染，与基体的润湿性好，界面强度高，使涂层既具有金属材料本身的良好强韧性，又具有陶瓷材料的高硬度、高耐磨性，因此本项发明中，在Ni基合金粉末中原位合成复合碳化物(Ti，Nb)C颗粒。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有激光熔覆存在的缺点及汽车模具磨损的失效机制，提出一种原位合成复合碳化物强化Ni基涂层及其制备方法，解决汽车模具钢表面强化问题。

本发明可以通过以下措施来实现：

(1)基材预处理

将Cr12MoV汽车模具钢(尺寸如12mm×60mm×100mm)表面用角磨机和丙酮清洗干净；

(2)激光熔覆

将镍基合金粉末、纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉放入球磨机混合2小时后，采用同轴送粉方式，在基材Cr12MoV汽车模具表面制备耐磨涂层优选(优选4道4层)，纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉的添加量分别为镍基合金粉末加入质量分数的8-10％、3.5-4.0％、2.5-3.0％和5.0-5.3％。

作为对本发明的优选，本发明所述的制备涂层所用镍基合金粉末粒度范围为75-105μm，成分为：

C：0.3％-0.5％

Si：3％-4.5％

B：1.5％-3％

Cr：10％-15％

Fe：≤10％

余量：Ni

在合金粉末中添加纯Cr₃C₂粉，纯Nb粉，纯Ti粉和Y₂O₃粉，获得的涂层组织致密，与基材呈现良好的冶金结合，原位合成的复合碳化物(Ti,Nb)C颗粒分布均匀，弥散效果好。

激光工艺参数对涂层的质量有很大影响，特别是激光功率和速度的协调，激光功率增加、扫描速度减小，会熔化更多粉末，提高界面结合强度，降低涂层开裂倾向，但激光功率过大、扫描速度过慢会增加涂层稀释率，并且造成部分陶瓷相烧损。能量热输入可以表示为：

E＝P/(vtd) (1)

其中P是激光功率，v是激光速度，d是光斑尺寸，t是涂层厚度。为了保证粉末有足够的温度和时间进行反应，本发明所述的激光熔覆工艺参数为：激光功率1800-2200W、扫描速度4-6mm/s；光斑直径：5×5mm；搭接率：30％，送粉率：15g/min；氩气流量：15L/min。

通过激光加热，涂层中原位合成复合碳化物(Ti,Nb)C颗粒。

采用上述方案后，本发明取得的有益效果是：合金粉末在激光能量照射下原位生成陶瓷相(Ti,Nb)C，涂层组织细密且与基材呈现良好的冶金结合。本发明的激光熔覆原位合成(Ti,Nb)C颗粒强化Ni基涂层具有制备工艺简单、操作方便、原位强化相粒度小、分布均匀、弥散效果好、界面无污染等优点，且熔覆不需要在真空条件下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于复杂汽车模具的表面修复。该涂层显微硬度值达700H_V左右，耐磨性提高10倍以上，且涂层韧性好。同时不使用贵重金属，在材料表面改性上具有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为实施例1原位合成的(Ti,Nb)C颗粒及元素分布图。

具体实施方式

本发明将就以下实施例作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：在2200W功率下制备激光熔覆涂层，获得表面平整、高度、宽度较大的涂层。

(1)基材预处理

将Cr12MoV汽车模具钢(12mm×60mm×100mm)表面用角磨机和丙酮清洗干净；

(2)激光熔覆

制备涂层所用镍基合金粉末成分为：

C：0.33％

Si：3.05％

B：1.89％

Cr：10.01％

Fe：5.28％

余量：Ni

在合金粉末中添加粒度范围为75-105μm的纯Cr₃C₂粉，纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉，纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉的添加量分别为镍基合金粉末质量分数的8.8％、3.9％、2.6％和5.1％。配粉后放入球磨机混合2小时，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2200W、扫描速度4mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：15g/min、氩气流量：15L/min，采用同轴送粉方式，原位合成复合(Ti,Nb)C颗粒强化Ni基涂层，涂层平均显微硬度为710Hv，原位合成的(Ti,Nb)C颗粒及元素分布图如图1。

实施例2：在2000W功率下激光熔覆制备涂层，获得表面平整、高度、宽度较小的涂层。

(1)基材预处理

将Cr12MoV汽车模具钢(12mm×60mm×100mm)表面用角磨机和丙酮清洗干净；

(2)激光熔覆

制备涂层所用合金粉末成分为：

C：0.33％

Si：3.05％

B：1.89％

Cr：10.01％

Fe：5.28％

余量：Ni

在合金粉末中添加粒度范围为75-105μm的纯Cr₃C₂粉，纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉，纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉的添加量分别为镍基合金粉末质量分数的9％、3.8％、2.7％和5.2％，配粉后放入球磨机混合2小时，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2000W、扫描速度6mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：15g/min、氩气流量：15L/min，采用同轴送粉方式，原位合成复合(Ti,Nb)C颗粒强化Ni基涂层，涂层平均显微硬度为680Hv。

实施例3：在1800W功率下激光熔覆制备涂层，获得表面平整、高度、宽度较小的涂层。

(1)基材预处理

将Cr12MoV汽车模具钢(12mm×60mm×100mm)表面用角磨机和丙酮清洗干净；

(2)激光熔覆

制备涂层所用合金粉末成分为：

C：0.44％

Si：4.29％

B：2.77％

Cr：14.52％

Fe：3.09％

余量：Ni

在合金粉末中添加粒度范围为75-105μm的纯Cr₃C₂粉，纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉，纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉的添加量分别为镍基合金粉末质量分数的10％、3.5％、3.0％和5.0％，配粉后放入球磨机混合2小时，调节激光熔覆工艺参数，激光功率1800W、扫描速度4mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：15g/min、氩气流量：15L/min，采用同轴送粉方式，原位合成复合(Ti,Nb)C颗粒强化Ni基涂层，涂层平均显微硬度为760Hv。

实施例4：在2000W功率下激光熔覆制备涂层，获得表面平整、高度、宽度较大的涂层。

(1)基材预处理

将Cr12MoV汽车模具钢(12mm×60mm×100mm)表面用角磨机和丙酮清洗干净；

(2)激光熔覆

制备涂层所用合金粉末成分为：

C：0.33％

Si：3.05％

B：1.89％

Cr：10.01％

Fe：5.28％

余量：Ni

在合金粉末中添加粒度范围为75-105μm的纯Cr₃C₂粉，纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉，纯Cr₃C₂粉、纯Nb粉、纯Ti粉和Y₂O₃粉的添加量分别为镍基合金粉末质量分数的8％、4.0％、2.5％和5.3％，配粉后放入球磨机混合2小时，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2000W、扫描速度4mm/s、光斑直径：5×5mm、送粉率：15g/min、氩气流量：15L/min，采用同轴送粉方式，原位合成复合(Ti,Nb)C颗粒强化Ni基涂层，涂层平均显微硬度为680Hv。

以本发明的几项实施例为启示，并通过本文的说明内容，工作人员可以在本项发明技术范围内进行变更以及修改。本发明技术性范围不局限于说明书上的内容，要根据权利要求范围确定技术性范围。