[发明专利]石墨烯增强镍基复合涂层材料及其激光熔覆工艺

说明书

技术领域

本发明属材料表面改性技术领域。是提供一种石墨烯增强镍基复合涂层材料体系及相应的激光熔覆工艺。

背景技术

随着现代机械和机构运转速度和负荷的急剧增加，以及航空航天、军工和核能技术的发展，对材料提出更为严格的性能要求，许多工况条件处于无油润滑或少油润滑状态下，此时材料不仅要有优异的耐磨性能，还应具有良好的减摩性能。显然，传统的合金设计思想和工艺已不能满足上述的目的和用途。由于摩擦磨损失效行为均源于零件表面并逐渐发展到内部的破坏行为，因此，采用先进的表面工程技术，直接在零件表面实际承受接触摩擦磨损等作用的特定部位上制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、与基体材料为牢固冶金结合的特殊涂层，将是一种最有效、最经济、最灵活和最具可设计性方法之一。

激光熔覆技术是集材料制备与表面构型为一体，是绿色制造技术的重要支撑技术之一。目前，激光熔覆所采用的合金材料主要有镍基、钴基和铁基自熔性合金。这类合金具有良好的耐磨、耐蚀及抗氧化性能，同时与多种基材具有良好的润湿性能，易获得稀释度低、与基体保持冶金结合的耐磨涂层，但其减摩性能较差；石墨烯是一种由碳原子以SP3杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯特殊的结构特征使其具有许多常规材料所没有的特殊性能，碳六元环平面内碳原子间高的键合能，不仅使其展示出很强的柔韧性，而且具有极高的强度。同时，石墨烯薄层间为微弱的范德华结合，较大的片层间距意味着其范德华力较石墨结构有明显减弱，在受到摩擦挤压和热的作用下易在摩擦界面转移形成润滑转移膜，从而具有很好的自润滑特性。如果把石墨烯作为增强相加入自熔性合金中，利用其增强和自润滑作用，则可显著提高自熔性合金的摩擦磨损性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯增强镍基复合涂层材料体系及相应的激光熔覆工艺。

本发明的技术解决方案是：

一种石墨烯增强镍基复合涂层材料，其特征是以镍基的自熔性合金为基质材料；以尺寸范围为100-1000nm的石墨烯为增强相，其添加的体积百分比为0.5-20 %。

根据构件的工况需要，在镍基自熔性合金粉体中加入一定化学计量比的石墨烯。复合粉体经充分混合后，在惰性气体保护下，采用预置法或送粉法进行激光熔覆，以此获得石墨烯增强复合涂层。具体方法操作步骤如下：

（1）根据构件的性能要求，在自熔性合金中加入一定比例的石墨烯粉体；

（2）采用球磨法或研磨法，将配制好的复合粉体进行长时间湿混，以使其均匀混合；

（3）采用预置法或送粉法，在钢基体上利用连续CO₂激光器进行激光熔覆。

其中：

步骤（1）中，自熔性合金为镍基的自熔性合金，石墨烯的尺寸分布在100-1000nm之间，加入体积百分比为0.5-20%；

步骤（2）中，球磨法混合参数为：转速100-300 rpm，混合时间1-5h；

步骤（3）中，惰性气体为氩气或氦气，预置涂层厚度为0.2-1.0mm，送粉率为1.0-6.0g/min；激光工艺参数为：激光功率2.5-4.5KW，扫描速度2.0-6.0mm/s，光斑直径2.0-6.0mm，搭接率10-40%。

本发明的有益效果是石墨烯的含量变化范围大，涂层组织均匀致密，耐磨和减磨性能优异，与基体之间具有良好的冶金结合，可满足碳钢、合金钢构件在不同工况条件下对摩擦磨损性能要求，且涂层制备过程规模化和自动化程度高，可实现柔性加工。

附图说明

图1是实施例石墨烯TEM形貌。

图2是实施例石墨烯增强镍基复合涂层的XRD图谱。

图3是实施例石墨烯增强镍基复合涂层的SEM形貌。

a  Ni45;  

b  Ni45+0.5vol% 石墨烯;

c  Ni45+2vol% 石墨烯;

d  Ni45+6vol% 石墨烯;

e  Ni45+10vol% 石墨烯;

f  Ni45+14vol% 石墨烯。

图4 是实施例石墨烯增强镍基复合涂层的显微硬度。

图5是实例石墨烯增强镍基复合涂层的摩擦系数。

图6是实例石墨烯增强镍基复合涂层的磨损体积。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。