[发明专利]一种激光熔覆金属/陶瓷复合涂层及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆金属陶瓷复合涂层，属于复合材料技术领域。

背景技术

激光熔覆是利用高能激光束加热材料表面，将预先涂覆在其上的或输送到表面的涂层材料与基体表面一薄层一起熔化形成微小熔池并迅速凝固，在金属基体表面形成具有优异性能的、与基体呈现冶金结合的熔覆层。由于熔化速度快，基体熔化层薄，所以稀释率较低，可以得到成分与涂层基本一致的熔覆层。激光熔覆的特点是：冷却速度极快，熔覆层的组织细小，合金元素固溶速度增加，甚至产生亚稳相和非晶等；熔覆层与基底具有冶金结合，且基底对涂层的稀释率低；可进行涂层成分设计，得到不同性能的涂层；局部表层快速加热对基底或工件的热影响小；熔覆层的厚度可控，并可以进行选区熔覆。熔覆材料的选择和熔覆操作的工艺参数是决定熔覆层性能的关键。

激光熔覆的主要目的是为了提高工件的耐磨、耐蚀及耐热性能，基体材料有各种碳钢、不锈钢、工具钢、铸铁、铝合金、铜合金、钛合金等。自熔性合金由于具有良好的脱氧、造渣功能，同时又与多数金属材料具有良好的润湿性，自开展激光熔覆技术研究以来，被广泛用作熔覆材料，如Ni基、Fe基、Co基自熔性合金。在此基础上，根据服役条件和更加严格的性能要求，在自熔合金中加入各种高熔点的碳化物(TiC、SiC、B₄C、WC)、氮化物(TiN、Si₃N₄)、硼化物(TiB₂)和氧化物(Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Cr₂O₃)陶瓷颗粒，形成金属陶瓷复合涂层，从而获得各种优异的表面性能，显示出激光熔覆技术更为广阔的应用前景。

采用自熔性合金+陶瓷相作为熔覆材料，熔覆层由面心立方的γ相(Fe、Ni、Co)、未熔陶瓷相颗粒和析出相(如M₇C₃、M₂₃C₆等)组成。涂层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。

目前，关于钢铁表面-Ni基激光熔覆的研究较少，尚未发现以Ni基自熔性合金+作为熔覆材料在钢铁表面进行激光熔覆的研究。

激光熔覆的工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸(光斑直径D)、光腔输出时的光束构型和聚焦方式、扫描速度V、多道搭接率及预制层厚度或送粉量。受激光器某些固定参量的局限，实际上激光熔覆层的质量主要是通过以下几方面来加以控制：

(1)激光功率P。功率太低时熔覆材料与基体不能充分熔化，不能实现与熔覆层的良好结合；功率太高时又会导致稀释率升高，不利于熔覆层的性能的提高。

(2)光斑尺寸D。大的光斑直径能延长熔池的存在时间，有利于成分的均匀化。过大的光斑直径使输入能量面密度降低，熔化深度变浅。

(3)扫描速度V。扫描速度过慢，会造成预置涂层材料烧损，表面粗糙度增大。扫描速度过快，激光能量不足，涂层材料未完全熔化，不能形成涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光熔覆金属/陶瓷复合涂层。

本发明的另一目的是提供该种激光熔覆金属/陶瓷复合涂层的制备工艺。

本发明采取的技术方案为：

一种激光熔覆金属/陶瓷复合涂层，它以钢为基体材料，以Ni35镍基合金粉末和大颗粒碳化铌NbC为熔覆材料，激光熔覆得到，熔覆材料的体积百分比（体积是由其粉末质量除以其密度的计算方式得到）组成为Ni35镍基合金粉末20～80%、大颗粒NbC80～20%。

所述的组成优选为Ni35镍基合金粉末30～70%、大颗粒NbC70～30%。

所述的大颗粒NbC粒度为74μm～178μm。Ni35镍基合金粉末粒径37μm～89μm。

上述激光熔覆金属/陶瓷复合涂层的制备工艺，包括步骤如下：

1)将熔覆材料混合均匀，用水玻璃稀释溶液将混合粉末调成糊状均匀涂覆于清理后的基体试样表面，控制其厚度为1.2～1.5mm，晾干；

2)用连续激光器对步骤1)晾干的试样涂覆层进行熔覆，连续激光器用的功率为2～5kW，扫描速度为5～20mm/s，光斑直径为4mm，并侧吹氩气保护。

上述步骤1)中水玻璃稀释溶液中水玻璃与水体积比=1:3，每克熔覆材料用水玻璃稀释溶液5-10滴。步骤2）所述的功率优选3kW，扫描速度为5mm/s。