[发明专利]激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：将铁基合金粉末、钛和钒混合并干燥得到铁基复合粉末，将得到的铁基复合粉末采用激光辐照原位自生的方法激光熔覆于基材表面，其中，钛含量为铁基复合粉末的1‑3wt%，钒含量为铁基复合粉末的2‑5wt%；本发明还公开了一种通过上述方法得到的熔覆层，该方法具有成本更低，且可以显著提高铁基合金的表面硬度和耐磨损性能的优点，得到的熔覆层具有表面硬度和耐磨损性能更优的优点。

技术领域

本发明涉及激光熔覆的技术领域，更具体地说，它涉及一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法。

背景技术

激光表面改性是20世纪70年代发展起来的高新技术，它利用激光的高辐射强度、高方向性、高单色性特点作用于构件表面，使材料的表面性能得到提高。激光熔覆是激光表面改性的一种，其原理是通过配制的合金粉末的激光融化，使之成为熔覆层的主体合金，同时用高能激光束辐照金属表面，熔化一薄层基体金属，使金属基体表面薄层和熔覆合金一起快速熔化、反应、凝固形成具有特殊性能如高硬度、耐磨耐蚀等熔覆层。因激光熔覆对基体热变形小、熔覆层与基体为冶金结合、易实现自动化生产等特点而受到广泛关注，并已经在诸多工业领域获得应用。

铁基合金具有成本低廉，力学性能好，机加工和焊接性能好，耐腐蚀等一系列优点，用途广泛。铁基合金作为熔覆材料与钢铁材料表面结合强度高，因此常被用于表面防护和表面修复领域。但是铁基合金的硬度和耐磨性有待提高。为了适应社会不断发展对材料性能要求的逐渐提高，特别是在机械设备摩擦磨损工况条件下，向铁基合金中添加硬质微粒是提高硬度和耐磨性的重要方法，陶瓷颗粒因其高硬度、高熔点，良好的热稳定性等优点常被用作激光熔覆铁基合金熔覆层的增强相来强化涂层性能。增强相的添加方式主要有两种，分别是外加增强相法和原位自生法。

人工外加增强相法简单方便，便于调控增强相的含量，但是也存在不可避免的缺陷：首先，无法保证增强相颗粒在制备、包装、运输、添加的过程中不受污染，容易在涂层中引进杂质，导致增强相颗粒与基体的结合界面结合不佳，甚至容易引发界面裂纹的产生，达不到预期的强化效果；其次，难以控制增强相颗粒与涂层粉末充分均匀地混合，这主要由粉末粒度不同和粉末密度存在差异所致，由此将会产生增强相颗粒在涂层中分布不均的现象，强化效果大打折扣。而原位自生法是，通过合理配置强化层的化学成分，在强化层制备形成的过程中通过化学反应，原位自生出强化层中原本没有的增强相颗粒，相较于外加增强相法，原位自生法的增强相是从合金熔体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强相表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高，通过选择合适的成分和工艺，可以实现对增强相种类、大小、数量甚至分布情况进行调控；工艺简单且成本较低，易于推广应用等优势具有广阔的应用空间。

如授权公告号为CN108339976B的中国专利公开了一种激光熔覆原位自生碳化钒增强铁基合金用粉料及制备方法，通过真空雾化法制备的合金粉料各元素质量百分比为C4.00％～4.40％，V 16.00％～18.00％，Cr 8.00％～10.00％，Si 0.90％～1.30％，Mo1.00％～2.00％，Mn 0.90％～1.20％，Ni 0.40％～0.70％，Al 0.30％～0.50％，P和S的总质量分数≤0.03％，O≤300ppm，其余为Fe。采用CO₂激光加工系统同步送粉方式将合金粉末激光熔覆于低碳合金钢基材表面，熔覆层粉末吸收激光能量在基材表面形成熔池，熔池中的C元素和V元素发生反应生成原位自生V₈C₇陶瓷增强相，同时，熔覆层与基材形成良好的冶金结合。制备原位自生V₈C₇颗粒增强铁基合金激光熔覆层，可显著提高低合金钢构件表面的硬度及耐磨性，但是该种方法的陶瓷颗粒硬质相为VC，钒的成本较高，需要提供一种成本更低、同时还可以提高铁基合金的表面硬度和耐磨损性能的方法。

发明内容