一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末的制作方法

本发明属于材料科学与表面工程技术领域，特别涉及一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末。

技术背景

纤维增强复合材料因具备高强度、高模量、低密度、耐高温、导热率低及耐机械振动等特性，在航空、航天和耐磨耐腐蚀等领域具备广泛的应用前景。但是以树脂为基的纤维复合材料使用温度有很大的局限，环氧树脂一般不超过200℃，聚酰亚胺不超过350℃，即使在较低温度下，树脂基的弹性模量和强度也不高高，而且在大的负荷应力下容易开裂。

纤维增强金属基复合材料能很好地解决这个问题，可以得到更高温度下使用的高比强度和高比刚度材料。尤其是纤维增强金属基复合材料在其纤维方向具有较高的强度和模量，在构件受力状况确定的条件下更能发挥其定向优势。

常用的纤维增强金属基复合材料制备方法包括粉末冶金法、真空压力浸渗法、挤压铸造法等，粉末冶金法是预先将短纤维与金属粉末制成浆状并混合，经成型干燥热压烧结成型，该法较为复杂，不适宜制备大尺寸零件，成本很高；真空压力浸渗法，将增强相制成预制体，放入承压铸型内，加热、抽真空，通过真空产生的负压，使液态基体金属熔体浸渗到预制体中并凝固成形，该法设备复杂，工艺周期长，成本较高，适用于制备要求较高的小型零件；挤压铸造是将增强材料制成预制件，放入压型，用压机将液态金属压入凝固后得到成型件，其挤压铸造力大，一般在70-100MPa，所制成预制件必须有很高强度，同时需保证预制件的空隙度。对于采用激光熔覆技术制备纤维增强金属基复合材料技术国内外研究较少。激光熔覆技术是近几十年发展起来的先进绿色再制造技术，它能在低廉的基体表面制备高性能涂层，已达到基材表面改性或修复的目的。但是在激光熔覆制备纤维增强金属基复合材料过程中，纤维容易发生烧蚀或结合不良等现象，同时由于纤维材料很难在涂层分布均匀，造成复合材料拉伸性能、硬度及耐磨性不高等问题。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末。

本发明具体方法和步骤为：首先在直径为0.2～10μm的纤维表面镀上一层厚度为50～100μm的Ni层，形成芯-壳结构，既减少激光直接照射在纤维的能量，保证纤维自身性能，又可以增加纤维与熔覆粉末的润湿性；通过专用的纤维编织模板，将镀有Ni层的纤维编织成预先设计的网状结构(平行或交叉)，使编制好的纤维网嵌入基材表面预先加工好的凹槽中(V型槽或U型槽)，同时铺上合金粉末，厚度为1.5mm，粉末粒径为20～40μm；其中，合金粉末为Ni基合金、Fe基合金或Al基合金，Ni基合金粉末的化学成分为：C0.2wt％，Si2.2wt％，B1.0wt％，Li3.0wt％，Fe8.0wt％，Cr2.8wt％，余量为Ni；Fe基合金粉末的化学成分为：C0.02wt％，Si0.7wt％，Ni9.2wt％，Y2.2wt％，Mo2.1wt％，Cr17wt％，Mn0.2wt％，余量为Fe；Al基合金粉末的化学成分为：Zn6.2wt％，Mg2.25wt％，Cu2.3wt％，Zr0.1wt％，Si0.12wt％，Fe0.15wt％，Al₂O₃6.2wt％，余量为Al。这样构成的激光熔覆纤维增强金属基复合材料专用粉末，不仅可以保证纤维在涂层中均匀分布、纤维之间尺寸可控，而且可以最大程度保证纤维自身的完整性，提高涂层耐磨性、抗拉性及延长性等。

本发明特征在于：编织模板是表面均匀分布有群孔的304不锈钢板，尺寸为10×10×1cm³，针对镀Ni层纤维直径为50.2～110μm，将编织模板分为三组：第一组模板①群孔孔径为65.1μm，孔间距为80～300μm；第二组模板②群孔孔径为80.1μm，孔间距为100～300μm；第三组模板③群孔孔径为110.1μm，孔间距为150～300μm；每组模板由两个相同编织模板构成；当镀Ni层纤维直径为50.1～65μm时，选用模板①；当纤维直径为65.001～80μm时，选用模板②；当纤维直径为80.001～110μm时，选用模板③。

与现有的技术相比，本发明提供的一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末具有以下优点：

(1)良好的工艺相容性：本发明的专用粉末在制备过程中经过了化学镀镍处理，即在纤维外表面包裹了一层镍，形成了芯-壳结构，可以有效提高纤维在激光熔覆过程中的抗高温氧化性能，保证自身良好的性能，同时与涂层形成良好的冶金结合。

(2)纤维强化相的分布均匀性：通过一组编织模板预先将纤维强化相编织成均匀分布的网状结构，使本发明提供的专用粉末，经激光熔覆技术处理后，能得到纤维强化相均匀分布的复合涂层，而且纤维之间距离可根据实际情况进行调节。

(3)具有较好的耐磨、抗拉及延长性能：由于复合涂层中纤维性能得到很好地保护，熔覆层耐磨性是GCr15的3～8倍、抗拉强度900～1150MPa、延伸长20～25％。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明涉及一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末，它包括：一对编织模板1和1′、经过外表面镀Ni处理的碳纤维2和表面预先加工有1.45(深)mm×2.5(宽)mm V槽的基材3及Ni基粉末4。其中，Ni基合金粉末的化学成分为：C0.2wt％，Si2.2wt％，B1.0wt％，Li3.0wt％，Fe8.0wt％，Cr2.8wt％，余量为Ni。针对镀Ni层碳纤维2直径为60μm，选择第一组模板①作为编织模板1和1′，其尺寸为10×10×1cm³，孔径为65.1μm，孔间距为90μm。在编织纤维时可选择模板上相邻两孔，也可以根据纤维分布稠密情况选择不相邻两孔，从而实现纤维之间距离可控。

将镀Ni层碳纤维2，通过编织模板1和1′编织成平行状的V型结构，尺寸为1.45(深)mm×2.5(宽)mm，安置在基材3两侧，使碳纤维网2正好嵌入基材3表面的V槽中，同时在V槽中铺上一层Ni基合金粉末4，预置层厚度为1.5mm，粉末粒径为20～40μm，共同构成本发明所述的激光熔覆纤维增强金属基复合材料专用粉末。

实施例2

如图2所示，本发明涉及一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末，它包括：一对编织模板1和1′、经过外表面镀Ni处理的玻璃纤维2和表面预先加工有1.45(深)mm×3.5(宽)mm U槽的基材3′及Fe基粉末4。其中，Fe基合金粉末的化学成分为：C0.02wt％，Si0.7wt％，Ni9.2wt％，Y2.2wt％，Mo2.1wt％，Cr17wt％，Mn0.2wt％，余量为Fe。针对镀Ni层玻璃纤维2直径为70μm，选择第二组模板②作为编织模板1和1′，其尺寸为10×10×1cm³，孔径为80.1μm，孔间距为150μm。在编织纤维时可选择模板上相邻两孔，也可以根据纤维分布稠密情况选择不相邻两孔，从而实现纤维之间距离可控。

将镀Ni层玻璃纤维2，通过编织模板1和1′编织成平行状的U型结构，尺寸为1.45(深)mm×3.5(宽)mm，安置在基材3′两侧，使玻璃纤维网2正好嵌入基材3′表面的U槽中，同时在U槽中铺上一层Fe基合金粉末4，预置层厚度为1.5mm，粉末粒径为20～40μm，共同构成本发明所述的激光熔覆纤维增强金属基复合材料专用粉末。

实施例3

如图1所示，本发明涉及一种激光熔覆纤维增强金属基复合涂层的专用粉末，它包括：一对编织模板1和1′、经过外表面镀Ni处理的石英纤维2和表面预先加工有1.45(深)mm×2.8(宽)mm V槽的基材3及Al基粉末4。其中，Al基合金粉末的化学成分为：Zn6.2wt％，Mg2.25wt％，Cu2.3wt％，Zr0.1wt％，Si0.12wt％，Fe0.15wt％，Al₂O₃6.2wt％，余量为Al。针对镀Ni层石英纤维2直径为110μm，选择第三组模板③作为编织模板1和1′，其尺寸为10×10×1cm³，孔径为110.1μm，孔间距为300μm。在编织纤维时可选择模板上相邻两孔，也可以根据纤维分布稠密情况选择不相邻两孔，从而实现纤维之间距离可控。

将镀Ni层石英纤维2，通过编织模板1和1′编织成平行状的V型结构，尺寸为1.45(深)mm×2.8(宽)mm，安置在基材3两侧，使石英纤维网2正好嵌入基材3表面的V槽中，同时在V槽中铺上一层Al基合金粉末4，预置层厚度为1.5mm，粉末粒径为20～40μm，共同构成本发明所述的激光熔覆纤维增强金属基复合材料专用粉末。