激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料化学技术领域，具体地，涉及一种激光反应熔覆Cr7C3 陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术：

早在上世纪80年代末，美国商业部就将表面工程技术列为影响21世纪人类生活的七大关键技术之一，与生命科学技术、信息技术、计算机科学技术、新材料技术、新能源技术和先进制造技术并列。近年来，我国也非常重视激光表面工程技术，此技术的出现拓宽了表面改性技术的领域，尤其是在制备抗磨损熔覆层方面表现出了极大潜力，成为了表面工程领域研究的热点。目前，激光表面改性技术主要用于机械、冶金、汽车、农机、石油、纺织机械行业中的部件及配件等。在现有的材料中，金属材料硬质合金虽然有高强度、韧性好等优点，但它不耐高温、耐腐蚀性较差；而陶瓷材料硬度高，耐磨性好，但它的韧性不够，容易开裂。

随着科学的不断发展，人们对于材料的要求和性能越来越高，传统单一的匀质材料已难以满足实际生产的需要。由于零部件的破坏往往从表面开始，表面的局部破坏又会导致零件的整体失效。

激光熔覆英文名为Laser cladding，也称激光涂覆，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化，且在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的熔覆层。作为激光表面改性技术之一的激光熔覆技术，适合于各类金属的表层改性和修复。激光熔覆技术能保持原涂层成分，仅在重熔区与基体的交界处存在很有限的相互扩散区，而此扩散区正是实现熔覆层与基体的冶金结合所必须的。同时，激光熔覆技术能把高性能的熔覆粉末涂覆于普通基体材料表面，从而获得优异特性的表面熔覆层，如耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击等优良性能的熔覆层。然而现有的零部件因其表面熔覆材料的单一，使得应用激光熔覆技术的修复零部件的过程中零部件表面经常会出现裂纹、涂层不均匀等问题。因此，开发耐热、耐蚀、耐磨、高硬度、力学性能好的新型复合材料是势在必行的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法。

本发明还提出一种根据上述所述激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得的激光反应Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1，选择金属材料作为基体，对所述基体表面进行打磨，清洗；

S2，在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层；

S3，按照Cr粉和C粉质量比为(35：4)～(11：10)称取Cr粉和C粉并进行混合形成熔覆粉末，通过粘结剂将所述熔覆粉末涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层；

S4，以激光束作为热源，对所述预置涂层进行激光熔覆处理以形成Cr7C3 陶瓷熔覆层，得到由所述基体、所述打底熔覆层及所述Cr7C3陶瓷熔覆层形成的所述Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料。

进一步地，所述步骤S3中，所述Cr粉和C粉的质量比为91:9。

优选地，所述步骤S4中，所述激光的扫描速度为1.0mm/s～2.0mm/s。

进一步地，所述激光的扫描速度为1.5mm/s。

优选地，所述激光束的激光功率为2500W，离焦量为20mm，矩形光斑尺寸为6mm×1.5mm。

优选地，所述打底熔覆层材料为Ni60自熔性合金。

优选地，所述粘结剂为虫胶。

优选地，所述基体材料为金属钢。

进一步地，所述步骤S3中具体包括：

S31，按照Cr粉和C粉质量比为(35：4)～(11：10)称取Cr粉和C 粉,将称量好的Cr粉和C粉混合并在球形研磨机中研磨均匀以形成熔覆粉末；

S32，向所述熔覆粉末中加入适量虫胶粘结剂，搅拌均匀形成膏状，涂覆在所述打底熔覆层表面上形成预涂粉层，预涂粉层厚度约为0.5mm～2mm；

S33，将预涂有所述预涂粉层的所述基体放入干燥箱中，在温度为100℃中烘120分钟形成预置涂层。

根据本发明第二方面实施例的一种激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料通过上述实施例所述的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得。

本发明的上述技术方案至少具有如下效果之一：

(1)熔覆层表面外观平滑、均匀连续且具有明亮的金属光泽。

(2)提高了基体材料的表面性能。

(3)熔覆层和基体都能呈现良好的冶金结合，提高了熔覆层与基体的结合强度。

(4)提高了熔覆层和基体的硬度，耐磨性。

附图说明

图1为本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料制备方法的流程图；

图2为本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的熔覆层在不同扫描速度条件下，宏观形貌图；

图3为本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料在不同扫描速度时熔覆层表面的XRD图谱；

图4为本发明实施例的Cr-C与Fe-C自由能与温度的关系曲线图；

图5为本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的熔覆层截面的显微硬度测试图；

图6为本发明实施例的基体和熔覆涂层的摩擦系数随磨损时间变化的曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。

如图1所示，根据本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，包括：

S1，选择金属材料作为基体，对所述基体表面进行打磨，清洗。

具体地，金属材料为可以为金属钢，如Q235钢，用砂纸对基体表面进行打磨，去除表面的氧化物和油污，并用丙酮清洗干净，使得金属材料与打底熔覆材料充分接触。

S2，在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层。

优选地，打底熔覆层材料为Ni60自熔性合金粉末，Ni60自熔性合金粉末具有良好韧性、耐蚀性、耐磨性和抗氧化性，且有助于改善打底熔覆层与基体之间的润湿性。

S3，按照Cr粉和C粉质量比为(35：4)～(11：10)称取Cr粉和C粉并进行混合形成熔覆粉末，通过粘结剂将所述熔覆粉末涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层。

也就是说，采用Cr粉和C粉作为熔覆材料，铬粉是银灰色固体颗粒粉末，质硬而脆，抗腐蚀性强，碳粉是一种非金属元素，为无臭无味的固体。如无定型的焦炭、木炭等，晶体碳金刚石和石墨等。

粘结剂的选择需要具备，能够将熔覆粉末材料较易涂覆于基体表面且容易涂刷平整，在激光作用时容易气化或分解，并易从熔池中排出，不阻碍陶瓷熔覆层的形成并影响其质量，且粘结剂不含水分。

具体地，将Cr粉和C粉按照质量比为(35：4)～(11：10)进行混合形成熔覆粉末，向所述熔覆粉末中加入适量虫胶粘结剂，搅拌均匀形成膏状，涂覆在所述基体的打底熔覆层表面上形成预涂粉层，预涂粉层厚度约为0.5mm～ 2mm。

S4，以激光束作为热源，对所述预置涂层进行激光熔覆处理以形成Cr7C3 陶瓷熔覆层，得到由所述基体、所述打底熔覆层及所述Cr7C3陶瓷熔覆层形成的所述Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料。

换句话说，在激光熔覆过程中，以激光束作为热源，对预涂有熔覆粉末的基体的表面进行激光熔覆处理，等熔池凝固后得到陶瓷熔覆层，该陶瓷熔覆层具有耐热、耐蚀、耐磨、高硬度等诸多优良性能。根据需要可采用单道熔覆和多道熔覆工艺。

下面具体描述根据本发明实施例的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料，通过通过上述实施例所述的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法制得。

本发明的实施例的复合材料通过将激光熔覆技术与原位合成技术相结合，使Cr粉和C粉进行化学反应原位生成Cr7C3陶瓷增强相，其在金属材料表面形成熔覆层，其中熔覆层包括打底熔覆层和陶瓷熔覆层，该熔覆层外观均匀连续且较为平整，且具有高硬度，耐磨的特点。

为使本领域的技术研究人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

本实施例选用的基体材料为Q235钢，熔覆粉末为Cr粉和C粉，根据化学反应方程式(1)

7Cr+3C→Cr₇C₃ (1)

将Cr粉和C粉按质量比91:9(Cr的原子量为52，C为12，即摩尔比为7:3) 进行配比混合，并在球形研磨机中研磨均匀，将球磨后的粉末混合均匀后，用虫胶溶液作为粘结剂将其预涂于基体表面，预置涂层厚度约为1mm。

本实施例采用激光设备为SLC—20×30D型数控激光多功能加工机，主要技术参数：加工区域为X轴3000mm、Y轴2000mm、Z轴600mm；数控系统CNC 型号为PMC-2000；整机耗电100kVA；主机尺寸6500mm×3500mm×3500mm。激光工艺参数如下：激光功率为2500W，离焦量为20mm，矩形光斑尺寸为6mm×1.5mm，扫描速度为1.0mm/s、1.5mm/s、2mm/s进行激光熔覆以得到三种熔覆层，经过下述实验，对三种不同条件下的熔覆层进行分析。

如图2为不同扫描速度条件下，熔覆层的宏观形貌。从图2的(a)扫描速度 1.0mm/s、(b)扫描速度1.5mm/s和(c)扫描速度2.0mm/s可见，在其它工艺参数一定的条件下，不同的扫描速度，所获得的熔覆层形貌不同。其中在激光扫描速度为1.5mm/s时，熔覆层表面最为平整和光滑，且具有明亮的金属光泽，熔覆层表面质量较好。当扫描速度为1.0mm/s和V＝2.0mm/s时，熔覆层表面略微粗糙。由此，Q235钢表面激光熔覆Cr7C3陶瓷颗粒增强铁基合金，通过扫描速度，能够获得外观平滑，且均匀连续的熔覆层。优选地，激光扫描速度为1.5mm/s时，熔覆层的宏观形貌最佳。

图3为不同扫描速度下Q235钢表面Cr7C3陶瓷颗粒增强铁基激光熔覆层的XRD图谱。由图3可见，熔覆层主要由Cr7C3和(Fe，Ni)相组成。当扫描速度为1.0mm/s时，熔覆层中呈现Cr7C3和(Fe，Ni)相的衍射峰，但衍射峰较弱。当扫描速度为1.5mm/s时，熔覆层中的Cr7C3和(Fe，Ni)相的衍射峰较强。随着扫描速度的增加，当扫描速度2.0mm/s时，熔覆层的XRD图谱衍射峰减弱，这是由于扫描速度较快，熔池寿命缩短，熔池中的元素间反应时间缩短，导致生成的Cr7C3陶瓷增强相减少。由此可知，在合适的扫描速度条件下，利用激光反应熔覆技术通过Cr粉和C粉的原位自生反应在Q235钢表面激光熔覆合成Cr7C3陶瓷熔覆层。

如图4为Cr-C与Fe-C自由能与温度的关系曲线图，如图4所示Cr7C3在熔池中是比较稳定和容易合成的相，而Fe3C很难生成或含量很少。

图5为熔覆层截面的显微硬度测试图，如图5所示，通过上述对Cr7C3陶瓷颗粒增强铁基激光熔覆层截面的显微硬度分析可知，熔覆层具有较高的硬度。

图6为基体和熔覆涂层的摩擦系数随磨损时间变化的曲线图，如图6所示， Cr7C3陶瓷颗粒增强铁基激光熔覆层表面的摩擦系数在整个磨损过程中较为稳定，熔覆层具有很高的耐磨性。

由此可知，本发明的激光反应熔覆Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料具有外观平滑、均匀连续且具有明亮的金属光泽的熔覆层表面，且熔覆层具有硬度高，耐磨的特性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。