一种Fe2B金属间化合物耐磨涂层的制备方法与流程

本发明涉及一种表面涂层及其制备方法，更具体地说，涉及一种fe2b金属间化合物耐磨涂层及其制备方法。

背景技术：

fe-b合金涂层的高耐磨性主要得益于显微组织中硼化物(fe2b+feb)的存在。与fe2b相相比，feb相具有更高的硬度，但比fe2b相更脆。因此，fe2b是fe-b合金中更为理想的增强相。fe2b是一种典型的金属间化合物，具有硬度高，热稳定性好，耐磨耐蚀性强且脆性相对较小等优点，它仅含有fe、b两种来源广泛且廉价的元素，但却具有与高铬碳化物cr7c3相当的硬度，显示出极高的性价比，是一种极具发展潜力的低成本、高性能的耐磨材料。

渗硼是一种运用最广泛的制备fe-b合金涂层的技术，一般是指将铁基工件置于含硼介质中在700℃～1000℃下加热几小时，使硼渗入到工件表层以形成单相fe2b层或另含feb相的(fe2b+feb)复合铁硼化合物层的表面热化学处理工艺。由于fe2b和feb具有不同的比容和线性膨胀系数，双相的渗硼层在较大的外力及热应力作用下易发生开裂、剥落。因此，在渗硼的工业应用中，总是希望得到单一的fe2b相渗硼层。而这通常需要通过降低渗硼介质的硼势以牺牲渗硼速度或经过工艺繁琐的渗硼后续热处理得到。另外，由于渗硼工艺本身的局限性，目前，渗硼在实际的生产中也遇到了许多难以避免的问题：(1)渗硼的高温损害基体性能，易造成晶粒长大和工件变形；(2)能耗大，废料多，不易处理，污染环境，工艺过程繁琐；(3)不太适合对大尺寸工件或对工件的局部进行有效的渗硼处理；(4)一般组织粗大，择优取向，无等轴晶；(6)渗硼后工件还需重新热处理。

除渗硼外，目前也有氩弧原位反应合成fe2b增强层，粉末预置式激光熔覆制备fe-b合金涂层等fe-b合金涂层的相关研究。由于这些技术都具有粉末预置的特点，使得它们均存在以下问题：(1)难以在结构高度复杂的零部件及其局部区域进行涂层制备，不易实现自动化生产；(2)难以保证涂层成分均匀；(3)易形成泪珠状表面特征；(4)对基体材料的热作用明显，稀释率大。

同步送粉式激光熔覆是通过激光辐照使基板表面熔化，形成金属熔池，粉末以保护气体流为载体进入粉末喷嘴，然后粉末颗粒离开喷嘴尖端形成粉末流。粉末流和激光束都聚焦在工件衬底的同一表面区域上，粉末经激光快速加热熔融并被熔池捕获，然后与基底材料混合。熔池表面存在表面张力梯度，这个表面张力梯度，作为熔池中对流的驱动力，促使合金元素搅拌均匀，获得成分均匀的熔覆层。当激光束和粉末流相对于基板水平扫描时，在基板表面上产生一层熔覆层，实现单层熔覆。当激光束和粉末流相对于基板竖直移动一定距离，再进行水平扫描，基底表面则又产生一层熔覆层，重复该步骤，从而实现多层熔覆。其特点如下：(1)加热迅速，且有强自淬火作用，其通常能制备组织均匀细密、且与基体具有良好冶金结合的涂层；(2)变形小，涂层表面平整；(3)可实现形状复杂零件的局部选区性表面处理；(4)通用性强，操作简单，效率高；(5)无污染，安全可靠；(6)可根据使用要求控制工艺调整涂层组织与性能，实现柔性加工；(7)对基体材料热作用小，稀释率小。然而，在多层熔覆过程中，如果不适当控制激光熔覆工艺，随着层数的增加，伴随着能量积累，以致每一层熔覆过程的物理化学反应存在差异，涂层组织难以控制，致使材料性能产生显著差别。

针对渗硼等工艺制备fe-b合金涂层的局限性及同步送粉激光熔覆的上述缺点，发明了一种fe2b金属间化合物耐磨涂层的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种fe2b金属间化合物耐磨涂层的制备方法。为达到上述目标，本发明采用下述技术方案：

采用同步送粉激光熔覆制备涂层，激光熔覆的具体工艺步骤如下：

(1)将基体待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；

(2)配制fe-b合金与fe的混合粉末，或fe2b与b混合粉末作为原材料；原材料的元素质量百分比为b：9％～15％，fe余量；

(3)采用同步送粉激光熔覆制备涂层，经初步优化得到的优化工艺参数为：激光功率50～250w，扫描速率2～14mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，保护气体流速6l/min；熔覆过程中通入氩气进行保护，并采用逐层递减激光功率的工艺以避免由于逐层熔覆导致的能量积累，从而控制涂层组织为fe2b与fe。

fe-b合金与fe混合粉末的质量百分比为：45％～75％fe-b合金粉末，其余为球状纯fe粉末。

fe2b与b混合粉末质量百分比为：92％～99％纯fe2b粉末，其余为纯b粉末。

fe-b合金与fe的混合粉末，或fe2b与b混合粉末，粉末粒度均为48～80μm。

当初始激光功率设置为120～180w，并且，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的90～95％，扫描速度设置为4～6mm/s时，制备得到的涂层组织为fe2b和fe。涂层提高了基体表面摩擦磨损性能并与基体具有良好的冶金结合。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种fe2b金属间化合物耐磨涂层制备方法具有这样的有益效果：避免了渗硼工艺中高温损害基体性能，易造成晶粒长大和工件变形；能耗大，废料多，不易处理，污染环境；工艺过程繁琐等缺点。避免了氩弧原位反应和粉末预置式激光熔覆等工艺难以在结构高度复杂的零部件及其局部区域进行涂层制备，不易实现自动化生产；难以保证涂层成分均匀；易形成泪珠状表面特征；对基体材料的热作用明显，稀释率大等缺点。此外，该方法还能有效避免在多层熔覆过程中显著的能量积累，保证了熔覆过程的稳定性，从而控制激光熔覆涂层组织为fe2b及fe。同时，熔覆材料仅含fe，b两种来源广泛且廉价的元素，具有技术和经济效益上的潜力。

附图说明

图1实施例1fe2b耐磨涂层xrd图谱图；

图2实施例1fe2b耐磨涂层微观组织图。

具体实施方式

实施例1

采用质量百分比为fe-b合金：45％，fe：55％的混合粉末作为涂层的原材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行3层熔覆涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为120w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的94％，扫描速率4mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1380hv0.05，稳定摩擦系数为0.303，磨损率为0.085μm³/nm。

实施例2

采用质量百分比为fe-b合金：60％，fe：40％的混合粉末作为涂层的原材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行4层熔覆涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为150w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的92％，激光扫描速率5mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1421hv0.05，稳定摩擦系数为0.291，磨损率为0.089μm³/nm。

实施例3

采用质量百分比为fe-b合金：75％，fe：25％的混合粉末作为涂层的原材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行5层熔覆涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为180w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的90％，激光扫描速率6mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1387hv0.05，稳定摩擦系数为0.313，磨损率为0.080μm³/nm。

实施例4

采用质量百分比为fe2b：99％，b：1％的混合粉末作为涂层的原材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行3层涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为120w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的95％，激光扫描速率4mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1400hv0.05，稳定摩擦系数为0.298，磨损率为0.090μm³/nm。

实施例5

采用各元素质量百分比为fe：95.5％，b:4.5％的fe2b/b混合粉末作为涂层的熔覆材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行4层熔覆涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为150w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的93％，激光扫描速率5mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1379hv0.05，稳定摩擦系数为0.287，磨损率为0.087μm³/nm。

实施例6

采用质量百分比为fe2b：92％，b：8％的混合粉末作为涂层的原材料，粉末粒度为48～80μm。采用同步送粉激光熔覆进行5层熔覆涂层制备：(1)将基板待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存；(2)采用光纤激光器进行熔覆，熔覆过程中采用氩气进行保护，熔覆的具体工艺参数：第1层熔覆激光功率设置为180w，从第2层开始，每一层激光功率设置为前一层的91％，激光扫描速率6mm/s，激光光斑直径0.1mm，偏移量0.16mm，离焦量5mm，保护气体流速6l/min。最终制得的涂层组织为fe2b和fe，涂层与基材具有良好的冶金结合。经显微维氏硬度测试与摩擦磨损测试，所得的平均硬度1412hv0.05，稳定摩擦系数为0.324，磨损率为0.096μm³/nm。