一种基于共晶组织与原位自生TiB2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法

一种基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法
技术领域
1.本发明属于合金制备及材料表面处理技术领域，特别涉及一种基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法。


背景技术：

2.金属结构件的摩擦损耗会导致材料过早失效，大大降低了它们的使用寿命。通过制备涂层的方式可以获得高耐磨的材料，从而提高零件的使用寿命。目前，制备涂层主要有热喷涂、复合电镀、堆焊以及激光熔覆等。热喷涂技术操作简单，但涂层与基材之间为机械结合，界面结合强度相对较低，易剥落。复合镀的涂层与基材之间同样为机械结合，工艺比较复杂，并且容易污染环境。堆焊技术可获得与基体呈冶金结合的厚度较大的强化层，但大的热输入会使基材严重变形。相比以上技术，激光沉积技术不仅可以获得冶金结合的涂层，而且热输入相对较小，可以控制涂层的变形，是一种理想的制备涂层的方法。但是，由于激光沉积急冷急热的特点，会使涂层内残余应力较高，会引起涂层的开裂。因此，在激光沉积过程中，要选用合适的材料体系来避免涂层的开裂，提高涂层的质量。
3.涂层裂纹主要由涂层残余应力和抗拉强度之间的关系决定，当残余拉应力超过涂层的抗拉强度时，涂层中将会产生裂纹。因此控制涂层裂纹的根本途径是降低残余应力。涂层的残余应力主要取决于涂层的膨胀行为，涂层膨胀系数越小，残余应力越小，涂层就不易开裂，因此降低涂层的膨胀系数，是防止涂层开裂的最有效方法。因瓦合金(fe-36ni)是铁基高镍合金，它具有较低的热膨胀系数，是激光沉积无裂纹涂层的一种潜在的理想材料。但是，因瓦合金是一种单相结构，强度、硬度较低，不能满足关键零件的高耐磨要求。
4.目前，因瓦合金的强化技术主要涉及固溶强化、细晶强化、碳化物强化等，专利[公开号：cn112962033a]主要是通过对其化学成分的控制，通过固溶处理和时效热处理，从而提高了因瓦合金的强度；专利[公开号：cn113234989a]是通过大变形热轧以及之后的热处理从而获得晶粒细小的高强度因瓦合金板材；专利[公开号：cn112746217a]依靠碳化物强化、固溶强化以及形变强化，使合金的强韧性得到提高。但是，这些方法并未大幅提升因瓦合金的硬度，而这一性能直接影响摩擦性能。因此，有必要合理设计合金元素，进一步调控因瓦合金涂层的组织结构，获得高硬度高耐磨的因瓦合金熔覆层。


技术实现要素：

[0005]
针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法，通过控制合金成分、球磨及激光熔覆工艺参数来获得无裂纹、硬度高、耐磨性好的因瓦合金涂层。
[0006]
本发明的技术方案是：
[0007]
一种基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法，按以下步骤进行：
[0008]
(1)原料由fe粉、ni粉、ti粉和含20wt.％b的feb合金粉四种粉末组成，其中各粉末的质量百分比为：35％～53％fe，36％ni，10％～20％feb，1％～9％ti，其中ti粉的质量是feb合金粉质量的0.1～0.45倍，各组分的质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％；
[0009]
(2)对钢基材料表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0010]
(3)按照步骤(1)比例将fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉四种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨2～3小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度200～300转/min，之后在真空干燥箱中干燥2～3小时，干燥温度40～60℃；
[0011]
(4)利用同轴送粉装置将步骤(3)得到的合金粉末吹向钢基材料表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率800～1000w，扫描速度200～350mm/min，送粉速率10～13g/min，离焦量5～10mm，搭接率50％。
[0012]
所述的基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法，激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织为奥氏体以及奥氏体与nib相组成的共晶组织，同时含有大量尺寸0.1～0.5μm的tib2颗粒。
[0013]
所述的基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法，按体积百分比计，奥氏体组织为50％～80％，奥氏体与nib相组成的共晶组织为19％～44％，tib2颗粒为1％～6％。
[0014]
所述的基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的制备方法，激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层硬度为280～490hv
0.2
。
[0015]
本发明的设计思想是：
[0016]
首先，在激光熔覆因瓦合金粉末中加入适量b元素，使b与、ni、fe发生三元共晶反应，生成nib与奥氏体共晶组织，从而细化晶粒，同时抑制热裂纹的产生；其次，在合金粉末中加入一定的ti元素，使ti与b发生原位自生反应，生成tib2增强颗粒。在此过程中，通过控制ti与b元素的比例，使得tib2增强颗粒和nib与奥氏体共晶组织共存，从而实现共晶组织与原位自生tib2的协同强化作用，制备出激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层。
[0017]
本发明的特点和有益效果是：
[0018]
(1)本发明中的高耐磨因瓦合金涂层采用激光熔覆技术制备，熔覆层和基体形成冶金结合，稀释率较低，熔覆层与基体的结合强度搞，生产效率高。
[0019]
(2)本发明制备的高耐磨因瓦合金涂层基体组织为奥氏体与nib相组成的共晶组织，可以抑制激光熔覆时热裂纹的生成，同时因瓦合金的低膨胀系数可以抑制激光熔覆后冷裂纹的生成。
[0020]
(3)本发明制备的高耐磨因瓦合金涂层具有共晶强化和原位自生强化两种强化方式，涂层硬度较基板得到大幅提高。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例1制备的激光熔覆因瓦合金涂层的形貌。
[0022]
图2为本发明实施例1制备的激光熔覆因瓦合金涂层的xrd相分析。图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标intensity代表相对强度。
[0023]
图3为本发明实施例1制备的激光熔覆因瓦合金涂层的组织。
[0024]
图4为本发明对比例1制备的激光熔覆因瓦合金涂层的形貌。
[0025]
图5为本发明对比例1制备的激光熔覆因瓦合金涂层的组织。
具体实施方式
[0026]
在具体实施过程中，本发明高耐磨因瓦合金粉末各组分及其质量百分比为35％～53％fe，36％ni，10％～20％feb，1％～9％ti，其中控制ti的质量是feb质量的0.1～0.45倍，总和为100％。通过球磨混粉以及激光熔覆后，制备出具有冶金结合的涂层。本发明通过控制成分及激光熔覆参数，将因瓦合金涂层基体组织调控为奥氏体以及奥氏体与nib相组成的共晶组织，同时生成大量tib2颗粒，利用共晶强化和原位自生强化的协同作用，大幅提高激光熔覆因瓦合金涂层的硬度，方法简单有效。
[0027]
本发明实施例中，熔覆层组织利用硝酸酒精腐蚀，并采用axiovert.a1金相显微镜和hitachi su-8020扫描电镜进行组织观测，物相分析采用max-2000型x射线衍射仪。硬度检测采用hv-1000is型维氏硬度仪，力为200n，随机测量20个点，取平均值。
[0028]
下面，通过实施例和对比例对本发明进一步详细阐述。
[0029]
实施例1
[0030]
本实施例基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层，原料因瓦合金粉末由fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉(含20wt.％b)四种粉末组成，其中各粉末的质量百分比为：42.5％fe，36％ni，15％feb，6.5％ti，ti粉的质量是feb合金粉质量的0.43倍，各组分的质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％。
[0031]
将所述原料因瓦合金粉末用于45#钢表面处理的方法，包括以下步骤：
[0032]
(1)对45#钢基材表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0033]
(2)按所述配方将fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉四种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨2小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度200转/min，之后在真空干燥箱中干燥2小时，干燥温度50℃；
[0034]
(3)利用同轴送粉装置将步骤(2)得到的合金粉末吹向45#钢基材表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率800w，扫描速度200mm/min，送粉速率10g/min，离焦量5mm，搭接率50％。
[0035]
本实施例获得的激光熔覆因瓦合金涂层形貌如图1所示，可以看出其宏观形貌良好，无宏观裂纹。激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织如图2所示，物相分析结果如图3所示，结果表明激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织致密，无明显内裂纹。组织主要为奥氏体以及奥氏体与nib相的共晶组织，同时含有大量tib2颗粒，尺寸主要在0.1～0.5μm。按体积百分比计，奥氏体组织约为56％，奥氏体与nib相组成的共晶组织约为40％，tib2颗粒约为4％。
[0036]
该激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层平均维氏硬度约为344hv
0.2
，比45#钢基材表面硬度(约188hv
0.2
)得到了明显提高。
[0037]
实施例2
[0038]
本实施例基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层，原料因瓦合金粉末由fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉(含20wt.％b)四种粉末组成，其中各粉末的质量百分比为：53％fe，36％ni，10％feb，1％ti，ti粉的质量是feb合金粉质量的0.10倍，各组分的质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％。
[0039]
将所述原料因瓦合金粉末用于45#钢表面处理的方法，包括以下步骤：
[0040]
(1)对45#钢基材表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0041]
(2)按所述配方将fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉四种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨2小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度300转/min，之后在真空干燥箱中干燥2小时，干燥温度50℃；
[0042]
(3)利用同轴送粉装置将步骤(2)得到的合金粉末吹向45#钢基材表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率900w，扫描速度350mm/min，送粉速率13g/min，离焦量10mm，搭接率50％。
[0043]
本实施例获得的激光熔覆因瓦合金涂层宏观形貌良好，无宏观裂纹。激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织为奥氏体以及奥氏体与nib相的共晶组织，同时含有大量tib2颗粒，尺寸主要在0.1～0.5μm。按体积百分比计，奥氏体组织约为79％，奥氏体与nib相组成的共晶组织约为20％，tib2颗粒约为1％。
[0044]
该激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层平均维氏硬度约为285hv
0.2
，比45#钢基材表面硬度(约188hv
0.2
)提高了约97hv
0.2
。
[0045]
实施例3
[0046]
本实施例基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层，原料因瓦合金粉末由fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉(含20wt.％b)四种粉末组成，其中各粉末的质量百分比为：35％fe，36％ni，20％feb，9％ti，ti粉的质量是feb合金粉质量的0.45倍，各组分的质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％。
[0047]
将所述原料因瓦合金粉末用于45#钢表面处理的方法，包括以下步骤：
[0048]
(1)对45#钢基材表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0049]
(2)按所述配方将fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉四种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨3小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度200转/min，之后在真空干燥箱中干燥3小时，干燥温度50℃；
[0050]
(3)利用同轴送粉装置将步骤(2)得到的合金粉末吹向45#钢基材表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率1000w，扫描速度300mm/min，送粉速率10g/min，离焦量10mm，搭接率50％。
[0051]
本实施例获得的激光熔覆因瓦合金涂层宏观形貌良好，无宏观裂纹。激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织为奥氏体以及奥氏体与nib相的共晶组织，同时含有大量tib2颗粒，尺寸主要在0.1～0.5μm。按体积百分比计，奥氏体组织约为50％，奥氏体与nib相组成的共晶组织约为44％，tib2颗粒约为6％。
[0052]
该激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层平均维氏硬度约为492hv
0.2
，比45#钢基材表面硬度(约188hv
0.2
)提高了约304hv
0.2
。
[0053]
实施例4
[0054]
本实施例基于共晶组织与原位自生tib2协同强化的激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层，原料因瓦合金粉末由fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉(含20wt.％b)四种粉末组成，其中各粉末的质量百分比为：45.5％fe，36％ni，15％feb，3.5％ti，ti粉的质量是feb合金粉质量的0.23倍，各组分的质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％。
[0055]
将所述原料因瓦合金粉末用于45#钢表面处理的方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)对45#钢基材表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0057]
(2)按所述配方将fe粉、ni粉、ti粉和feb合金粉四种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨2小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度300转/min，之后在真空干燥箱中干燥3小时，干燥温度50℃；
[0058]
(3)利用同轴送粉装置将步骤(2)得到的合金粉末吹向45#钢基材表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率900w，扫描速度250mm/min，送粉速率11g/min，离焦量5mm，搭接率50％。
[0059]
本实施例获得的激光熔覆因瓦合金涂层宏观形貌良好，无宏观裂纹。激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层组织为奥氏体以及奥氏体与nib相的共晶组织，同时含有大量tib2颗粒，尺寸主要在0.1～0.5μm。按体积百分比计，奥氏体组织约为58％，奥氏体与nib相组成的共晶组织约为39％，tib2颗粒约为3％。
[0060]
该激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层平均维氏硬度约为310hv
0.2
，比45#钢基材表面硬度(约188hv
0.2
)提高了约122hv
0.2
。
[0061]
对比例1
[0062]
本对比例选用原料粉末仅由fe粉、ni粉组成，各粉末的质量分数：64％fe，36％ni，质量总和为100％，纯度均≥99.9wt％。
[0063]
将所述原料粉末用于45#钢表面处理的方法，包括以下步骤：
[0064]
(1)对45#钢基材表面进行喷砂处理，清洗、干燥后备用；
[0065]
(2)按所述配方将fe粉、ni粉两种粉末混合，粉末粒径大小为140～300目，在行星式球磨机中球磨2小时，球磨时球料质量比2：1，球磨速度300转/min，之后在真空干燥箱中干燥3小时，干燥温度50℃；
[0066]
(3)利用同轴送粉装置将步骤(2)得到的合金粉末吹向45#钢基材表面进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率800w，扫描速度250mm/min，送粉速率11g/min，离焦量5mm，搭接率50％。
[0067]
本对比例获得的激光熔覆因瓦合金涂层形貌如附图4所示，可以看出激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层非常不平整。图5为该激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的组织，可以看出此时激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的组织为单一奥氏体，激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层平均维氏硬度仅为150hv
0.2
。
[0068]
从实施例和对比例结果可以看出，与对比例中采用的单一fe、ni元素组成的因瓦合金涂层相比，本发明所提出的通过添加b和ti元素，使得涂层组织显著变化，形成了由奥氏体与nib相组成的共晶组织，同时利用ti与b元素的反应，原位生成tib2颗粒，一方面有效地改善了激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的形貌，抑制了裂纹的生成，另一方面也大幅提高激光熔覆高耐磨因瓦合金涂层的硬度，提供了一种激光熔覆高耐磨涂层的解决方法。