激光熔覆碳化钨陶瓷颗粒增强金属基涂层及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光熔覆制备合金涂层的技术领域，尤其是一种通过激光熔覆原位自 生的方法制备碳化钨颗粒增强相的熔覆涂层及其加工方法。
【背景技术】
[0002] 碳化钨（WC)为黑色六方晶体，碳位于钨晶格的间隙当中，形成间隙固溶体，具有 耐磨、耐热、耐蚀以及与基体材料的润湿性好等一系列优点。自从19世纪末法国人莫桑 (Moissan)发现碳化钨（WC)以来，碳化钨（WC)作为材料的增强相在采矿、工模具、公路返新 刀具等耐磨材料领域得到了广泛的应用。
[0003] 近年来，在表面改性和受损零件的修复与再制造领域，碳化钨（WC)陶瓷颗粒增强 金属基耐磨涂层得到了迅速发展。碳化钨（WC)陶瓷颗粒可通过激光熔覆技术在廉价的金 属工件表面熔覆一层陶瓷材料形成碳化钨（WC)陶瓷颗粒增强相，来提高基体材料的耐磨、 耐热和耐蚀性能。激光熔覆技术是以高能量密度的激光作为焊接热源，在基体材料表面预 置合适的涂层材料后，利用高能量密度的激光照射使涂层和基体材料表面同时熔化，随后 急剧冷却凝固，获得熔覆层的技术。
[0004] 碳化钨（WC)陶瓷具有优越的高温性能和磨损性能，是硬质合金和热喷涂材料中 的主要增强相。作为增强相，由于碳化钨（WC)难于原位生成，故现有技术中的激光熔覆工 艺制备金属基碳化钨（WC)陶瓷颗粒耐磨涂层的方法通常是外加法，即将陶瓷颗粒直接加 入熔池中，或者将陶瓷颗粒与金属粉末预先充分混合后进行激光熔覆。这类方法不仅成本 较高、工艺较复杂，而且由于外加陶瓷相与基体相的物性参数差异较大，使得陶瓷颗粒与基 体之间的相容性较差，结合不良。此外，碳化钨（WC)颗粒在焊接热源的作用下还会发生溶 解，不仅降低了涂层中碳化钨（WC)颗粒的体积分数，而且碳化钨（WC)颗粒溶解形成的钨 ⑵、碳（C)原子会使涂层形成莱氏体、Fe 3W3C等脆性相。这些问题严重制约着碳化钨（WC) 颗粒增强金属基耐磨涂层的发展。
[0005] 原位自生技术是指在材料的复合过程中通过一定的物理化学反应生成预期的增 强相，也就是说增强相不是外加的，而是在材料复合过程中形成的。相比于外加增强体制备 技术，原位自生获得的增强体热力学性能稳定、与基体之间为冶金结合、工艺简单、成本低。 故本发明基于上述激光熔覆技术和原位自生技术的结合来制造碳化钨（WC)陶瓷颗粒耐磨 涂层。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种激光熔覆碳化钨陶瓷颗粒增强金属 基涂层，该增强相与基体之间为原子结合界面结构，其呈弥散分布，界面平直、没有析出相， 其与基体间润湿性良好，解决了现有技术中增强相与基体之间结合不良的问题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光熔覆碳化钨陶瓷颗粒增 强金属基涂层，其特征在于：包括合金粉末，合金粉末包括摩尔之比为2 : 1的钨粉、石墨。
[0008] 作为本发明的进一步设置，所述合金粉末还包括还原铁粉、铬粉、镍粉、硼粉、硅粉 和铜粉。
[0009] 作为本发明的进一步设置，所述合金粉末的成分及百分质量比分别为：钨粉55~ 60%、石墨7~9%、还原铁粉23~30%、铬粉0~3%、镍粉2~6%、硼粉0? 3~1%、硅 粉0? 4~1 % 〇
[0010] 作为本发明的进一步设置，所述合金粉末还包括稀土氧化物粉末，该稀土氧化物 粉末包括氧化铺。
[0011] 作为本发明的进一步设置，所述合金粉末的成分及百分质量比分别为：钨粉55~ 60%、石墨7~9%、还原铁粉23~30%、铬粉0~3%、镍粉2~6%、硼粉0? 3~1%、硅 粉0.4~1%、铜粉0.5%、氧化铈0.5%。
[0012] 本发明的另一个目的，是提供了一种用于权利要求1或2所述的激光熔覆碳化钨 陶瓷颗粒增强金属基涂层的加工方法，其特征在于：①基体材料采用角向磨光机去除试板 表层的铁锈和油污，并用砂纸打磨光亮，然后分别用丙酮和酒精清洗试板，再用电吹风烘 干，得到洁净表面的基体试板，②按比例称取钨粉、石墨、还原铁粉、铬粉、镍粉、硼粉、硅粉 和铜粉，继而用球磨机充分混合，③向混合后得到的粉末中加入钠水玻璃粘结剂，充分搅 拌调成糊状后涂覆在准备好的基体试板上，预置涂层厚度为〇.7mm，放入箱式电阻炉内于 180°C烘干两小时以待熔覆，④将带有预置涂层的基体试板从箱式电阻炉内取出，使用激光 器对预置涂层进行激光熔覆试验，熔覆过程中激光功率分别为800~2000W，激光扫描速度 分别为1~5mm/s，离焦量为150mm，光斑尺寸为3mm〇
[0013] 采用上述方案，本发明中涂层的粉末配比是影响激光熔覆原位制备碳化钨（WC) 陶瓷增强相的一个重要因素，由于石墨在预置涂覆时存在损失，激光熔覆过程中也极易被 烧损，加之基体对合金熔体具有稀释作用，因此涂层的粉末配比n(C) : n(W)不能过小，本 发明将石墨与钨粉按化学计量摩尔比为1 : 2称取。此外，合金粉末中还添加了一定量的 B、Si、Cr、Ni合金元素；其中，①B的适量加入可以细化组织，降低晶粒长大倾向，提升强度 和初性；②适量的Si可以提尚恪覆金属的流动性，有助于提尚焊接性能；B和Si可以作为 熔池脱氧剂，除去熔池中氧元素，提高金属流动性增加润湿性。能够起到固溶强化和弥散强 化作用，提高熔敷层的硬度和耐磨性。③Ni是面心立方晶体，不仅能提升强度，还能增强塑 韧性；Ni是形成亚稳定奥氏体合金的元素，能够拓宽Fe的Y相区，无限固溶于奥氏体中。 Ni和Fe在钢基体中以互溶的形式存在，Ni在合金反应中不与C形成碳化物，所以有促进石 墨化的功效。Ni元素在合金中熔点较低，能够很好的改善基体和熔敷层之间的润湿性，并且 能降低合金的热膨胀系数，减少复合材料中裂纹出现，提高熔敷层的韧性。④Cr是较强的 碳化物形成元素，由于铬碳化合物细小且均匀分布，所以基体具有良好的综合力学性能。当 一定量的Cr、Ni相结合时，可以大大提高基体的强度和塑性。Cr是含钢复合材料中极为重 要的一种元素，几乎所有种类的硬质合金都含有一定量的Cr。Cr能与Fe形成连续固溶体， 同时可以形成金属间化合物。当反应体系中有C元素的时候，Cr可以和C发生反应生成多 种类型的碳化物。Cr含量过高会增加孔隙度，也有可能形成铬铁矿型的夹杂，复合材料中孔 隙度和矿氧化物等夹杂会降低合金性能。惰性的Cu在W和C反应中能够较好的促进WC的 形成，而且采用初步的高能机械处理在比较低温度（940°C )就能够得到WC。⑤Ce02可以 作为结晶形核核心在凝固过程中增加熔池中反应的形核率，稀土元素常吸附在晶界上阻止 晶粒长大，从而使得晶粒细化。稀土元素容易与硫、氧等元素作用，并且又是内吸附元素，起 到强化净化晶界的作用。此外稀土相能够有效改善显微组织和硬质相的颗粒形状，促进硬 质相在熔敷层分布均匀分布。复合添加多种合金元素的熔敷层可显著降低组织对于冷却速 度的敏感性，此外Ni、Cr、B、Si等合金元素溶解于钢基体，改变了钢基体的原始成分，降低 了熔池液相线的温度。再者，在预置涂层厚度、涂层粉末配比以及激光扫描速度一定的情况 下，激光功率较大时涂层的表面比较平整。这是因为激光功率很大时，基体的稀释率较大， 合金熔体的流动性好，熔覆层表面平整、成形较好。由此可见，随着激光功率的增加，熔覆层 表面变得平整。然而，激光功率较小，则会热输入不足，使得液相停留的时间很短，导致生成 的碳化钨（WC)数量较少；激光功率特别大时，熔深、熔宽增加，并且熔池温度很高，界面扩 散强烈，稀释率较大，碳化钨（WC)形成元素的浓度降低，碳化钨（WC)形核与长大困难，因而 原位生成的碳化钨（WC)数量较少；因此，激光功率过大过小均不利于原位合成碳化钨（WC) 陶瓷增强相，激光功率为1400W时为优选功率。激光扫描速度的变化意味着激光与熔覆层 作用时间的变化，导致单位面积的热输入量不一样。因此，扫描速度对熔覆后涂层的宏观形 貌和熔覆层的显微组织具有重要影响，扫描速度较小时，熔深很大，稀释率很大，预置涂层 成分受基体成分的严重污染，碳化钨（WC)形成元素的浓度大大降低，因此涂层中生成的碳 化钨（WC)数量较少。此外，扫描速度过小时，液态熔池停留时间较长，某些元素高温下发生 氧化而产生的气体能够充分浮出熔池，因而气孔非常少；扫描速度过大时，液态熔池停留时 间较短，气体在熔融状态时来不及逸出，留在熔覆层中便成为气孔。此外，扫描速度过大时， 熔深非常小，导致基体表面未发生熔化，因而熔覆层与基体之间结合不良。本发明通过激光 熔覆原位合成技术成功制备了碳化钨颗粒增强相来增强铁基复合材料，涂层与基体之间有 一过渡层，表明它们之间为原子结合，结合强度较高。
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步描述。