一种陶瓷强化金属基激光熔覆层及其制备工艺的制作方法

本发明属于金属材料表面强化与改性技术领域，特别涉及一种陶瓷强化金属基激光熔覆层及其制备工艺。

背景技术：

钛合金具有比强度高、比模量高、耐蚀性好等优点，在航空航天、国防工业、石油化工、海洋船泊、冶金、汽车制造等领域的应用受到重视。但是钛合金普遍存在硬度低、耐磨性差的缺点，在工业领域摩擦场合的应用受到限制。

激光熔覆作为一种表面改性技术，也被用于钛合金的表面强化与改性，成为提高钛合金硬度、耐磨性和抗高温氧化性等表面性能的有效途径之一。

激光熔覆是利用高能激光束使熔覆粉末材料和基体材料金属表面一薄层同时熔化，形成微小熔池，并随着激光束的扫描快速凝固，获得稀释度较低，与基材呈现冶金结合的表面涂层。通过设计不同的熔覆材料体系，采用适宜的工艺参数进行激光熔覆，可以制备出性能优异的熔覆层，改善基体的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性等表面性能。由于激光束能量密度较高，加热冷却速度较快，熔池存在时间短，易于获得微观组织细小、致密的熔覆层。

碳化硼(B₄C)的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，其超常的硬度，尤其是近似恒定的高温强度，使B₄C成为最理想的高温耐磨材料之一。在激光熔覆层中引入B₄C，可以极大提高基体表面硬度。但是，由于Ti与C、B元素的化学亲和力较强，在熔覆过程中，B₄C容易与进入熔池中的Ti发生反应，生成Ti-C、Ti-B化合物，使得高硬度的B₄C难以在熔覆层中保留下来。鉴于此，本发明采用镍包碳化硼(Ni@B₄C)进行激光熔覆，并取得了较好的效果，为了改善熔覆工艺性，同时添加镍基自熔性合金(Ni60A)。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明提供一种陶瓷强化金属基激光熔覆层。采用“金属+陶瓷”复合材料体系，利用激光熔覆技术在钛合金表面制备陶瓷强化金属基复合涂层，将金属材料的高塑韧性与陶瓷材料的高硬高强性结合起来，实现熔覆层的强韧性匹配，充分发挥熔覆层的潜能。本发明可通过灵活调整复合材料体系中各组分的配比，在合适的工艺下进行激光熔覆，获得性能优异的熔覆层。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷强化金属基激光熔覆层，在钛合金为基体上，以Ni60A镍基合金粉末和镍包B₄C(Ni@B₄C)为熔覆材料激光熔覆制备陶瓷强化金属基激光熔覆层。

优选的，所述熔覆材料中Ni60A镍基合金粉末和镍包B₄C(Ni@B₄C)的质量百分比为：Ni60A 50～95％、Ni@B₄C 5～50％。

更优选的，所述熔覆材料中Ni60A镍基合金粉末和镍包B₄C(Ni@B₄C)的质量百分比为：Ni60A 70～90％、Ni@B₄C 10～30％。

优选的，所述Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm。

优选的，所述Ni@B₄C粒径20μm～40μm。

优选的，所述Ni@B₄C成分为40～60wt.％Ni+40～60wt.％B₄C。

更优选的，所述Ni@B₄C成分为40wt.％Ni+60wt.％B₄C

优选的，本发明用的Ni60A镍基自熔性合金粉末的成分如表1所示。

表1 Ni60A镍基自熔性合金粉末的化学成分(wt.％)

本发明还提供了一种陶瓷强化金属基激光熔覆层的制备方法，包括：

1)将待处理的钛合金基材表面清理干净，去除表面氧化皮；

2)将熔覆材料混合均匀，预铺在基材表面，进行激光熔覆试验，即得。

优选的，所述激光熔覆试验条件为激光器功率为0.5～3.5kW，扫描速度为200～700mm/min，光斑直径为2.5～4.5mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为5～15L/min；

更优选的，激光熔覆试验条件为激光器功率为1.0～3.0kW，扫描速度为300～450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10～15L/min。

优选的，熔覆材料预铺厚度为0.8～1.2mm。

本发明还提供了镍包B₄C(Ni@B₄C)在制备钛合金激光熔覆层中的应用。

本发明的有益效果

(1)本发明使用Ni60A镍基自熔性合金粉末，由于自熔性合金粉末中含有一定量的B、Si等脱氧造渣元素，可以有效抑制熔覆过程中熔池的氧化，减少涂层中的裂纹、气孔等缺陷，改善涂层质量与性能。Ni60A镍基自熔性合金粉末在当前应用的镍基自熔性合金中，硬度较高，含镍量少，成本低。

(2)本发明采用“金属+陶瓷”复合材料体系，利用激光熔覆技术在钛合金表面制备陶瓷强化金属基复合涂层，将金属材料的高塑韧性与陶瓷材料的高硬高强性结合起来，实现熔覆层的强韧性匹配，充分发挥熔覆层的潜能。本发明可通过灵活调整复合材料体系中各组分的配比，在合适的工艺下进行激光熔覆，获得性能优异的熔覆层。

(3)在钛合金表面激光熔覆Ni60A镍基自熔性合金粉末及Ni@B₄C陶瓷相，可形成γ-Ni固溶体相，并且Ni60A镍基自熔性合金粉末中的Ni可与熔池中的Ti发生化学反应，生成Ti-Ni金属间化合物；同时，部分Ni@B₄C中的B、C可与Ti发生反应，生成TiB、TiB₂、TiC等硬质，部分未参与反应的B₄C也可作为熔覆层中的有效强化相，提高熔覆层的硬度与耐磨性能。此外，在磨损过程中，熔覆层中的B₄C可以氧化成氧化硼，因而起到优异的减摩效果。本发明采用的Ni@B₄C中，Ni的含量低(40～60wt.％)，材料成本低，对熔覆的技术要求更高，在本发明的制备工艺下，获得了较好的效果。

(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。

附图说明

图1激光熔覆层上部的微观组织形貌(Ni60A+10wt.％Ni@B₄C)；

图2实施例10、11的磨损失重图；

图3实施例10(a)和实施例11(b)熔覆层的XRD衍射图谱；

图4实施例10(a)和实施例11(b)熔覆层的磨痕形貌；

图5实施例5、12、13的磨损失重图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本发明涉及的熔覆层性能测试方法：

(1)显微硬度测试：采用DHV-1000型显微硬度计测试熔覆层的显微硬度，载荷200g，加载时间为10s，沿熔覆层的最大熔深方向由熔覆层表面至基材每隔0.1mm测定显微硬度值，以分析熔覆层各个部位的显微硬度分布特征。

(2)磨损试验：用HT-1000型磨损试验机来进行磨损试验，磨球选用Si₃N₄陶瓷磨球(Φ6mm)，转速448r/min，摩擦半径4～6mm，载荷为1.5kg，磨损试验时间为30min。以单位时间的磨损失重量(g/min)表征熔覆层的耐磨性能。

磨损试验完成后，用扫描电镜观察其磨损表面，研究其磨损机制。

下面结合具体实施例进一步说明：

实施例1：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+10wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为1kW，扫描速度为300mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1200HV_0.2，磨损失重率为3.33×10^-5g/min。钛合金基体硬度约为350～400HV_0.2，磨损失重率为4.27×10^-4g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与有了较大幅度的提高，耐磨性提高到钛合金基体的12.82倍。

对熔覆层的微观组织进行观察，结果表明，熔覆层组织致密无缺陷，且存在球形颗粒状组织(图1)，经分析，为熔覆层中保留的B₄C颗粒，这些B₄C对提高熔覆层的耐磨性能十分有利。一方面，高硬度的B₄C可作为熔覆层中的有效强化相，提高熔覆层的硬度与耐磨性能；另一方面，在摩擦过程中，B₄C可与氧反应生成氧化硼，也可起到一定的减摩作用。

实施例2：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+15wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为1kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

实施例3：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+20wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为1kW，扫描速度为600mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

实施例4：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+15wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为300mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1360HV_0.2，磨损失重率为2.5×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的17.08倍。

实施例5：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+20wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1400HV_0.2，磨损失重率为3.33×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的12.82倍。

实施例6：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+10wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为600mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1420HV_0.2，磨损失重率为3.0×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的14.23倍。

实施例7：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+20wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为300mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1550HV_0.2，磨损失重率为3.67×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的11.63倍。

实施例8：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+10wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1350HV_0.2，磨损失重率为5.0×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的14.23倍。

实施例9：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+15wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为600mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1400HV_0.2，磨损失重率为4.67×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的9.14倍。

实施例10：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+15wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1600HV_0.2，磨损失重率为2.0×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的21.35倍。

实施例11：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+15wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1350HV_0.2，磨损失重率为5.33×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的8.01倍。

对实施例10和实施例11中熔覆层的物相组成进行分析，如图3所示。结果表明，熔覆层中生成了γ-Ni、NiTi、TiB₂、TiC、Cr₂B、CrB、Ni₂B、Ni₃B、NiTi₂等物相。熔覆层中原位生成的多种物相形成复合强化效应，有利于熔覆层耐磨性能的提高。

对磨痕形貌进行观察，如图4所示。实施例10中(激光功率为2.0kW)，磨痕表面的犁沟较浅，仅出现少量附着的细小磨屑；实施例11中(激光功率为3.0kW)，磨痕表面出现了较大的块状剥落。由图4可知，实施例11中熔覆层的组织粗化是其磨损失重较大的原因之一。

实施例12：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+20wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为300mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1300HV_0.2，磨损失重率为4.33×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的9.86倍。

实施例13：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+20wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2kW，扫描速度为600mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1600HV_0.2，磨损失重率为3.0×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的14.23倍。

实施例14：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+30wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1650HV_0.2，磨损失重率为6.0×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的7.12倍。当Ni@B₄C的添加量过多时，熔覆层中出现了气孔，虽然熔覆层整体硬度较高，但是气孔的出现不利于大幅改善熔覆层的耐磨性。

实施例15：

将钛合金板材切成尺寸为20mm×10mm×10mm和25mm×25mm×10mm的块状样品，后者用于磨损试验，利用激光束将Ni60A+40wt.％Ni@B₄C混合粉末熔覆在其20mm×10mm和25mm×25mm面上。

具体工艺步骤如下：

1)用砂纸将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆材料混合均匀，利用自制夹具预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3kW，扫描速度为300mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

研究表明，该熔覆层的平均显微硬度约为1600HV_0.2，磨损失重率为5.1×10^-5g/min。与钛合金基体相比，熔覆层的硬度与耐磨性有了显著提高，耐磨性提高到钛合金基体的8.54倍。由于该实施例Ni@B₄C的添加量过多，熔覆层的表面质量变差，出现了较多气孔，涂层在磨损过程中剥落严重，耐磨性提高有限。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。