一种工件涂层用金属粉末的制备方法及应用与流程

本发明涉及粉末冶金和增材制造，具体涉及一种工件涂层用金属粉末的制备方法及应用。

背景技术：

1、摩擦磨损是机械设备及其零部件最普遍的失效形式，特别是在冶金矿产、石油化工和航空航天行业。因此，硬质耐磨涂层应用成为提升机械设备及其零部件的服役寿命的有效方法，例如轴类零部件。在机械设备工作中，硬质耐磨涂层会优先被损耗进而保护零部件免于失效，从而提升机械设备的平均无故障工作时间达到提升其可靠性。

2、激光熔覆技术能够应用于金属零部件表面改性，通过激光瞬时高温熔融金属粉末，然后再快速冷却使得金属零部件表面产生硬质耐磨涂层；其原理是将金属粉末熔覆在金属基材或工件上形成熔覆层，熔覆层与工件或金属基材的结合模式为高强度冶金结合；金属粉末的化学成分和相组成是影响硬质耐磨涂层性能的重要因素之一。

3、其中，金属粉末的相组成是在金属粉末制备过程中形成的，现有技术中常见的金属粉末制备方式通过冷却介质快速凝固分散液滴的方式获得，因而金属粉末组织是快速冷却组织而非平衡态组织，一些合金相也无法在基体中析出，造成金属粉末硬度低。激光熔覆技术也有相似的工艺特性，即在短时间熔化金属粉末并熔覆于工件或基材上，因此一些合金相也无法在基体中析出，硬质耐磨涂层硬度低。专利cn115673314a公开了一种利用金属粉末与外源碳化物混合熔覆使涂层硬度增加的方法，使用激光熔覆技术，使得金属粉末与外源碳化物结合形成mc型碳化物，但是合金相在基体中析出量小，进而导致硬质耐磨涂层硬度低。

4、现有技术中，是通过改变金属粉末中的组成以及各组成的比例来提高硬质耐磨涂层的硬度，专利cn113265656a公开了一种使用稀土氧化物ceo2和t15高速钢粉末，采用激光熔覆技术获得高硬涂层的方法，加入稀土氧化物ceo2作为外源碳化物，会增加熔覆层裂纹敏感性，通过控制相组成及其含量进而达到提升硬质耐磨涂层性能的目的；但是获得的高硬熔覆涂层相较于熔覆前的金属粉末硬度并未有明显的提升。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，通过合理的热处理，使得金属粉末在增材制造的过程中析出碳化物，增加熔覆层的硬度，大幅提高工件表面耐磨涂层的使用寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种工件涂层用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：

3、将含有碳化物形成元素的金属粉末置于隔绝环境下的耐高温罐体当中，将所述含有碳化物形成元素的金属粉末在500～950℃下进行热处理，热处理时间为12～108h；取出后冷却至室温得到相变金属粉末。

4、本发明是通过将含有碳化物形成元素的金属粉末进行热处理，使得金属粉末制备过程中的冷却介质作用下，金属粉末中的碳化物无法短时间完全析出，形成一种待激发状态的金属粉末，能够有效的再合适热处理温度与时间下析出，增加熔覆层的硬度。

5、本步骤中，根据增材制造工艺所需的金属粉末粒径进行筛分，将指定粒径金属粉末装入包套，可采用氩气气氛保护包套也可采用真空包套，包套材质可以是不锈钢、钛合金、刚玉等。

6、热处理保温温度和时间与合金成分相关，其中保温时间的确定也与粉末粒径相关，在关于保温温度的实践中，超过950℃热处理温度时金属粉末会出现显著的烧结现象，既金属粉末失去流动性不再适用于增材制造粉末原材料，而低于500℃热处理温度组织相变缓慢不具有实际操作意义且不利于节能环保。

7、在关于保温时间的实践中，保温时间超过108小时后，金属粉末硬度变化不再显著，既粉末相变过程进入相对变化较少的阶段，继续增加保温时间不具有实际操作意义且不利于节能环保，保温时间少于4小时，金属粉末组织相变缓慢不具有实际操作意义。

8、进一步的，所述含有碳化物形成元素的金属粉末进行热处理时的升温速率不高于10℃/min。

9、进一步的，所述隔绝环境为保护气氛或真空环境。

10、为防止保温阶段包套在高温下密封性损失导致金属粉末高温氧化，热处理炉或感应加热设备优选选用氩气气氛保护。

11、进一步的，所述碳化物形成元素的化学通式为mc、m2c、m6c、m7c3或m23c6。

12、进一步的，所述化学通式中m为v、w、cr、mo、ti、nb、hf中的一种或多种。

13、本发明的另一目的在于，使用相变金属粉末用于工件涂层的方法，包括如下步骤：

14、s1、对待熔覆件进行表面处理，并置于250～350℃温度区间预热；

15、s2、将所述相变金属粉末通过激光熔覆在所述表面处理过的待熔覆件上，所述激光熔覆的工艺参数为：1500～3000w，激光半径为0.5～1.5mm，扫描速度为5～50mm/s，搭接率为20～80%，送粉速率为2～50r/min，氩气流量为3～15l/min；

16、s3、将所述熔覆件在520～560 ℃温度区间回火1～3次，得到增材制造工件。

17、进一步的，所述熔覆层的相含量出现变化，所述相含量变化表现为碳化物析出增多。

18、进一步的，所述熔覆层的硬度为55~65hrc。

19、进一步的，进行激光熔覆的所述相变金属粉末的流动性为20～45s/50g。

20、在于使用上述方法制备的金属粉末能够应用于增材制造。

21、相变后的的金属粉末需要满足一定的性能，对相变后的金属粉末进行流动性测试、x射线衍射测试、扫描电镜显微观察和金属粉末硬度测试，通过测试结果判断金属粉末是否达到增材制造组织及性能要求。

22、对熔覆件横截面进行取样，经过金相制样后，进行光学显微镜和扫描电镜组织分析，并进行维氏显微硬度测试。

23、综上所述，本申请与现有技术相比至少具有以下一种有益技术效果：

24、1、本发明在采用上述技术方案后，通过对金属粉末内添加碳化物形成元素，然后对金属颗粒进行相变，严格控制相变温度以及时间，使得金属颗粒混合物中的碳化物形成元素在特定温度下得碳化物无法析出，制得的相变金属粉末在增材制造领域进行使用时，能够在特定温度下析出粒状的碳化物相，其显微组织增强了金属颗粒得硬度，进而保证了熔覆涂层的硬度有明显提升，相对于现有的技术不进行热处理仅改变组成成分的手段而言，已经无法再获得显著的提升，本申请能够明显增加熔覆层硬度，增加工件使用寿命。

25、2、本发明在采用上述技术方案后，严格的控制了相变温度与时间，保证金属颗粒不会由于高温融化粘连，影响金属粉末得流动性，保证了金属颗粒不黏连，使得金属颗粒能够顺利用于熔覆。

26、3、本发明还通过合适的增材制造工艺参数制造涂层或部件，最后，通过低温热处理或者不通过整体热处理增材制造部件，低温回火热处理防止高合金材料的涂层或部件开裂。

技术特征：

1.一种工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述含有碳化物形成元素的金属粉末进行热处理时的升温速率不高于10℃/min。

3.如权利要求1所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述隔绝环境为保护气氛或真空环境。

4.如权利要求1所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述碳化物形成元素的化学通式为mc、m2c、m6c、m7c3或m23c6。

5.如权利要求4所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述化学通式中m为v、w、cr、mo、ti、nb、hf中的一种或多种。

6.权利要求1-5中任一项所述的相变金属粉末用于工件涂层的方法，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述熔覆层的相含量出现变化，所述相含量变化表现为碳化物析出增多。

8.如权利要求6所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：所述熔覆层的硬度为55～65hrc。

9.如权利要求6所述的工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，其特征在于：进行激光熔覆的所述相变金属粉末的流动性为20～45s/50g。

10.权利要求1～5中任一项所述相变金属粉末应用于增材制造。

技术总结
本发明提供一种工件涂层用金属粉末的制备方法及应用，属于粉末冶金和增材制造技术领域，本发明通过合理的热处理将金属粉末进行相变，并使用相变的金属粉末为原材料进行增材制造应用，例如激光熔覆，提供一种高性能增材制造涂层或部件的方法。本方法相较于现有技术流程，无需外源添加额外陶瓷硬质相，例如碳化物或氧化物，能够低温热处理或者不通过整体热处理增材制造部件并获得高硬度和良好的耐磨性，进而提升整个零件的服役寿命。

技术研发人员：葛学元,王淼辉,胡启鹏,范斌,徐一斐
受保护的技术使用者：中机新材料研究院（郑州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13