一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用与流程

本发明属于金属陶瓷材料，尤其涉及一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用。

背景技术：

1、铜及铜合金因具有优异的导电、导热性能及高塑性, 被广泛应用于电子电气、冶金工业、航空航天等领域。然而, 当铜及铜合金作为苛刻工况下的零件材料时, 如冶金生产中的连铸结晶器，直接使用很难满足耐磨的工况要求。采用表面强化技术在铜及其合金表面制备功能梯度涂层对于提高涂层与基体的结合强度，赋予材料表面新的功能具有独到的优越性。

2、由于高性能的梯度涂层材料良好的耐磨、耐热性能以及优异的热膨胀匹配能力而被广泛用作铜冷却器、高炉风口等的防护涂层。铜及铜合金在约1000℃的恶劣环境中工作寿命很短。采用在高炉风口表面涂覆一层梯度防护涂层，则可使其寿命大大延长。

3、在金属陶瓷涂层的制备中，激光熔覆是一种重要的工艺，它通过最少的热能输入对金属陶瓷层进行部分重熔，得到的熔融层较为密实，能够降低涂层裂纹及剥落。激光熔覆ni基wc金属陶瓷涂层是目前研究较多的一种金属陶瓷涂层，但在激光熔覆ni基wc金属陶瓷技术中，还存在很多技术问题亟待解决，主要表现为涂层的开裂和气孔。激光熔覆ni基wc涂层气孔主要来源于wc的高温烧损，wc烧损产生的c与空气中的氧气反应生成co和co2气体，这些气体在激光熔覆过程中来不及溢出熔池而形成气孔。同时，由于激光熔覆是快速加热和凝固过程，凝固过程中容易造成内应力，一旦释放就会产生裂纹。材料间热膨胀系数、弹性模量的差别及熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，当应力的产生与集中大于材料的屈服强度时，则会导致裂纹的产生。

4、因此，亟需研发一种金属陶瓷梯度涂层，使之可抑制裂纹和气孔的产生，从而提高涂层的硬度和耐磨，以更好地适应恶劣的应用工况。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属陶瓷梯度涂层及其制备方法与应用，采用wc、cu和ni增强ni60，并形成不同组分和结构的梯度变化，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，以消除组织性能突变；并结合特定的制备工艺条件，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了裂纹和气孔的产生，进而提高涂层的硬度和耐磨性。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种金属陶瓷梯度涂层，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni60 65-80wt%、wc 0-15wt%、cu 8-12wt%和ni 8-12wt%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni60 80-90wt%、wc 10-20wt%。

3、具体地，本发明以ni60合金粉末为主要原料，并在与铜基板直接相连的第一梯度层中添加一定量的wc、ni和cu，最外层的第二梯度层中则仅添加一定量的wc，形成不同组分和结构的梯度涂层。其中：ni60合金粉末具有较高的硬度和耐磨性，且与wc粒子具有良好的润湿性；同时ni60合金粉末中大量的ni元素与fe、c、b等元素在激光熔覆的过程中将结合形成fexc铁碳化合物、(fe, ni)23c6和ni4b固溶体，一方面可以降低粘结相中c的含量，避免co和co2气体的产生；另一方面还可以对涂层起到固溶强化作用；再者ni与cu都是面心立方结构，二者可以通过置换晶粒内的原子而实现无限固溶，且 ni与cu 的润湿性好、热物参数相近，ni 基合金粉末可与铜基板形成具有良好界面结合性能的覆层。

4、此外，在激光熔覆过程中，wc颗粒将经历溃散-熔解-扩散控制热损伤。在这个过程中，较小的wc颗粒完全熔融，在重新凝固过程中，这些wc颗粒提供了很好的非均匀成核核心或基底，与ni基合金液中的溶质相互作用后，所形成的小颗粒群有利于提高涂层的耐腐蚀性能；并且一定量wc的加入，在wc颗粒附近将形成微区定向凝固，可大幅度地提高涂层综合性能。

5、因此，本发明通过对各梯度层的原料进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了涂层中裂纹和气孔的产生，进而提高了涂层的硬度和耐磨性。

6、作为上述方案的进一步改进，所述ni60的化学组成，按重量百分比计为：c 0.6-1.0wt%、cr 14-17wt%、b 2.5-4.5wt%、si 3-4.5wt%、fe≤15wt%，杂质≤0.7wt%，余量为ni。

7、具体地，ni60的主要成分为ni元素，在激光熔融过程中可与其他元素形成固溶体，在减少气孔产生的同时，提高涂层的综合性能。

8、作为上述方案的进一步改进，所述ni60、ni和cu的粉末粒度均为150-300目。

9、作为上述方案的进一步改进，所述wc的粉末粒度为150-270目。

10、具体地，ni60/wc涂层的裂纹率与激光功率成正比，通过控制ni60和wc的粒度，一是为了控制激光的功率，二是使wc颗粒可以部分溶解，溶解后的wc将与熔池中的其他元素形成合金碳化物，起到晶界强化的作用，并使其形状由拟球形转变为椭圆形，对熔覆层基体的割裂作用减弱；同时，椭圆形的wc颗粒因无尖锐棱角而不易产生应力集中，在应力作用下不易萌生裂纹，多种因素的共同作用，使熔覆层抗剪强度增大。

11、作为上述方案的进一步改进，所述第一梯度层的厚度为0.6-0.8mm，所述第二梯度层的厚度0.8-1.0mm。

12、具体地，采用不同厚度的梯度层熔覆于铜基板表面，不仅有利形成梯度结构变化，更有利于减少wc颗粒的沉积，从而提高涂层的综合性能。

13、本发明第二方面提供了一种金属陶瓷梯度涂层的制备方法，所述制备方法用于制备本发明第一方面所述的金属陶瓷梯度涂层，包括以下步骤：

14、（1）将第一梯度层和第二梯度层的制备原料分别进行超声混合，然后在保护气氛下研磨、真空干燥，得第一预混料和第二预混料；

15、（2）采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆所述第一预混料和第二预混料，形成第一梯度层和第二梯度层，得所述金属陶瓷梯度涂层。

16、作为上述方案的进一步改进，在进行所述激光熔覆的过程中外加磁场，所述磁场的磁场强度为20-60mt。

17、具体地，由于熔池流动以及wc的密度较大，wc在熔覆过程中易沉底，本发明在加工过程中采用外加磁场调控wc颗粒的分布，以细化涂层组织，促进硬质相的产生，有利于提升涂层的硬度。

18、优选的，所述外加磁场采用横向 u 型卧式电磁铁提供。

19、作为上述方案的进一步改进，在进行所述激光熔覆前还包括对所述铜基板进行预热的步骤，所述预热的温度为400-600℃。

20、具体地，研究发现，在激光熔覆前通过对铜基板进行预热有利于降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向和纵向温度梯度，从而有效减少涂层的开裂敏感性。

21、作为上述方案的进一步改进，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1500-2500w，光斑直径为2-4mm，光斑扫描速度为8-11mm/s，送粉速率为12-15g/min，离焦量为12-14mm，激光头角度为2-4°，载粉气体为流量为18-23l/min的氩气。

22、本发明第三方面提供了本发明第一方面所述的金属陶瓷梯度涂层在防护涂层中的应用。

23、优选的，所述防护涂层包括高炉风口、连铸结晶器的防护涂层。

24、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

25、本发明采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆第一梯度层和第二梯度层，以形成

26、金属陶瓷梯度涂层，并通过对各梯度层的原料组分进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，减少残余应力和热应力，从而有效抑制了涂层中裂纹和气孔的产生，提高了涂层的硬度和耐磨性。实现显微硬度为800-1300hv1.0，摩擦磨损系数为0.55-0.8，可适用于工业恶劣的工况。