CN109943845A

CN109943845A - 一种球化mmc复合涂层材料及其激光熔覆方法

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Publication number: CN109943845A
Application number: CN201910372632.3A
Authority: CN
Inventors: 徐鹏; 郑德一; 刘其斌
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-05-06
Also published as: CN109943845B

Abstract

本发明公开了一种球化MMC复合涂层材料及其激光熔覆方法，由Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末、Ni粉末和纳米WC粉末混合而成；所述涂层材料通过如下方法制备：（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，得球磨粉末；（2）将球磨粉末干燥，得干燥粉末；（3）利用激光球化法处理干燥粉末，得球化的MMC复合涂层材料。其熔覆方法是采用同步送粉法进行激光熔覆。本发明具有陶瓷颗粒分布均匀，硬度更高，更耐磨，且可对异形面修复的特点。

Description

一种球化MMC复合涂层材料及其激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种涂层材料及其激光熔覆方法，特别是一种球化MMC复合涂层材料及其激光熔覆方法。

背景技术

304不锈钢可加工性好，经济廉价的特点而被广泛应用于工业生产与生活应用中，但在实际应用中存在大量因磨损而失效的情况。故急需开发提升304不锈钢耐磨性的涂层，用于修复或强化304不锈钢，同时也可创造出很高的经济效益。为此，人们研究开发了激光熔覆Fe-Mn-Si系记忆合金涂层，利用形状记忆合金的应力自适应特性，可松弛部分残余应力，从而得到低残余应力的涂层；摩擦磨损及疲劳过程中应力自适应特性同样可以降低过程中产生的应力，从而提高耐磨性及耐疲劳性。

但是，传统的涂层仍然存在硬度及耐磨性不足等缺点，硬质陶瓷相制备MMC复合涂层被广泛应用于强化材料以提高材料硬度、耐磨性等性能。故在记忆合金涂层中加入陶瓷相可提高其耐磨性及硬度，很好的扩展了激光熔覆记忆合金涂层的应用范围。

但是，现目前的MMC复合涂层仍然存在如下问题：1、加入的陶瓷粉末由于具有高密度的特点，易沉积于涂层下部，限制强化效果；2、现有的复合涂层粉末材料多为球磨法制备的异型粉末，熔覆过程中只能采用预置法，只能度平整的面进行修复，对于异形面则无法修复。因此，有必要研发一种硬度、耐磨强度更高，残余应力更低，且能够实现同步送粉的涂层材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种球化MMC复合涂层材料及其激光熔覆方法。本发明具有陶瓷颗粒分布均匀，硬度更高，更耐磨，且可对异形面修复的特点。

本发明的技术方案：一种球化MMC复合涂层材料，由Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末、Ni粉末和纳米WC粉末混合而成；所述涂层材料通过如下方法制备：

（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，得球磨粉末；

（2）将球磨粉末干燥，得干燥粉末；

（3）利用激光球化法处理干燥粉末，得球化的MMC复合涂层粉末材料。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述复合涂层材料按重量份计，由Fe44-56份、Mn27-31份、Si7-9份、Cr3-4份、Ni2-3份和WC8-12份组成。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述复合涂层材料按重量份计，由Fe48-52份、Mn28-30份、Si8-9份、Cr3-4份、Ni2-3份和WC9-11份组成。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述复合涂层材料按重量份计，由Fe50份、Mn29份、Si8份、Cr3份、Ni3份和WC10份组成。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末、Ni粉末和纳米WC粉末的纯度均大于99.7%；Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末和Ni粉末的粒度为140-280目；纳米WC粉末的粒度为40-100nm。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述步骤（1）中，球磨时的磨料比为6-8:1，转速为180-240r/min，球磨时间2-5h。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述步骤（2）中，干燥的温度为110-130℃，时间1-3h。

前述的球化MMC复合涂层材料，所述步骤（3）中，激光球化法是将干燥粉末在304不锈钢基材表面铺设成0.4-1mm厚度的粉末层，然后进行激光扫描即可，其中激光功率为300-800 W，激光光斑直径为3-6 mm，激光扫描速度为15-25 mm/s，激光扫描结束后收集即得球化的MMC复合涂层粉末材料。

一种前述的球化MMC复合涂层材料的激光熔覆方法，是采用同步送粉法进行激光熔覆。

前述的球化MMC复合涂层材料的激光熔覆方法，所述激光熔覆的工艺参数为激光输出功率P＝2-2.7 kW，扫描速度V＝4-7 mm/s，光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为30-50%，送粉量为0.4-0.8 g/s。

本发明的有益效果

1、本发明在涂层材料中加入陶瓷相后，通过激光球化法将涂层材料进行球化，使复合涂层材料中陶瓷颗粒的分布更加均匀，同时，此过程可以使涂层材料中原位生成分布均匀的Fe₆W₆C，从而使得将其制备成涂层后，具有更高的硬度和强度。

2、本发明以记忆合金粉末为原料，通过激光球化处理后，其合金涂层与基材呈冶金结合，同时具有更低的残余应力，极大的提高了涂层的耐磨性能。

3、本发明的涂层材料为球化的材料，与传统的粉末状材料相比，本发明的材料可以通过同步送粉法进行熔覆，也就是说不需要在基材表面预制粉末，而只需要将球化涂层材料放入同步送粉设备即可，因此，具有可以对异形面进行修复的优点。

为了进一步说明本发明所具有的有益效果，发明人做了以下实验：

材料的硬度

本发明制备的复合涂层硬度结果如图1所示，涂层的平均硬度达到基材的3倍左右最高可达1000HV左右，比传统铁基激光熔覆涂层（Fe60等）硬度高30%以上,主要是因WC分解合金元素进入涂层产生固溶强化以及原位生成的Fe₆W₆C相均匀分布在涂层中产生第二相强化引起的。

材料的耐磨性

对本发明制备所得的激光熔覆原位生成的MMC复合涂层进行摩擦磨损实验，所得结果如图2及图3所示，当WC加入后复合涂层的耐磨性相对于基材明显提升，主要是存在记忆合金应力的松弛作用而得到低残余应力涂层以及在松弛摩擦磨损过程中的应力，应力释放充分，还存在第二相强化及固溶强化，故涂层耐磨性与基材及传统铁基激光熔覆涂层相比得到极大提高。

附图说明

附图1为不同WC含量MMC复合涂层的硬度分布；

附图2为不同WC含量MMC复合涂层的摩擦系数曲线；

附图3 为不同WC含量MMC复合涂层的磨损量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例

实施例1：一种球化MMC复合涂层材料，由纯度均为99.9%的50份、Mn29份、Si8份、Cr3份、Ni3份和WC10组成，其中Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末和Ni粉末的粒度为210目；纳米WC粉末的粒度为70nm；所述涂层材料通过如下方法制备：

（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，球磨时的磨料比为7:1，转速为210r/min，球磨时间3h，得球磨粉末；

（2）将球磨粉末在120℃干燥2h，得干燥粉末；

（3）将干燥粉末在304不锈钢基材表面铺设成0.7mm厚度的粉末层，然后进行激光扫描即得球化的MMC复合涂层材料，其中激光功率为500W，激光光斑直径为5mm，激光扫描速度为20mm/s，激光扫描结束后收集即得球化的MMC复合涂层材料，得球化的MMC复合涂层粉末材料。

实施例2：一种球化MMC复合涂层材料，由纯度均为99.8%的Fe44份、Mn27份、Si7份、Cr3份、Ni2份和WC8份组成，其中Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末和Ni粉末的粒度为140目；纳米WC粉末的粒度为40nm；所述涂层材料通过如下方法制备：

（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，球磨时的磨料比为6:1，转速为180r/min，球磨时间2h，得球磨粉末；

（2）将球磨粉末在110℃干燥1h，得干燥粉末；

（3）将干燥粉末在304不锈钢基材表面铺设成0.4mm厚度的粉末层，然后进行激光扫描即得球化的MMC复合涂层材料，其中激光功率为300W，激光光斑直径为3 mm，激光扫描速度为15 mm/s，激光扫描结束后收集即得球化的MMC复合涂层材料，得球化的MMC复合涂层粉末材料。

实施例3：一种球化MMC复合涂层材料，由纯度均为99.7%的Fe56份、Mn31份、Si9份、Cr4份、Ni3份和WC12份组成，其中Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末和Ni粉末的粒度为280目；纳米WC粉末的粒度为100nm；所述涂层材料通过如下方法制备：

（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，球磨时的磨料比为8:1，转速为240r/min，球磨时间5h，得球磨粉末；

（2）将球磨粉末在130℃干燥3h，得干燥粉末；

（3）将干燥粉末在304不锈钢基材表面铺设成1mm厚度的粉末层，然后进行激光扫描即得球化的MMC复合涂层材料，其中激光功率为800 W，激光光斑直径为6 mm，激光扫描速度为25 mm/s，激光扫描结束后收集即得球化的MMC复合涂层材料，得球化的MMC复合涂层粉末材料。

实施例4：一种利用上述的球化MMC复合涂层材料进行熔覆的方法，步骤如下：将所述球化的MMC复合涂层材料置于同步送粉器中，进行同步送粉，同时，控制激光输出功率P＝2.4kW，扫描速度V＝5 mm/s，光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为40%，送粉量为0.6 g/s。

实施例5：一种利用上述的球化MMC复合涂层材料进行熔覆的方法，步骤如下：将所述球化的MMC复合涂层材料置于同步送粉器中，进行同步送粉，同时，控制激光输出功率P＝2kW，扫描速度V＝4 mm/s，光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为30%，送粉量为0.4 g/s。

实施例6：一种利用上述的球化MMC复合涂层材料进行熔覆的方法，步骤如下：将所述球化的MMC复合涂层材料置于同步送粉器中，进行同步送粉，同时，控制激光输出功率P＝2.7 kW，扫描速度V＝7 mm/s，光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为50%，送粉量为0.8 g/s。

Claims

1.一种球化MMC复合涂层材料，其特征在于：由Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末、Ni粉末和纳米WC粉末混合而成；所述涂层材料通过如下方法制备：

（1）将所述粉末混合后放入球磨机球磨，得球磨粉末；

（2）将球磨粉末干燥，得干燥粉末；

2.根据权利要求1所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述复合涂层材料按重量份计，由Fe44-56份、Mn27-31份、Si7-9份、Cr3-4份、Ni2-3份和WC8-12份组成。

3.根据权利要求2所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述复合涂层材料按重量份计，由Fe48-52份、Mn28-30份、Si8-9份、Cr3-4份、Ni2-3份和WC9-11份组成。

4.根据权利要求3所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述复合涂层材料按重量份计，由Fe50份、Mn29份、Si8份、Cr3份、Ni3份和WC10份组成。

5.根据权利要求1所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末、Ni粉末和纳米WC粉末的纯度均大于99.7%；Fe粉末、Mn粉末、Si粉末、Cr粉末和Ni粉末的粒度为140-280目；纳米WC粉末的粒度为40-100nm。

6.根据权利要求1所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述步骤（1）中，球磨时的磨料比为6-8:1，转速为180-240r/min，球磨时间2-5h。

7.根据权利要求1所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述步骤（2）中，干燥的温度为110-130℃，时间1-3h。

8.根据权利要求1所述的球化MMC复合涂层材料，其特征在于：所述步骤（3）中，激光球化法是将干燥粉末在304不锈钢基材表面铺设成0.4-1mm厚度的粉末层，然后进行激光扫描即可，其中激光功率为300-800 W，激光光斑直径为3-6 mm，激光扫描速度为15-25 mm/s，激光扫描结束后收集即得球化的MMC复合涂层粉末材料。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的球化MMC复合涂层材料的激光熔覆方法，其特征在于：是采用同步送粉法进行激光熔覆。

10.根据权利要求10所述的球化MMC复合涂层材料的激光熔覆方法，其特征在于：所述激光熔覆的工艺参数为激光输出功率P＝2-2.7 kW，扫描速度V＝4-7 mm/s，光斑尺寸d＝1mm×10 mm，搭接率为30-50%，送粉量为0.4-0.8 g/s。