激光熔覆碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基涂層及其加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光熔覆制備合金涂層的技術領域，尤其是一種通過激光熔覆原位自 生的方法制備碳化鎢顆粒增強相的熔覆涂層及其加工方法。
【背景技術】
[0002] 碳化鎢（WC)為黑色六方晶體，碳位于鎢晶格的間隙當中，形成間隙固溶體，具有 耐磨、耐熱、耐蝕以及與基體材料的潤濕性好等一系列優(yōu)點。自從19世紀末法國人莫桑 (Moissan)發(fā)現(xiàn)碳化鎢（WC)以來，碳化鎢（WC)作為材料的增強相在采礦、工模具、公路返新 刀具等耐磨材料領域得到了廣泛的應用。
[0003] 近年來，在表面改性和受損零件的修復與再制造領域，碳化鎢（WC)陶瓷顆粒增強 金屬基耐磨涂層得到了迅速發(fā)展。碳化鎢（WC)陶瓷顆粒可通過激光熔覆技術在廉價的金 屬工件表面熔覆一層陶瓷材料形成碳化鎢（WC)陶瓷顆粒增強相，來提高基體材料的耐磨、 耐熱和耐蝕性能。激光熔覆技術是以高能量密度的激光作為焊接熱源，在基體材料表面預 置合適的涂層材料后，利用高能量密度的激光照射使涂層和基體材料表面同時熔化，隨后 急劇冷卻凝固，獲得熔覆層的技術。
[0004] 碳化鎢（WC)陶瓷具有優(yōu)越的高溫性能和磨損性能，是硬質合金和熱噴涂材料中 的主要增強相。作為增強相，由于碳化鎢（WC)難于原位生成，故現(xiàn)有技術中的激光熔覆工 藝制備金屬基碳化鎢（WC)陶瓷顆粒耐磨涂層的方法通常是外加法，即將陶瓷顆粒直接加 入熔池中，或者將陶瓷顆粒與金屬粉末預先充分混合后進行激光熔覆。這類方法不僅成本 較高、工藝較復雜，而且由于外加陶瓷相與基體相的物性參數(shù)差異較大，使得陶瓷顆粒與基 體之間的相容性較差，結合不良。此外，碳化鎢（WC)顆粒在焊接熱源的作用下還會發(fā)生溶 解，不僅降低了涂層中碳化鎢（WC)顆粒的體積分數(shù)，而且碳化鎢（WC)顆粒溶解形成的鎢 ⑵、碳（C)原子會使涂層形成萊氏體、Fe 3W3C等脆性相。這些問題嚴重制約著碳化鎢（WC) 顆粒增強金屬基耐磨涂層的發(fā)展。
[0005] 原位自生技術是指在材料的復合過程中通過一定的物理化學反應生成預期的增 強相，也就是說增強相不是外加的，而是在材料復合過程中形成的。相比于外加增強體制備 技術，原位自生獲得的增強體熱力學性能穩(wěn)定、與基體之間為冶金結合、工藝簡單、成本低。 故本發(fā)明基于上述激光熔覆技術和原位自生技術的結合來制造碳化鎢（WC)陶瓷顆粒耐磨 涂層。

【發(fā)明內容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種激光熔覆碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬 基涂層，該增強相與基體之間為原子結合界面結構，其呈彌散分布，界面平直、沒有析出相， 其與基體間潤濕性良好，解決了現(xiàn)有技術中增強相與基體之間結合不良的問題。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種激光熔覆碳化鎢陶瓷顆粒增 強金屬基涂層，其特征在于：包括合金粉末，合金粉末包括摩爾之比為2 : 1的鎢粉、石墨。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步設置，所述合金粉末還包括還原鐵粉、鉻粉、鎳粉、硼粉、硅粉 和銅粉。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步設置，所述合金粉末的成分及百分質量比分別為：鎢粉55~ 60%、石墨7~9%、還原鐵粉23~30%、鉻粉0~3%、鎳粉2~6%、硼粉0? 3~1%、硅 粉0? 4~1 % 〇
[0010] 作為本發(fā)明的進一步設置，所述合金粉末還包括稀土氧化物粉末，該稀土氧化物 粉末包括氧化鋪。
[0011] 作為本發(fā)明的進一步設置，所述合金粉末的成分及百分質量比分別為：鎢粉55~ 60%、石墨7~9%、還原鐵粉23~30%、鉻粉0~3%、鎳粉2~6%、硼粉0? 3~1%、硅 粉0.4~1%、銅粉0.5%、氧化鈰0.5%。
[0012] 本發(fā)明的另一個目的，是提供了一種用于權利要求1或2所述的激光熔覆碳化鎢 陶瓷顆粒增強金屬基涂層的加工方法，其特征在于：①基體材料采用角向磨光機去除試板 表層的鐵銹和油污，并用砂紙打磨光亮，然后分別用丙酮和酒精清洗試板，再用電吹風烘 干，得到潔凈表面的基體試板，②按比例稱取鎢粉、石墨、還原鐵粉、鉻粉、鎳粉、硼粉、硅粉 和銅粉，繼而用球磨機充分混合，③向混合后得到的粉末中加入鈉水玻璃粘結劑，充分攪 拌調成糊狀后涂覆在準備好的基體試板上，預置涂層厚度為〇.7mm，放入箱式電阻爐內于 180°C烘干兩小時以待熔覆，④將帶有預置涂層的基體試板從箱式電阻爐內取出，使用激光 器對預置涂層進行激光熔覆試驗，熔覆過程中激光功率分別為800~2000W，激光掃描速度 分別為1~5mm/s，離焦量為150mm，光斑尺寸為3mm〇
[0013] 采用上述方案，本發(fā)明中涂層的粉末配比是影響激光熔覆原位制備碳化鎢（WC) 陶瓷增強相的一個重要因素，由于石墨在預置涂覆時存在損失，激光熔覆過程中也極易被 燒損，加之基體對合金熔體具有稀釋作用，因此涂層的粉末配比n(C) : n(W)不能過小，本 發(fā)明將石墨與鎢粉按化學計量摩爾比為1 : 2稱取。此外，合金粉末中還添加了一定量的 B、Si、Cr、Ni合金元素；其中，①B的適量加入可以細化組織，降低晶粒長大傾向，提升強度 和初性；②適量的Si可以提尚恪覆金屬的流動性，有助于提尚焊接性能；B和Si可以作為 熔池脫氧劑，除去熔池中氧元素，提高金屬流動性增加潤濕性。能夠起到固溶強化和彌散強 化作用，提高熔敷層的硬度和耐磨性。③Ni是面心立方晶體，不僅能提升強度，還能增強塑 韌性；Ni是形成亞穩(wěn)定奧氏體合金的元素，能夠拓寬Fe的Y相區(qū)，無限固溶于奧氏體中。 Ni和Fe在鋼基體中以互溶的形式存在，Ni在合金反應中不與C形成碳化物，所以有促進石 墨化的功效。Ni元素在合金中熔點較低，能夠很好的改善基體和熔敷層之間的潤濕性，并且 能降低合金的熱膨脹系數(shù)，減少復合材料中裂紋出現(xiàn)，提高熔敷層的韌性。④Cr是較強的 碳化物形成元素，由于鉻碳化合物細小且均勻分布，所以基體具有良好的綜合力學性能。當 一定量的Cr、Ni相結合時，可以大大提高基體的強度和塑性。Cr是含鋼復合材料中極為重 要的一種元素，幾乎所有種類的硬質合金都含有一定量的Cr。Cr能與Fe形成連續(xù)固溶體， 同時可以形成金屬間化合物。當反應體系中有C元素的時候，Cr可以和C發(fā)生反應生成多 種類型的碳化物。Cr含量過高會增加孔隙度，也有可能形成鉻鐵礦型的夾雜，復合材料中孔 隙度和礦氧化物等夾雜會降低合金性能。惰性的Cu在W和C反應中能夠較好的促進WC的 形成，而且采用初步的高能機械處理在比較低溫度（940°C )就能夠得到WC。⑤Ce02可以 作為結晶形核核心在凝固過程中增加熔池中反應的形核率，稀土元素常吸附在晶界上阻止 晶粒長大，從而使得晶粒細化。稀土元素容易與硫、氧等元素作用，并且又是內吸附元素，起 到強化凈化晶界的作用。此外稀土相能夠有效改善顯微組織和硬質相的顆粒形狀，促進硬 質相在熔敷層分布均勻分布。復合添加多種合金元素的熔敷層可顯著降低組織對于冷卻速 度的敏感性，此外Ni、Cr、B、Si等合金元素溶解于鋼基體，改變了鋼基體的原始成分，降低 了熔池液相線的溫度。再者，在預置涂層厚度、涂層粉末配比以及激光掃描速度一定的情況 下，激光功率較大時涂層的表面比較平整。這是因為激光功率很大時，基體的稀釋率較大， 合金熔體的流動性好，熔覆層表面平整、成形較好。由此可見，隨著激光功率的增加，熔覆層 表面變得平整。然而，激光功率較小，則會熱輸入不足，使得液相停留的時間很短，導致生成 的碳化鎢（WC)數(shù)量較少；激光功率特別大時，熔深、熔寬增加，并且熔池溫度很高，界面擴 散強烈，稀釋率較大，碳化鎢（WC)形成元素的濃度降低，碳化鎢（WC)形核與長大困難，因而 原位生成的碳化鎢（WC)數(shù)量較少；因此，激光功率過大過小均不利于原位合成碳化鎢（WC) 陶瓷增強相，激光功率為1400W時為優(yōu)選功率。激光掃描速度的變化意味著激光與熔覆層 作用時間的變化，導致單位面積的熱輸入量不一樣。因此，掃描速度對熔覆后涂層的宏觀形 貌和熔覆層的顯微組織具有重要影響，掃描速度較小時，熔深很大，稀釋率很大，預置涂層 成分受基體成分的嚴重污染，碳化鎢（WC)形成元素的濃度大大降低，因此涂層中生成的碳 化鎢（WC)數(shù)量較少。此外，掃描速度過小時，液態(tài)熔池停留時間較長，某些元素高溫下發(fā)生 氧化而產生的氣體能夠充分浮出熔池，因而氣孔非常少；掃描速度過大時，液態(tài)熔池停留時 間較短，氣體在熔融狀態(tài)時來不及逸出，留在熔覆層中便成為氣孔。此外，掃描速度過大時， 熔深非常小，導致基體表面未發(fā)生熔化，因而熔覆層與基體之間結合不良。本發(fā)明通過激光 熔覆原位合成技術成功制備了碳化鎢顆粒增強相來增強鐵基復合材料，涂層與基體之間有 一過渡層，表明它們之間為原子結合，結合強度較高。
[0014] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。