一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法与流程
本发明属于激光熔覆耐磨涂层，具体涉及一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法。
背景技术：
1、磨损是材料和工件等失效的主要原因之一，也是构成能源消耗的主要组成部分。寻求新型的耐磨材料已刻不容缓，于是新型耐磨材料将慢慢代替传统耐磨材料在各种领域的使用。
2、激光熔覆技术具有熔化速度快、成本低、效率高、与基体的冶金结合良好以及零件局部选择性表面处理(或微区加工)等固有优点。因此，采用激光熔覆技术制备含高熔点陶瓷相的金属基复合涂层在材料表面强化方面受到广泛关注。陶瓷颗粒增强金属基复合材料结合了金属基和陶瓷相的许多优良特性。既具有陶瓷的高硬度和高强度的特点，又具有金属材料的良好塑性和韧性，是学者们研究的热点之一。尽管采用激光熔覆技术已经成功制备出了耐磨性非常好的表面复合材料，但激光熔覆存在着陶瓷增强相分布不易控制和产生裂纹、陶瓷颗粒的熔化等问题。虽然已经探索了一些方法(包括匹配工艺参数、调整陶瓷相的重量百分比、预热衬底、添加稀土元素等)来降低激光熔覆制备金属陶瓷复合涂层的缺陷敏感性，但并不能从根本上解决问题。
3、熔覆过程中，所有陶瓷颗粒在激光束的作用时间内一直处于液态熔池中，且陶瓷粉末一般具有很高的激光能量吸收率和较低的导热系数，因此在激光束辐照过程中陶瓷颗粒边缘有可能发生部分分解甚完全熔化，冷却时从合金液相中重新析出或形成其它陶瓷相，对涂层产生内热应力存在和开裂倾向。另一方面陶瓷颗粒具有高的比表面积，使其容易团聚，熔覆的过程中很难实现均匀分布。
4、因此，需要开发一种能够抑制熔覆过程中陶瓷颗粒的分解且使其分布均匀的激光熔覆方法。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法。该方法采用超声波振动辅助激光熔覆实现异种材料熔合，抑制金属间化合物的生成，并使得陶瓷颗粒均匀分布，获得以弥散的陶瓷颗粒为核、以金属相为壳的核壳结构复合耐磨涂层，提高了复合耐磨涂层的性能，使涂层兼具陶瓷相的高耐磨性和金属相的韧性，解决了现有熔覆工艺中陶瓷颗粒易分解且难以均匀分布的难题。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤一、将陶瓷粉末进行筛网处理；
4、步骤二、将步骤一中经筛网处理后的陶瓷粉末与金属粉末放入球磨罐中，放入金刚石材质的球磨体，并将罐体密封进行球磨2h以上，然后取出置于干燥箱中进行干燥处理，得到混合物；所述干燥处理的温度为80℃，时间为1h～2h；
5、步骤三、清洁待熔覆材料表面并安装定位，将步骤二中得到的混合物装入激光熔覆设备的送粉器中作为熔覆粉末；
6、步骤四、设定激光熔覆工艺参数包括激光功率、离焦量、扫描速度、送粉率，设定超声波振动功率及频率，然后开启激光熔覆设备和超声波振动装置，在超声波振动辅助下完成激光熔覆，在待熔覆材料表面形成核壳结构复合耐磨涂层。
7、本发明首先采用机械球磨法将高熔点的陶瓷粉末与低熔点的金属粉末球磨，然后采用超声振动辅助激光熔覆在待熔覆材料表面制备耐磨涂层。该制备过程中，一方面利用陶瓷粉末与金属粉末熔点相差较大的特性，采用激光熔覆工艺，使得低熔点的金属粉末率先熔化形成熔池对未熔化的高熔点的陶瓷颗粒进行包裹，避免陶瓷颗粒的熔解，通过毛细作用实现异种材料融合形成涂层，最大限度地抑制金属间化合物的生成，避免耐磨涂层具有较大的脆性、容易产生裂纹等倾向；另一方面利用超声波振动的空化效应，使得金属液中的空化气泡在形成和解体的过程中产生高温、高压、高速的微射流对熔池进行搅拌作用，从而将陶瓷颗粒增强相均匀分布在耐磨涂层中，保证获得高性能的复合耐磨涂层。
8、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述筛网处理采用-325目的筛网。
9、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述陶瓷粉末为高熔点超硬球型颗粒，为粒径不超过45μm的碳化钨、碳化钛、金刚石或立方氮化硼粉末。
10、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末为粒径100μm以上的铁、镍、钴或钛金属粉末。
11、本发明中采用的金属粉末粒径较大，对激光的吸收率较高，在较常规激光熔覆更低的激光功率条件下，大尺寸、低熔点的金属粉末比小尺寸、高熔点的陶瓷粉末先熔化，并对陶瓷粉末进行包裹形成壳体，而小尺寸的陶瓷颗粒作为核弥散分布其中，一方面能够有效抑制陶瓷颗粒熔解，阻止金属间化合物的生成，降低涂层生成过程中所产生的内应力，避免内应力过大会导致涂层内部产生裂纹，另一方面金属壳体固结作为耐磨相的陶瓷颗粒，并传递和承受载荷，最大限度保留陶瓷颗粒的圆形结构，使得复合耐磨涂层具有一定塑性，增加了复合耐磨涂层的韧性性能。
12、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述陶瓷粉末与步骤二中所述金属粉末的熔点值相差1000℃以上。通过控制陶瓷粉末与金属粉末的熔点值差距，保证金属粉末熔化并包裹陶瓷粉末，进而制备得到核壳结构复合耐磨涂层。通常，两者熔点值差距越大，越容易获得核壳结构复合耐磨涂层。
13、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述混合物中陶瓷粉末与金属粉末的体积比为1︰8～1︰10，且陶瓷粉末为碳化钨、金刚石或立方氮化硼粉末，金属粉末为铁、镍、钴或钛金属粉末。通过限定陶瓷粉末与金属粉末的体积比，控制陶瓷粉末的占比，一方面保证复合耐磨涂层中作为核的陶瓷颗粒的分布均匀性，另一方面降低陶瓷颗粒熔化分解概率，避免生成金属间化合物导致复合耐磨涂层存在缺陷。
14、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤四中所述激光熔覆采用同步送粉的方式，且激光熔覆的激光功率为500w～800w，正离焦为5mm～10mm，送粉率为5g/min～10g/min，扫描速度为150mm/min～200mm/min，搭接率为60％以上。激光熔覆具有热量集中、加热快、冷却快、热影响区小的特性，本发明采用较低的激光功率并控制其他工艺参数，使得低熔点的金属粉末率先熔化，而高熔点的陶瓷粉末因熔池温度不够高且在高温下的保温时间很短，从而陶瓷粉末颗粒增强相未能发生熔解被完整保留，同时由于金属熔滴与陶瓷颗粒增强相接触的时间极短，可有效地阻止界面反应，即通过合适的工艺优化，获得理想的核壳结构复合耐磨涂层。
15、上述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤四中所述超声波辅助振动的功率为500w～600w，频率为10khz～30khz。上述功率和频率的超声波辅助振动产生的非线性的声流和瞬时的空化作用，对促进陶瓷颗粒增强相弥散的均匀性、光滑热温度梯度、减少裂纹、细化晶粒和提高机械性能有极大的帮助作用。
16、本发明与现有技术相比具有以下优点：
17、1、本发明采用超声波振动辅助激光熔覆方法，利用激光熔覆使得低熔点金属粉末率先熔化后对陶瓷颗粒进行包裹，通过毛细作用，将异种材料熔合，最大限度地抑制金属间化合物的生成，避免涂层具有较大的脆性，容易导产生裂纹等倾向，同时利用超声波振动的空化效应增加陶瓷颗粒流动性与密度分布均匀性，使得陶瓷颗粒均匀分布，并减少气孔和裂纹等缺陷，形成以弥散的陶瓷颗粒为核、以金属相为壳的核壳结构复合耐磨涂层，提高了复合耐磨涂层的性能，使涂层兼具陶瓷相的高耐磨性和金属相的韧性。
18、2、本发明的超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，可以根据产品不同部位的需求，以较低的成本在其表面制备出以陶瓷颗粒为增强相的高耐磨增韧涂层，提高了产品性能。
19、3、本发明通过控制激光熔覆的工艺参数实现对热输入的精确控制，以调控其快速凝固过程，达到对复合耐磨涂层成分、厚度以及稀释率的控制，该制备过程操作简单、加工效率高，且易于实现。
20、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
技术特征：
1.一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述筛网处理采用-325目的筛网。
3.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述陶瓷粉末为高熔点超硬球型颗粒，为粒径不超过45μm的碳化钨、碳化钛、金刚石或立方氮化硼粉末。
4.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末为粒径100μm以上的铁、镍、钴或钛金属粉末。
5.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述陶瓷粉末与步骤二中所述金属粉末的熔点值相差1000℃以上。
6.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述混合物中陶瓷粉末与金属粉末的体积比为1︰8～1︰10，且陶瓷粉末为碳化钨、金刚石或立方氮化硼粉末，金属粉末为铁、镍、钴或钛金属粉末。
7.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤四中所述激光熔覆采用同步送粉的方式，且激光熔覆的激光功率为500w～800w，正离焦为5mm～10mm，送粉率为5g/min～10g/min，扫描速度为150mm/min～200mm/min，搭接率为60％以上。
8.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤四中所述超声波辅助振动的功率为500w～600w，频率为10khz～30khz。
技术总结
本发明公开了一种超声波振动辅助激光熔覆制备核壳结构复合耐磨涂层的方法，该方法包括：一、将陶瓷粉末筛网处理；二、与金属粉末机械球磨干燥；三、清洁待熔覆材料表面并装粉；四、在超声波振动辅助下完成激光熔覆。本发明采用超声波振动辅助激光熔覆，利用陶瓷粉末与金属粉末熔点相差较大的特性，使得低熔点的金属率先熔化对未熔化的陶瓷颗粒包裹，通过毛细作用将异种材料熔合，抑制金属间化合物的生成，避免涂层具有较大的脆性而产生裂纹，同时利用超声空化效应使金属液中空化气泡在形成和解体的过程中产生高温、高压、高速的微射流对熔池搅拌，使涂层中得到均匀分布的陶瓷颗粒增强相，获得高性能复合耐磨涂层，适用于材料表面强化领域。
技术研发人员：王培,王少鹏,刘林涛,陈文进
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5