CN108611636A - 一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：S1.熔覆基体预处理；S2.将熔覆材料进行干燥处理；S3.采用激光器结合同轴送粉法使熔覆材料与熔覆基体表层同时熔化，形成一层合金涂层，即得所述高硬度耐腐蚀涂层；其中，步骤S1所述熔覆基体为Q960钢；步骤S2所述熔覆材料为碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的混合物。本发明采用激光熔覆技术开创性地在Q960钢表面制备复合涂层，将碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末按特定比例混合作为熔覆材料，科学合理设计激光熔覆技术工艺参数，有效解决Stellite 6钴合金激光熔覆涂层硬度低，在磨粒磨损工况下使用寿命较短的问题。

Description

一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，更具体地，涉及一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法。

背景技术

飞机结构件、发动机零部件、金属模具等高附加值零部件往往因磨损、高温气体冲刷烧蚀、高低周疲劳、外力破坏等因素导致局部破坏而失效。因此，对上述零部件进行表面处理，提高零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳等机械性能至关重要。目前，常用的方法为采用激光熔覆技术在零部件表面制备涂层。

激光熔覆技术是一项新兴的零件加工和表面改型技术，具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。但激光熔覆过程中加热和冷却的速度极快，由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数间存在差异，使得熔覆层中产生气孔、裂纹、变形和表面不平度等多种缺陷，导致熔覆层的质量不稳定，且激光熔覆常用的熔覆材料中多含有铬，容易对环境造成污染。

另一方面，现有的Stellite 6钴基合金激光熔覆涂层存在硬度不高，容易出现大量裂纹与气孔等问题，从而导致在极为严重的磨粒磨损工况下零件的使用寿命极大的缩短，因此，找到一种能够提高Stellite 6钴基合金激光熔覆涂层的硬度与组织稳定性的方法十分重要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法。该方法以Q960钢作为熔覆基体，以碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的混合物作为熔覆材料，采用同轴送粉法在激光器作用下进行激光熔覆，不但有效解决熔覆层质量不稳定的问题，且制备工艺简单、效率高、对环境无污染。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。本发明提供涂层硬度较高，在高温工作环境下，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理；

S2.熔覆材料干燥处理；

S3.采用激光器结合同轴送粉法使熔覆材料与熔覆基体表层同时熔化，形成一层合金涂层，即得所述耐磨耐腐蚀复合涂层；

其中，步骤S1所述熔覆基体为Q960钢；步骤S2所述熔覆材料为碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的混合物。

本发明以Q960钢作为熔覆基体，以碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的混合物作为熔覆材料，采用同轴送粉法在激光器作用下进行激光熔覆，在Q960钢表面形成一层复合涂层，该涂层综合熔覆基体与熔覆材料的性能，硬度较高，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性能。

进一步地，所述碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的质量比例为10～50∶90～50。

更进一步地，所述碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的质量比例为30∶70。

本发明的熔覆材料采用弹性模量大、显微硬度高、耐腐蚀性能好的碳化钨粉末以及摩擦系数低、耐磨性能好的Stellite 6合金粉末的混合物，并科学合理设计两者的混合比例，综合两者的性能优势，有效解决Stellite 6钴合金激光熔覆涂层硬度低，在磨粒磨损工况下使用寿命较短的问题。

更进一步地，所述Stellite 6合金粉末的粒度为40～100μm，所述Stellite 6合金粉末由C、Cr、Si、W、Fe、Mo、Ni、Mn、Co元素组成，含量分别为1.2％、29％、1.2％、4.5％、3％、1％、3％、1％，Co余量。

更进一步地，所述Stellite 6合金粉末的粒度为60μm。

更进一步地，所述碳化钨粉末的粒度为30～70μm。

更进一步地，所述碳化钨粉末的粒度为50μm。

进一步地，所述熔覆基体预处理的具体操作步骤为：将熔覆基体表面用600目砂纸打磨光洁，再用乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹。

进一步地，所述乙醇溶液的浓度为95％，所述处理时间为5min。

进一步地，步骤S2所述干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80℃，干燥时间为30min。

为了解决的熔覆层容易开裂等问题，进一步地，步骤S3所述激光器为STAUBLTX90型数控激光器，所述激光器的功率为300～700W。

本发明采用激光熔覆技术在Q960钢表面制备涂层，在激光熔覆过程中，激光器的功率越大，融化的熔覆金属量越多，产生气孔的概率越大，随着激光功率增加，熔覆层深度增加，周围的液体金属剧烈波动，动态凝固结晶，使气孔数量逐渐减少甚至得以消除，裂纹也逐渐减少，当熔覆层深度达到极限深度后，随着功率提高，基体表面温度升高，变形和开裂现象加剧；激光功率过小，仅表面涂层融化，基体未熔，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等，达不到表面熔覆目的。本发明通过合理严格控制激光器功率，不但避免熔覆层出现开裂、变形等问题，还使得基体与熔覆材料充分熔化，熔覆层表面平整。

进一步地，步骤S3所述激光器所选用的光斑宽度为2～10mm、扫描速度10mm/s、搭接率为50％，采用氩气作为保护气体，氩气流量为22L/h，送粉速度为1.2r/min。

本发明采用激光熔覆技术在Q960钢表面制备涂层，合理严格控制激光熔覆过程中各项工艺参数，并通过各项工艺参数之间的相互匹配，有效解决熔覆层容易开裂的问题；获得在Q960钢表面制备涂层的较优激光熔覆工艺参数，在该工艺参数下制备的涂层具有优良的耐腐蚀、耐高温、抗冲击和抗粘着磨损性能。

一种上述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用激光熔覆技术开创性地在Q960钢表面制备复合涂层，将碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末按特定比例混合作为熔覆材料，科学合理设计激光熔覆技术工艺参数，在该工艺参数下制备得到的复合涂层气孔极少，有效改善熔覆过程中涂层开裂的现象，显著改善Q960钢与碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的熔覆，使得激光熔覆层与基体结合更完美，结合区域几乎无任何裂纹与气孔，致密性好。

本发明采用同轴送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点，且氩气保护非常好，粉末利用率高、熔覆涂层没有氧化现象。

本发明制备得到的激光熔覆涂层显微硬度最高可达815HV，自腐蚀电位可达-883mV，明显高于基体Q960钢自身的自腐蚀电位，且熔覆材料中不含铬等重金属，不会对环境造成污染。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1～3制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的磨损量图；

图3为本发明实施例1～3制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的显微硬度图；

图4为本发明实施例1～3制备的耐磨耐腐蚀复合涂层的极化曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理：以Q960钢作为熔覆基体，将其表面用600目砂纸打磨光洁，再用浓度为95％的乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹，清除时间为5min；

S2.将碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末进行干燥处理后，按质量比为30:70混合均匀而制成混合粉末；

其中，干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80，℃干燥时间为30min，碳化钨粉末的粒度为60μm，Stellite 6合金粉末的粒度为50μm；

S3.采用STAUBLTX90型数控激光器结合同轴送粉法使碳化钨粉末和Stellite6合金粉末在Q960钢表面熔覆，在室温下快速冷却而形成一层合金涂层，即得耐磨耐腐蚀复合涂层；

其中，激光器的功率为500W，所选用的光斑宽度为5mm、扫描速度10mm/s、搭接率为50％，采用氩气作为保护气体，氩气流量为22L/h，送粉速度为1.2r/min。

实施例2

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，激光器的功率为550W。

实施例3

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，激光器的功率为450W。

实施例4

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末按质量比10:90。

实施例5

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末按质量比50:50。

实施例6

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，所选用的光斑宽度为2mm。

实施例7

本实施例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，所选用的光斑宽度为10mm。

对比例1

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S1中，熔覆基体为钛合金。

对比例2

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为碳化钨。

对比例3

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，熔覆材料为Stellite 6合金粉末。

对比例4

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末按质量比60:40。

对比例5

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，激光器的功率为200W。

对比例6

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，激光器的功率为800W。

对比例7

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，所选用的光斑宽度为1mm。

对比例8

本对比例提供一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，参照实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，所选用的光斑宽度为12mm。

对实施例1制备得到的高硬度耐腐蚀涂层进行SEM观察，观察结果见图1。

由图1可知，在碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的特定比例下以及特定激光功率、光斑宽度条件下，有效避免了涂层产生气孔，防止涂层开裂，保障涂层的致密性。

对Q960钢熔覆基体以及实施例1～3进行磨粒磨损试验测试，具体检测结果见表1及图2。

其中，磨粒磨损试验测试方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，在MLS-225型湿式橡胶轮盘磨粒磨损试验机测试磨损量，磨损时间为20min。

表1

对实施例1～7及对比例1～8制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层进行各项性能检测，主要包括显微硬度和电化学性能检测，具体检测结果见表2以及图3～4。

其中，显微硬度检测方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，采用砂纸打磨去除试样表面铁锈、污渍和大的划痕，再用抛光机抛光至镜面无任何划痕状态，然后用无水乙醇和超声波彻底清洗、烘干，随后利用莱卡显微硬度计测试其表面熔覆层至基底的硬度；为了减小实验误差，每个试样的横向水平测量层分别测量3个点，每个测量点之间相隔0.2cm，然后再取平均值。不同工艺参数下制备的熔覆层显微硬度从熔覆层顶部开始测量，每隔0.2cm为一个测量点，显微硬度即可表征本发明制备涂层的耐磨性能。

电化学性能检测方法如下：首先利用线切割机将制备得到的涂层切成26.5mm×57mm×7mm的试样，打磨抛光涂层试样表面，然后在CHI660E电化学工作站上，采用3.5wt.％的NaCl溶液测试合金涂层的极化曲线，自腐蚀电位即可表征本发明制备涂层的耐腐蚀性能。

表2

与实施例4和5以及对比例1～4比较可知，本发明开创性地采用Q960钢作为熔覆基体，配合使用碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末作为熔覆材料，并按特定比例混合熔覆材料，采用同轴送粉法在激光器作用下进行激光熔覆，在Q960钢表面形成一层合金涂层，该涂层综合熔覆基体与熔覆材料的性能，硬度较高，在高温环境下具有良好的耐腐蚀性和耐磨性能。

与实施例1～3、对比例5和6以及图2～4比较可知，激光熔覆技术过程中激光器功率对熔覆层的质量具有较大影响，激光功率过大时，基体表面温度升高，变形和开裂现象加剧；而激光功率过小时，仅表面涂层融化，基体未熔，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等现象，达不到表面熔覆目的；本发明采用STAUBLTX90型数控激光器，合理严格控制激光器功率，在本发明提供的激光器功率范围内，熔覆层不但不会出现开裂、变形等问题，且基体与熔覆材料充分熔化，熔覆层表面平整，磨损量小，性能优异。

与实施例6～7以及对比例7和8比较可知，本发明采用激光熔覆技术在Q960钢表面制备涂层，合理严格控制激光熔覆过程中各项工艺参数，在特定光斑宽度、送粉速度条件下，有效避免了涂层产生气孔，防止涂层开裂，保障涂层的致密性，制备得到的涂层显微硬度最高可达815HV，自腐蚀电位可达-883mV。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.熔覆基体预处理；

S2.熔覆材料干燥处理；

S3.采用激光器结合同轴送粉法使熔覆材料与熔覆基体表层同时熔化，形成一层合金涂层，即得所述耐磨耐腐蚀复合涂层；

其中，步骤S1所述熔覆基体为Q960钢；步骤S2所述熔覆材料为碳化钨粉末和Stellite6合金粉末的混合物。

2.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，所述碳化钨粉末和Stellite 6合金粉末的质量比例为10~50∶90~50。

3.根据权利要求2所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，所述Stellite 6合金粉末的粒度为40～100 μm，所述Stellite 6合金粉末由C、Cr、Si、W、Fe、Mo、Ni、Mn、Co元素组成，含量分别为1.2%、29%、1.2%、4.5%、3%、1%、3%、1%，Co余量。

4.根据权利要求2所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，所述碳化钨粉末的粒度为30～70 μm。

5.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，所述熔覆基体预处理的具体操作步骤为：将熔覆基体表面用600目砂纸打磨光洁，再用乙醇溶液清除干净表面的油污和锈迹。

6.根据权利要求5所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，所述乙醇溶液的浓度为95%，所述处理时间为5 min。

7.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2所述干燥处理的工艺参数为：干燥温度为80℃，干燥时间为30 min。

8.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3所述激光器为STAUBLTX90型数控激光器，所述激光器的功率为300~700 W。

9.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3所述激光器所选用的光斑宽度为2~10 mm、扫描速度10 mm/s、搭接率为50%，采用氩气作为保护气体，氩气流量为22 L/h，送粉速度为1.2 r/min。

10.一种如权利要求1~9任一项所述耐磨耐腐蚀复合涂层的制备方法制备得到的耐磨耐腐蚀复合涂层。