CN115896547B - 一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料及其制备方法，属于金属材料技术领域。其中涂层材料，以重量分数计，其金属原料用量分布如下：Co：55份‑62份，Cr：20份‑25份，W：7份‑8份，Mo：4份‑5份，Al：1.5份‑3.5份，C：1份‑1.5份，B：0.5份‑1.5份，Si：0.1份‑1.0份，Ti：0.1份‑1.0份。所述的涂层材料的制备方法包括气雾化Co基硬面材料的制备方法与硬面涂层的制备方法。相较于Ni60体系材料，Co基合金的凝固温度区间小，B、Si含量相对较低，Co基硬面材料的激光熔覆技术成型稳定性高；Co基硬面涂层的硬度高、耐磨性好，优于现有Ni60C硬面材料。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料及其制备方法。
背景技术
硬面涂层技术是指把硬面材料通过焊接的方式涂敷到金属零部件的工作面 （受力面）上,赋予部件表面功能特性，如耐磨、耐腐蚀等性能，来延长部件使用寿命，并节约能耗。目前，常用的硬面技术包括热喷焊、激光熔覆技术等，其中，激光熔覆技术因稀释率低、热影响区小、凝固速率快、组织细小，与基体冶金结合良好、灵活性高，已开始逐步取代热喷焊技术。
以Ni60为代表的自熔合金体系，B、Si等造渣元素含量高，具有造渣、还原、脱氧、润湿性高等特点，硬度高、耐磨性好、热喷焊成型性高。但该硬面材料体系与激光熔覆工艺匹配性差，激光熔覆技术温度高、凝固速率快，一方面，Ni60中过多的Si、B元素在激光熔覆过程中不能有效上浮，易增加涂层的裂纹敏感性。另一方面，Ni60熔化温度区间大，易导致严重的枝晶偏析，提高裂纹敏感性。
为解决现有硬面材料体系与激光熔覆工艺不匹配的问题，本发明设计和制备了一种B、Si含量低、熔化温度区间小的新型钴基硬面涂层。为改善激光熔覆硬面涂层的成型稳定性，进一步提高耐磨性能，延长零部件使用寿命，提供了一种新的材料体系。
例如，现有技术一，申请号：CN202010213050.3，公开号：CN111304579B，公开了一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料，其技术方案如下：
“一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料，由如下步骤制备：
（1）将Ni包Al粉末和Mo粉末按比例混合均匀后干燥，制得混合粉末；
（2）采用等离子喷涂技术在金属基体表面喷涂上述混合粉末；
（3）在室温下冷却得到所述的涂层材料。
较佳的，以重量百分比计，混合粉末包括如下组分：Ni包Al粉末80-95%，Mo 5-20%，其中，Ni包Al粉末中的Al含量为19.55wt%。
较佳的，Ni包Al粉末的平均直径为-75~+40μm，Mo粉末的平均直径为-74~+44μm。
较佳的，对金属基体表面进行清洁和喷砂处理。
具体的，先用无水乙醇对金属基体表面进行清洗，再采用24目的棕刚玉砂对金属基体表面进行喷砂处理。
较佳的，喷涂工艺参数为：主气流量40-43L/min，次气流量6.0-6.8L/min，电流500-520A，电压50-60V，送粉量10-20g/min，喷涂距离100-120mm，喷涂重复次数为4-6次”。
例如，现有技术二，申请号：CN202011005908.3，公开号：CN112064024B，公开了一种阻扩散高熵合金涂层材料、耐高温涂层材料及其制备方法和应用，其技术方案如下：
“本发明提出了一种阻扩散高熵合金涂层材料，其包括基材和阻扩散高熵合金涂层，阻扩散高熵合金涂层的元素包括Al、Co、Cr、Ni和Mo。
本发明还提出一种阻扩散高熵合金涂层材料的制备方法，包括：在所述基材表面形成阻扩散高熵合金涂层。
本发明还提出一种耐高温涂层材料，包括材料本体和涂覆于材料本体上的抗高温涂层，其中，材料本体为上述阻扩散高熵合金涂层材料。
本发明还提出一种耐高温涂层材料的制备方法，包括在材料本体表面制备抗高温涂层。
本发明还提出上述耐高温涂层材料在制备航空发动机或燃气轮机热端部件中的应用”。
结合上述现有技术，得出如下问题：
传统硬面涂层制备技术，如热喷焊等，为保证合金在熔融时有适度的流动性，使熔化的合金能在基材表面均匀摊开，形成光滑表面，要求合金从熔化开始到熔化终了应有较大的温度范围。但在激光熔覆时，由于熔池的冷却速度快，枝晶偏析是不可避免的，熔覆合金熔化温度区间越大，熔覆层内枝晶偏析越严重，脆性温度区间也越宽，熔覆层的开裂敏感性也越大。
发明内容
本申请提供了一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料及其制备方法，解决了以Ni60为代表的自熔合金硬面材料体系与激光熔覆工艺匹配性低，成形性差、硬度、耐磨性不足的问题。
本发明的技术方案是：
一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份-62份，
Cr 20份-25份，
W 7份-8份，
Mo 4份-5份，
Al 1.5份-3.5份，
C 1份-1.5份，
B 0.5份-1.5份，
Si 0.1份-1.0份，
Ti 0.1份-1.0份。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1.5份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 62份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
一种如上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，所述的涂层材料的制备方法包括气雾化Co基硬面材料的制备方法与硬面涂层的制备方法。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，
所述的气雾化Co基硬面材料的制备方法，包括以下步骤：
在真空感应炉中将真空度抽至10Pa以下，随后充入高纯氮气至0.1MPa，在氧化铝坩埚中将金属原料熔炼成纯净的金属液，随后在真空气体雾化设备中通过气体雾化得到雾化合金粉末。其中雾化时的熔液温度为1550℃，雾化压力为3.5MPa，金属溶液流量为4kg/min，所用的气体介质为氮气。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，
所述的硬面涂层的制备方法，包括以下步骤：
采用激光熔覆设备在合金钢表面分别制备Co基硬面涂层。熔覆前对钢基表面打磨除锈后，在丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面油脂并烘干，采用氮气作为保护气氛，流量为20L/min；激光熔覆具体工艺参数为：激光功率1200W，扫描速率为600mm/min，送粉速率为1r/min，搭接间距为48%。
本发明的有益效果：
（1）相较于Ni60体系材料，Co基合金的凝固温度区间小，B、Si含量相对较低，Co基硬面材料的激光熔覆技术成型稳定性高；
（2）Co基硬面涂层的硬度高、耐磨性好，优于现有Ni60C硬面材料。
附图说明
图1为本发明实施例得到的Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1.5C-1B-0.5Si-0.5Ti成分的相图；
图2为本发明实施例得到的Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1C-1B-0.5Si-0.5Ti的相图；
图3为本发明实施例得到的Ni60相图；
图4为本发明实施例得到的Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1C-1B-0.5Si-0.5Ti 硬面涂层的微观组织形貌图；
图5为本发明实施例得到的Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1.5C-1B-0.5Si-0.5Ti 硬面涂层的微观组织形貌图；
图6为本发明实施例得到的Ni60硬面涂层的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明技术方案做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的技术方案主要如下：耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份-62份，
Cr 20份-25份，
W 7份-8份，
Mo 4份-5份，
Al 1.5份-3.5份，
C 1份-1.5份，
B 0.5份-1.5份，
Si 0.1份-1.0份，
Ti 0.1份-1.0份。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1.5份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 62份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
如上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，所述的涂层材料的制备方法包括气雾化Co基硬面材料的制备方法与硬面涂层的制备方法。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，
所述的气雾化Co基硬面材料的制备方法，包括以下步骤：
在真空感应炉中将真空度抽至10Pa以下，随后充入高纯氮气至0.1MPa，在氧化铝坩埚中将金属原料熔炼成纯净的金属液，随后在真空气体雾化设备中通过气体雾化得到雾化合金粉末。其中雾化时的熔液温度为1550℃，雾化压力为3.5MPa，金属溶液流量为4kg/min，所用的气体介质为氮气。
上述所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，
所述的硬面涂层的制备方法，包括以下步骤：
采用激光熔覆设备在合金钢表面分别制备Co基硬面涂层。熔覆前对钢基表面打磨除锈后，在丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面油脂并烘干，采用氮气作为保护气氛，流量为20L/min；激光熔覆具体工艺参数为：激光功率1200W，扫描速率为600mm/min，送粉速率为1r/min，搭接间距为48%。
实施例
Co基硬面涂层的硬度高、耐磨性好，优于现有Ni60C硬面材料；
表1
| 材料体系 | 硬度/HV | 磨损量/mg |
| Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1.5C-1B-0.5Si-0.5Ti | 683.9±19.8 | 2 |
| Co-20Cr-8W-5Mo-2Al-1C-1B-0.5Si-0.5Ti | 664.55±90.55 | 3 |
| Ni60 | 437.8±9.5 | 3 |
如表1所示，相较于Ni60材料体系，新型钴基硬面材料的B、Si含量低，熔化温度区间小，裂纹敏感性低。
传统硬面涂层制备技术，如热喷焊等，为保证合金在熔融时有适度的流动性，使熔化的合金能在基材表面均匀摊开，形成光滑表面，要求合金从熔化开始到熔化终了应有较大的温度范围。但在激光熔覆时，由于熔池的冷却速度快，枝晶偏析是不可避免的，熔覆合金熔化温度区间越大，熔覆层内枝晶偏析越严重，脆性温度区间也越宽，熔覆层的开裂敏感性也越大。如下图1-图3所示，Ni60C的凝固温度区间为900-1400℃，远大于Co基硬面涂层材料的凝固温度范围1200-1250℃。
同时，结合图4-图6来看，Ni60硬面涂层的物相由深黑色奥氏体相及较多粗大的针状、片状、板条状的硅化物、硼化物组成，相较两种Co基涂层，Ni60熔覆层的枝晶偏析程度高，裂纹敏感性高。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，其特征在于：
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份-62份，
Cr 20份-25份，
W 7份-8份，
Mo 4份-5份，
Al 1.5份-3.5份，
C 1份-1.5份，
B 0.5份-1.5份，
Si 0.1份-1.0份，
Ti 0.1份-1.0份。
2.根据权利要求1所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，其特征在于：
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 55份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1.5份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
3.根据权利要求2所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料，其特征在于：
以重量分数计，其金属原料用量分布如下：
Co 62份，
Cr 20份，
W 8份，
Mo 5份，
Al 2份，
C 1份，
B 1份，
Si 0.5份，
Ti 0.5份。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，其特征在于：
所述的涂层材料的制备方法包括气雾化Co基硬面材料的制备方法与硬面涂层的制备方法。
5.根据权利要求4所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，其特征在于：
所述的气雾化Co基硬面材料的制备方法，包括以下步骤：
在真空感应炉中将真空度抽至10Pa以下，随后充入高纯氮气至0.1MPa，在氧化铝坩埚中将金属原料熔炼成纯净的金属液，随后在真空气体雾化设备中通过气体雾化得到雾化合金粉末；其中雾化时的熔液温度为1550℃，雾化压力为3.5MPa，金属溶液流量为4kg/min，所用的气体介质为氮气。
6.根据权利要求4所述的耐磨、高硬、加工性好的涂层材料的制备方法，其特征在于：
所述的硬面涂层的制备方法，包括以下步骤：
采用激光熔覆设备在合金钢表面分别制备Co基硬面涂层；熔覆前对钢基表面打磨除锈后，在丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面油脂并烘干，采用氮气作为保护气氛，流量为20L/min；激光熔覆具体工艺参数为：激光功率1200W，扫描速率为600mm/min，送粉速率为1r/min，搭接间距为48%。
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