一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料表面工程领域，特别涉及一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法。本发明专利技术制备的熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18-25at％，W为45-62at％，Ni为14-37at％。其制备方法为，将Si、W及Ni三种单元素粉末球磨、混合，然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；不锈钢基体表面进行清洗、打磨、擦净并吹干；粘糊状合金粉末均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干、干燥，采用激光熔覆技术，激光束垂直于基体表面扫描。通过本制备方法得到的基体表面的熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合、不易脱落、硬度高、耐磨性好。

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法
本专利技术属于材料表面工程领域，特别涉及一种耐磨激光熔覆层材料及其制备方法。
技术介绍
激光熔覆技术是通过在基材的表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，与基体形成冶金结合的熔覆涂层的一种新型表面改性技术。它通过采用“涂层+基体”模式，在低成本基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层，既可形成几微米至几毫米厚且比较均匀的强化涂层，又可使强化涂层与被强化材料之间实现冶金结合，可以有针对性地提高材料的相关表面性能，是一种应用前景广阔的有效强化手段。与常规热处理相比，激光熔覆能够进行局部处理，而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。利用激光熔覆能制备出新型耐高温氧化、热腐蚀、磨损和冲蚀涂层材料，可以用来修复和强化耐磨耐蚀部件。目前已经有钛合金表面激光熔覆Ni-Ti-Si涂层、A3钢表面激光熔覆Ni-Cr-Si涂层的专利，但是其高温耐磨性能并不好。不利于零件在高温条件下服役。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种耐磨激光熔覆层材料，是在不锈钢零件表面制备Si/W/Ni的合金涂层，显著提高了不锈钢零件的高温耐磨性，拓宽了不锈钢的使用范围。本专利技术的另一个目的是提供上述耐磨激光熔覆层材料的制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：在不锈钢基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18-25at％，W为45-62at％，Ni为14-37at％。优选的，所述熔覆层厚度为0.5-2mm。上述耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其步骤包括，(1)将粒径为100-300目的Si、W及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；(2)不锈钢基体表面进行清洗、打磨、擦净并吹干；将步骤(1)中的粘糊状合金粉磨均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干，在150-200℃的下干燥2-3小时；优选的，所述不锈钢基体为1Cr18Ni9Ti不锈钢。(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保护，气流量为15-25L/min，激光功率为2500-3500W，扫描速度为800-1500mm/min，离焦量为25-65mm。所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2-3:0.5-2。优选的，所述Si、W及Ni三种单元素粉末的原子个数比为1:2.5-2.8:0.7-1.8。合适的Si、W及Ni三种单元素粉末的加入量配比，决定了复合相的组分，有利于充分吸收激光，熔化合金粉末，形成稀释率低且与基体冶金结合的Ni基硅化物涂层。所述步骤(1)中，Si、W及Ni三种单元素的复合粉末和二丙酮醇的加入量配比为1-20g：10mL。优选的，Si、W及Ni三种单元素的复合粉末和二丙酮醇的加入量配比为15g：10mL。所述步骤(2)中，惰性气体为氩气。所述步骤(2)中，干燥后的不锈钢基体表面的涂覆层的厚度为0.8-1.6mm。涂覆层的厚度决定了形成涂层质量。二丙酮醇为有机粘结剂，在激光加工过程中要燃烧，汽化。若涂覆层太厚容易引起熔覆层气孔、裂纹等缺陷；涂覆层太薄制备的熔覆层可能因为太薄而无实际应用价值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)通过本制备方法得到的基体表面的熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合，熔覆层厚度达到0.5-2mm，其与金属基体表面的粘结力强，不易脱落。(2)本专利技术制备的耐磨激光熔覆层材料具有较高的硬度，其硬度达到996HV，耐磨性比不锈钢基体提高了4～6倍，对于钢铁材料的表面改性和修复效果极为显著，拓宽了钢铁的应用领域。(3)本制备方法简单、工艺可控度高。附图说明图1为实施例1中的制得的激光熔覆层的形貌图。图2为实施例1中的制得的激光熔覆层的SEM图。图3为实施例2中的制得的激光熔覆层的SEM图。图4为实施例1和实施例2中的激光熔覆层的XRD分析图。图5为实施例1和实施例2中的激光熔覆层及不锈钢基体的摩擦系数曲线图。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步说明：实施例1(1)、将Si、W和Ni三种粒径为200目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：19％Si、48％W、33％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1.5小时，得到均匀的混合粉体；(2)、将1Cr18Ni9Ti不锈钢基体，尺寸为：50mm×50mm×10mm，表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入10mL的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为190℃，其涂覆层的厚度为1.5mm。(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到耐磨激光熔覆层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为2700W，扫描速度为900mm/min，离焦量为40mm。熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体结合良好，如图1所示。高倍组织SEM照片如图2所示，结合图4中XRD分析结果可以发现，熔覆层中存在未熔的W颗粒，浅色的花瓣状枝晶及胞状晶为W5Si3、WSi2复合相，深色区域主要为Ni2Si及Ni基固溶体。本实施例的熔覆层的EDS分析结果如表1所示。表1：EDS分析结果表对所制备的耐磨激光熔覆层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，载荷为30N，摩擦半径4mm，摩擦时间为60min。摩擦系数曲线如图5所示。实施例2(1)、将Si、W和Ni三种粒径为150目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：22％Si、59％W、19％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1小时，得到均匀的混合粉体；(2)、将1Cr18Ni9Ti不锈钢基体表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入10mL的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干1.5小时，干燥温度为150℃，其涂覆层的厚度为1.2mm。(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到耐磨激光熔覆层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为3400W，扫描速度为1200mm/min，离焦量为35mm。高倍组织SEM照片如图3所示，结合图4中XRD分析结果可以发现，浅色的花瓣状枝晶及胞状晶为W5Si3、WSi2复合相，深色区域主要为W、Ni2Si及Ni基固溶体。本实施例的熔覆层的EDS分析结果如表2所示：表2：EDS分析结果表对所制备的耐磨激光熔覆层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：在不锈钢基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18‑25at％，W为45‑62at％，Ni为14‑37at％。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：在不锈钢基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为Ni2Si、WSi2和W5Si3，该熔覆层材料的化学成分Si为18-25at％，W为45-62at％，Ni为14-37at％。2.根据权利要求1所述的耐磨激光熔覆层材料，其特征在于：所述熔覆层厚度为0.5-2mm。3.权利要求1或2所述的耐磨激光熔覆层材料的制备方法，其步骤包括，(1)将粒径为100-300目的Si、W及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；(2)不锈钢基体的表面进行打磨、清洗、擦净并吹干；将步骤(1)中的粘糊状合金粉末均匀涂覆在基体表面形成涂覆层、风干，在150-200℃的条件下干燥2-3小时；(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓鹏，张培磊，卢云龙，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31