一种稀土改性激光熔覆层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术提供一种稀土改性激光熔覆层及其制备工艺。在钛合金基体上，以Ni60A镍基合金粉末、B

Rare earth modified laser cladding layer and preparation process thereof

The invention provides a rare earth modified laser cladding layer and a preparation process thereof. On the basis of titanium alloy, Ni60A Ni base alloy powder and B

【技术实现步骤摘要】
一种稀土改性激光熔覆层及其制备工艺
本专利技术属于金属材料表面改性与强化
，特别涉及一种稀土改性激光熔覆层及其制备工艺。
技术介绍
激光熔覆技术，是利用高能激光束将添加的材料熔覆在基材表面，形成与基材呈现冶金级别结合的熔覆层，提高基材的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能等表面性能。利用激光熔覆技术对钢铁、钛合金、铝合金、镁合金等金属材料进行表面强化与改性处理，成为当前的研究热点之一。激光熔覆技术具有以下优点：(1)通过设计合理的熔覆材料组成以及适宜的激光熔覆参数，可以获得组织细小致密且与基体呈现冶金结合的熔覆层，实现基材性能的改善；(2)凝固时冷却速度快(高达106℃/s)，具有快速凝固组织特征，易于获得非晶亚稳相、超细甚至纳米级弥散析出相来改善涂层组织结构和性能；(3)涂层成分、厚度可控，热影响区小，对基材影响小；(4)可以进行选区熔覆，实现增材制造，材料利用率高；(5)工艺过程易于实现自动化，加工效率高，可实现高效制造。在激光熔覆过程中，熔覆材料的设计至关重要，关系到熔覆过程的成败及熔覆层性能。Ni基、Fe基、Co基等自熔性合金粉末由于具有良好的脱氧造渣功能，同时又与多数金属材料具有良好的润湿性，在激光熔覆中的应用最为广泛。在此基础上，根据材料的性能要求，在自熔性合金中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷颗粒，或通过原位反应的方式在熔覆层中形成陶瓷强化相，形成金属陶瓷复合涂层，进一步提高钛合金的显微硬度与耐磨性，使得激光熔覆技术的应用前景更为广阔。在激光熔覆材料中引入一些稀土氧化物，有助于细化熔覆层的微观组织，进一步改善涂层性能。近年来，纳米材料由于具有良好的热学、磁学、光学、超导电性和化学催化性质，以及量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等诸多不同于常规材料的性能，成为功能材料研究领域的一大研究热点。同时，对材料进行强化的同时又能使材料保持一定的韧性，因此，利用纳米材料对材料进行强化或改性也引起国内外研究学者的重视。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供一种稀土改性激光熔覆层。在钛合金表面激光熔覆材料体系中引入纳米稀土氧化物(纳米Nd2O3、La2O3)，取得了较好的效果。部分R2O3会分解为R与O。稀土元素R可以吸附在晶界，阻碍晶界移动；还能减小液态金属的表面张力和临界形核半径，提高形核率，从而细化组织。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种稀土改性激光熔覆层，在钛合金基体上，以Ni60A镍基合金粉末、B4C或镍包B4C(Ni@B4C)、微米或纳米级稀土氧化物为熔覆材料激光熔覆制备稀土改性激光熔覆层。优选的，所述熔覆材料中稀土氧化物为Nd2O3或La2O3。优选的，所述熔覆材料中各组分的质量百分比为：Nd2O31.0～4.0％、B4C或Ni@B4C10～30％，余为Ni60A。优选的，所述熔覆材料中各组分的质量百分比为：La2O31.0～4.0％、Ni@B4C10～30％，余为Ni60A。优选的，所述Nd2O3的粒度为5～20μm或40～60nm，分别称为μ-Nd2O3或n-Nd2O3。优选的，所述La2O3稀土氧化物的粒度为5～20μm或40～60nm，分别称为μ-La2O3或n-La2O3。最优选的，所述Nd2O3或La2O3稀土氧化物为n-Nd2O3或n-La2O3。本专利技术采用的Ni60A镍基自熔性合金粉末的成分如表1所示。表1Ni60A镍基自熔性合金粉末的化学成分(wt.％)本专利技术还提供了一种稀土改性激光熔覆层的的制备工艺，包括：1)将待处理的钛基材表面清理干净，去除表面氧化皮；2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面；3)对预铺熔覆粉末的样品进行熔覆试验，即得稀土改性激光熔覆层；所述熔覆粉末包括：Ni60A镍基合金粉末、B4C或镍包B4C(Ni@B4C)、微米或纳米级稀土氧化物。优选的，所述熔覆粉末预铺厚度为0.8～1.0mm。优选的，所述激光熔覆条件为：激光器功率为1.0～3.0kW，扫描速度为200～600mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为5～15L/min。本专利技术还提供了Ni60A镍基合金粉末、B4C或镍包B4C(Ni@B4C)、微米或纳米级稀土氧化物在激光熔覆制备钛合金激光熔覆层中的应用。本专利技术的有益效果(1)部分R2O3会分解为R与O。稀土元素R可以吸附在晶界，阻碍晶界移动；还能减小液态金属的表面张力和临界形核半径，提高形核率，从而细化组织。(2)部分未发生分解的R2O3可以作为异质形核核心，提高形核率，部分细小R2O3颗粒还会阻碍晶体的生长。(3)本专利技术制备方法简单、实用性强，易于推广。附图说明图1磨损试验原理图；图2实施例1(a)、实施例2(b)熔覆层底部形貌；图3实施例1(a)、实施例2(b)熔覆层上部的微观组织形貌；图4实施例1(a)、实施例2(b)熔覆层的XRD衍射结果；图5实施例1和实施例2熔覆层的硬度分布曲线；图6Ni60A+10％B4C+1.0wt.％Nd2O3熔覆层的磨痕截面轮廓及三维形貌；(a)TC4基材,(b)实施例1(1.0wt.％微米Nd2O3),(c)实施例2(1.0wt.％纳米Nd2O3)；图7实施例3(a)、实施例4(b)熔覆层底部形貌；图8实施例3(a)、实施例4(b)熔覆层上部的微观组织形貌；图9实施例3和实施例4熔覆层的硬度分布曲线；图10实施例3(a)和实施例4(b)熔覆层的磨痕截面轮廓及三维形貌。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：本专利技术涉及的熔覆层性能测试方法：(1)显微硬度测试：采用DHV-1000型显微硬度计测试熔覆层的显微硬度，载荷200g，加载时间为10s，沿熔覆层的最大熔深方向由熔覆层表面至基材每隔0.1mm测定显微硬度值，以分析熔覆层各个部位的显微硬度分布特征。(2)磨损试验：用HT-1000型磨损试验机来进行磨损试验，磨球选用Si3N4陶瓷磨球(Φ6mm)，转速448r/min，摩擦半径4mm，载荷为1.5kg，磨损试验时间为30min。磨损试验原理图如图1所示，熔覆层磨痕体积可以依据V＝S·2πr计算。其中，S为磨痕截面面积，r为摩擦半径。磨痕截面及三维形貌由光学轮廓仪测试。下面结合具体实施例进一步说明：实施例1：本实施例的熔覆材料质量配比设计为：[Ni60A+10wt.％B4C]+1.0％μ-Nd2O3，具体工艺步骤如下：1)将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。3)利用CO2气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3.0kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。实施例2：本实施例的熔覆材料质量配比设计为：[Ni60A+10wt.％B4C]+1.0％n-Nd2O3，具体工艺步骤如下：1)将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。3)利用CO2气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3.0kW，扫描速度为450mm/min，光斑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀土改性激光熔覆层，其特征在于，在钛合金基体上，以Ni60A镍基合金粉末、B

【技术特征摘要】
1.一种稀土改性激光熔覆层，其特征在于，在钛合金基体上，以Ni60A镍基合金粉末、B4C或镍包B4C(Ni@B4C)、微米或纳米级稀土氧化物为熔覆材料激光熔覆制备稀土改性激光熔覆层。2.如权利要求1所述的激光熔覆层，其特征在于，所述熔覆材料中稀土氧化物为Nd2O3或La2O3。3.如权利要求1所述的激光熔覆层，其特征在于，所述熔覆材料中各组分的质量百分比为：Nd2O31.0～4.0％、B4C或Ni@B4C10～30％，余为Ni60A。4.如权利要求1所述的激光熔覆层，其特征在于，所述熔覆材料中各组分的质量百分比为：La2O31.0～4.0％、B4C或Ni@B4C10～30％，余为Ni60A。5.如权利要求2所述的激光熔覆层，其特征在于，所述Nd2O3的粒度为5～20μm或40～60nm；或所述La2O3稀土氧化物的粒度为5～20μm或40～60nm。6.如权利要求2所述的激光熔覆层，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：于慧君，翁飞，陈传忠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37