一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。本发明专利技术所述原位反应生成的梯度耐磨涂层从下至上依次为粘结层、过渡层、陶瓷层；所述过渡层主要由Al

【技术实现步骤摘要】
一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种原位反应生成的梯度耐磨涂层及其制备方法，属于涂层

技术介绍
在金属基体上沉积陶瓷涂层，将陶瓷材料的特性与金属材料的特性结合起来，获得理想的复合涂层制品，已在诸多领域得到了应用。但是陶瓷与金属材料物理性质参数不同，使涂层在制备和使用过程中产生较大内应力；此外，单纯使用喷涂技术制备的涂层，陶瓷涂层与基体材料的结合主要为机械嵌合，涂层呈层状结构，致密性较差，涂层中往往含有较多的气孔，易出现微裂纹，使涂层与基体的结合强度较低；梯度涂层是一种解决此类问题的好选择，可以通过连续地改变材料组成和结构，大大降低金属/陶瓷梯度材料制备过程中形成的残余热应力，并且这样的结构兼具金属材料的韧性和可加工性以及陶瓷材料的高强度、高耐磨、耐高温性等优点。目前梯度涂层的制备方法主要有气相沉积法、等离子喷涂法、粉末冶金法、离心铸造法和激光熔覆法等。其中激光熔覆法是较为简单的方法，并且激光熔覆的突出特点是可制备与基体形成冶金结合的特殊功能涂层，所以采取此种方法制的涂层结合强度也更高。其所制备的金属基表面涂层的耐磨性能与涂层结构的强韧化、涂层成分的设计、组织结构、界面结构和激光制备工艺等因素紧密相关。在涂层结构方面，为了减缓基体和涂层之间的物理和力学性能的巨大差异，提高涂层的强韧性，制备功能梯度涂层是行之有效的方法。在涂层成分、组织结构及界面结构等方面，可以通过在梯度涂层中原位生成陶瓷颗粒增强金属基的技术来实现，而利用激光诱导原位反应制备金属陶瓷梯度复合涂层是制备金属基表面高性能耐磨涂层的较为先进方法。在工艺方面，目前利用激光熔覆原位反应制备梯度涂层大都采用预置涂层法，即分别设计梯度涂层的每层的成分，利用粘结剂、热喷涂等方法将其预置在基体上，再利用激光熔覆装置对预置层进行熔覆，但是采用单一的粘结剂法极易在熔覆过程中因有机溶剂的挥发作用产生大量孔隙，单独采用热喷涂则极易因为涂层受到多次反复加热而造成晶粒粗大、高温回火导致硬度降低。
技术实现思路
针对现有的耐磨涂层大都存在的结合强度不高、涂层中含有大量孔隙和裂纹等问题，本专利技术提出了一种原位反应制备梯度耐磨涂层，其极大的提高了涂层的结合强度，无裂纹气孔等缺陷，通过涂层中多种陶瓷相的强化作用，使其耐磨性得到了极大的提高。本专利技术所述梯度耐磨涂层包括粘结层、过渡层、陶瓷层，过渡层中包括Al2O3、TiC、Ti3SiC2、Ti5SiCx、SiC陶瓷相，陶瓷相由粘结层至陶瓷层方向呈梯度变化，其中Al2O3含量逐渐提高，TiC、Ti3SiC2、Ti5SiCx、SiC含量逐渐降低；所述涂层中TiC、Ti3SiC2、Ti5SiCx、SiC陶瓷相为粉末原材料中的C、Ti、Si元素在涂层制备过程中原位反应获得。本专利技术的另一目的在于提供所述原位反应生成的梯度耐磨涂层的制备方法，该方法利用等离子喷涂和粘结剂相结合的预置层法进行激光熔覆，可以有效降低涂层制备过程中孔隙的产生，并且可以合理利用激光快速加热快速冷却的加热方式在制备涂层的过程中对上一层涂层实现部分重熔再结晶，可以有效缓解晶粒过热长大粗化严重的现象，并且可以极大提高涂层之间的结合强度和涂层性能，具体包括以下步骤：(1)用砂纸打磨基体表面去除其锈层与污渍，然后将其放入丙酮中超声清洗，最后对基体进行喷砂处理。(2)将各层粉末分别混合均匀，筛选出细度在目180～325目之间的粉末用作后续等离子喷涂和激光熔覆；其中各层的粉末的成分及其配比为：所述粘结层的原料及其质量百分比为：30～40％的Al，10～20％的Ti，0～2％的GeO2，其余为Ni，所有原料质量百分比之和为100％，粘结层厚度为0.2～0.3mm。所述的过渡层的原料及其质量百分比为：30～40％的Al2O3，30～40％的Ti，10～20％的Si，10～30％的石墨，0～2％的GeO2，所有原料质量百分比之和为100％。所述的陶瓷层的原料及其质量百分比为：40～50％的Al2O3，25～35％的Ti，5～20％的Si，10～25％的石墨，0～2％的GeO2，所有原料质量百分比之和为100％，过渡层厚度为0.2～0.3mm。(3)在基体表面喷涂粘结层，将过渡层粉末与粘结剂混合，搅拌均匀成糊状，均匀涂覆在已喷涂粘结层的基体表面制备成预置层，待预置层干燥变硬后，经过表面磨平控制过渡层厚度为0.32～0.4mm。(4)将带有预置涂层的基体放到激光器的样品台上，进行激光诱导原位扫描制备过渡层，在带有粘结层与过渡层的基体上喷涂陶瓷层，将完成喷涂的样品置于激光器样品台上，进行激光重熔，得到梯度耐磨涂层。优选的，本专利技术步骤(3)和(4)中喷涂采用等离子喷涂设备在基体表面喷涂粘结层，设定喷涂电压为50～60V、喷涂电流为500～700A，通入气体Ar2的流量为30～50L/min，H2的流量为10～15L/min，送粉率为10g/min，喷嘴距样品表面的距离为10～15cm，喷枪的移动速度为10～40mm/s。优选的，本专利技术步骤(4)中激光诱导原位扫描的工艺参数为激光功率为400～600W，保护氩气流量为15～25L/min，扫描速率为400～600mm/min。优选的，本专利技术所述激光重熔的参数为重熔功率450W～550W，保护氩气流量为15～25L/min，扫描速率为400～600mm/min。本专利技术的原理：本专利技术主要利用梯度涂层中成分的梯度变化，缓解涂层与基体之间的成分和物理性能的差异，达到缓解内应力、降低涂层热捧膨胀系数差异、减小热应力等作用；为了降低梯度涂层的制备难度采用了多层梯度涂层的制备方法，其主要是通过合理控制每层涂层的成分结构，实现多层涂层之间成分结构的渐变，从而实现涂层的整体梯度变化。多层涂层制备过程中涂层多次受热易发生晶粒长大脆化、裂纹萌生、力学性能下降等问题。为了解决此类问题本专利技术在涂层中添加了GeO2这类细化晶粒的稀土元素，其可以有效地细化和球化TiC等陶瓷颗粒，使其分布的更为均匀同时可以有效减少杂质和气体的不良影响，还有利于涂层之间合理成分的梯度涂层。同时为了进一步提高涂层性能和解决多层涂层制备过程中的不良影响；本专利技术所制备的梯度涂层中陶瓷相并非直接加入，而是利用添加的陶瓷相所需元素在涂层制备过程中原位反应生成，这些原位生成的增强相粒子与涂层基体间的界面无杂质污染，两者之间有理想的原位匹配，界面结合紧密，增强相粒子热力学稳定也更好，并且在稀土元素的影响下其分布和形态也更为理想性能提升也更为强大，并且原位生成多陶瓷增强可以将Al2O3、TiC的高强度、良好的耐磨性与Ti3SiC2、Ti5SiCx、自润滑、高韧性等特性结合起来解决单一强化相强化不足的问题。为了解决等离子喷涂空隙率大和结合强度不足的问题，引入了激光技术，在等离子喷涂过的每层涂层上都利用激光对涂层进行部分重熔以降低其空隙率、提高其结合强度并提高涂层性能，从制备过程体现为：对等离喷涂过粘结层的基体制备预置层并用激光进行熔覆处理，在此过程中激光主要起三个作用，一是熔覆制备过渡层；二是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位反应生成的梯度耐磨涂层，其特征在于：所述梯度耐磨涂层包括粘结层、过渡层、陶瓷层，过渡层中包括Al

【技术特征摘要】
1.一种原位反应生成的梯度耐磨涂层，其特征在于：所述梯度耐磨涂层包括粘结层、过渡层、陶瓷层，过渡层中包括Al2O3、TiC、Ti3SiC2、Ti5SiCx、SiC陶瓷相，陶瓷相由粘结层至陶瓷层方向呈梯度变化，其中Al2O3含量逐渐提高，TiC、Ti3SiC2、Ti5SiCx、SiC含量逐渐降低。


2.权利要求1所述原位反应生成的梯度耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)用砂纸打磨基体表面去除其锈层与污渍，然后将其放入丙酮中超声清洗，最后对基体进行喷砂处理；
(2)将各层粉末分别混合均匀，筛选出细度在目180～325目之间的粉末用作后续等离子喷涂和激光熔覆；其中各层的粉末的成分及其配比为：
所述粘结层的原料及其质量百分比为：30～40％的Al，10～20％的Ti，0～2％的GeO2，其余为Ni，所有原料质量百分比之和为100％，粘结层厚度为0.2～0.3mm；
所述的过渡层的原料及其质量百分比为：30～40％的Al2O3，30～40％的Ti，10～20％的Si，10～30％的石墨，0～2％的GeO2，所有原料质量百分比之和为100％；
所述的陶瓷层的原料及其质量百分比为：40～50％的Al2O3，25～35％的Ti，5～20％的Si，10～25％的石墨，0～2％的GeO2，所有原料质量百分比之和为100％，过渡层厚度为0.2～0.3mm；
(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋鹏，李德民，郑必举，陈榕，吕建国，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53