一种金属表面激光强化涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属表面激光强化涂层的制备方法，包括如下步骤：用湿化学法制备水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体；将上述混合粉体预置在基体表面；在氩气气氛中，以激光作为热源在基体表面辐照形成熔池，预置的混合粉末在高温的环境中发生碳热化学反应生成碳化钛，最终在基体表面制备获得碳化钛复合涂层。同样也适用于制备ＴｉＮ增强复合涂层，都可以用湿化学法将其水合氧化物和石墨混合，再与尿素混合作为预置粉末，激光熔覆到基体上制备。本技术方案制备的强化涂层表面光洁、无裂纹和气孔，而强化颗粒在涂层中分布均匀，强化涂层与基体呈冶金结合，并且采用湿化学方法制备混合粉末混合均匀、保证充分反应，适于工业上推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属金属复合材料领域，特别是涉及一种制备原位生成TiC或者TiN复合涂层的方法，本专利技术制备的增强复合涂层适用于模具、工具及其它易磨损部件的表面强化。
技术介绍
在各个工业部门，许多机械装置在其正常使用过程中，由于其工作表面与被加工工件频繁接触、撞击，会造成模具表层一定程度的磨蚀、剥蚀，久而久之，整套模具会因过度磨损而失效。工业界往往需要花费大量人力、财力及时间，对因过度磨损而过早报废的元件进行替换。这些元件如果使用硬质合金进行制造，其使用寿命可以提高一些，但是，这样也将花费极大的成本。 目前的解决方法是在工业元件表面制备一层强化层以提高其耐磨损性能。制备强化层的方法很多，如表面化学扩散处理(氮化或碳化铁基材料等)。使用这些技术的缺点是需要对整个元件进行加热处理，这不仅消耗巨大的人力、物力、财力，还会造成元件尺寸的变化和整体性能的下降，并且在表面处理后，还需要进一步进行后续的热处理工作。 陶瓷强化相碳化钛、氮化钛等具有硬度高、熔点高、化学稳定性好等特点，是良好的耐高温耐磨损材料。在基体元件表面制备一层陶瓷相强化层将极大提高其耐磨损性，从而延长机械装置的使用寿命。目前，制备该种强化层的研究主要集中在化学气相沉积(CVD)和离子镀膜法，用这些方法制备强化层需要在较高温度下进行，这对基体材料的整体性能将产生影响；同时用这些方法制备的强化层只是沉积在基体表面，与基体的结合力并不能令人满意。 针对以上方法制备强化相复合涂层成本高，强化层与基体材料结合强度不高等问题，专利号为92105630的中国专利公开一种采用电弧热喷涂工艺在基体金属表面喷涂制备氮化钛强化涂层。其原理是采用钛线作为钛源，用高纯度的氮气代替空气作为推进气体，在电弧热喷涂过程中，雾化的钛在飞行过程中便与氮气发生反应，生成氮化钛化合物。当熔融的氮化钛滴落到正在涂覆的元件表面时固化，便形成一层硬的氮化钛涂层，从而防止元件磨损和腐蚀。这种方法相对于化学气相沉积、等离子喷涂，成本低廉，此外，电弧喷涂只要花费数分钟，相对于化学气相沉积等工艺，时间大大缩短。但是由该法制备的氮化钛强化层和基体之间没有达到冶金结合的效果，结合力不牢固的问题仍然没有得到解决，以上专利，从原理上讲，是运用电弧热喷涂工艺，通过钛与稳定的氮气反应来制备碳化钛，这需要很高的能量。 天津理工大学的另一些学者(R.L.Sun，Y.W.Lei，W.Niu.Laser clad TiCreinforced NiCrBSi composite coatings on Ti-6Al-4V alloy using a CWCO2 laser.Surface & Coatings Technology 203(2009)1395-1399)采用激光熔覆的方法在Ti-6Al-4V表面制备碳化钛增强复合涂层。操作方法是按1∶3的体积比混合TiC粉末和NiCrBSi粉末，再用有机粘结剂将混合粉末预置到基体表面，然后选一个优化的激光参数处理预置层，制备出碳化钛增强镍基复合涂层。由于强化相碳化钛颗粒弥散在强化层中，因此相对于基体材料而言，强化涂层的硬度和耐磨性都有较大提高；同时由于激光作用过程中基体熔化，碳化钛颗粒在熔化的基体表面沉积，在强化层到基体形成一定梯度，相当于在在强化层和基体之间加入了一层过渡层，使得强化层与基体之间形成冶金结合，结合力大大提高。但是，这种方法的缺陷是首先，强化层和基体之间的热膨胀系数之间存在差异，容易开裂，影响两者界面的结合力；其次，碳化钛熔点较高，密度小，在制备涂层过程中，熔融状态的碳化钛颗粒容易镶嵌在涂层表面，使得制备的涂层粗糙度较大；最后，碳化钛颗粒在熔覆过程中容易聚团，影响涂层性能均匀性。 韩国的浦项工科大学的一些学者(Jongmin Lee，Kwangjun Euh，Jun CheolOh，Sunghak Lee.Microstructure and hardness improvement ofTiC/stainless steel surface composites fabricated by high-energyelectron beam Irradiation.Materials Science and Engineering A323(2002)251-259)采用高能电子束扫描的方式在AISI 304不锈钢基体表面制备碳化钛增强复合涂层。操作方法是以摩尔比1∶1将纯钛粉和炭黑粉末混合，然后预置在不锈钢基体表面，再用高能电子束处理预置表面，通过钛和碳粉的反应形成碳化钛制备出碳化钛强化复合涂层。用该法制备的碳化钛强化层表面光洁、无裂纹，无气孔，且由于碳化钛是原位反应形成，在涂层中并未发现有聚团现象。但是这种方法的缺陷是首先，纯钛粉末价格相对较高，且在容易发生氧化；其次，要将这两种粉末均匀混合非常困难，粉末混合不均匀将影响强化相碳化钛的反应生成，同时造成涂层性能在区域内存在差异，影响整体性能。 清华大学的一些学者(杨森，钟敏霖，刘文今。激光熔覆制备Ni/TiC原位自生成复合涂层及其组织形成规律研究。应用激光，2002，22(2)105～108)采用激光熔覆的方式在45钢表面获得了原位反应生成TiC的复合涂层。操作方法是预先按一定比例混合Ni60粉末、钛粉以及碳粉，然后用粘结剂预置于基体表面，再通过激光处理获得强化层；实验制备的强化层宏观质量完好，无裂纹和气孔等缺陷，且强化颗粒在涂层中分布均匀，强化涂层与基体呈冶金结合。但是，这种方法的缺陷是首先，强化相TiC是元素Ti和元素C通过原子直接结合的，其总方程式为Ti+C→TiC，因为形成的TiC晶体结构和金属Ti以及石墨的结构都不相同，所以反应需要的能量较高不容易充分反应；其次，采用手工碾磨混合粉末，混合效果不理想，只适合少量实验，无法在工业上推广应用，并且，粉末混合不均匀将影响强化相碳化钛的反应生成，同时造成涂层性能在区域内存在差异，影响整体性能。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供，采用该方法制备的强化涂层表面光洁、无裂纹和气孔，而强化颗粒在涂层中分布均匀，强化涂层与基体呈冶金结合，并且采用湿化学方法制备混合粉末混合均匀、保证充分反应，适于工业上推广应用。 为了达到上述的目的，本专利技术采用了以下的技术方案 ，包括如下步骤 (1)用湿化学法制备水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体； (2)将上述混合粉体预置在基体表面； (3)在氩气气氛中，以激光作为热源在基体表面辐照形成熔池，预置的混合粉末在高温的环境中发生碳热化学反应生成碳化钛，最终在基体表面制备获得碳化钛复合涂层。 湿化学法，即沉淀法，就是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加入适当的沉淀剂可得到各种成分的均一的沉淀物，再将沉淀物进行干燥或锻烧，从而制得相应的粉体颗粒。本方案中采用湿化学法制备的水合二氧化钛和石墨粉混合粉体，可以保证两种成分均匀混合、比例适当、颗粒间结合紧密，并且该混合粉体状态稳定便于存放或与其他材料混合，这样不仅成本较低，而且不需在机械球磨条件下就能将两种粉体混合均匀，在激光作用下碳热还原反应生成TiC更快，颗粒细小，分布均匀；本方案通过激光强化预置涂层的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属表面激光强化涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：　　（１）用湿化学法制备水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体；　　（２）将上述混合粉体预置在基体表面；　　（３）在氩气气氛中，以激光作为热源在基体表面辐照形成熔池，预置的混合粉末在高温的环境中发生碳热化学反应生成碳化钛，最终在基体表面制备获得碳化钛复合涂层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建华，徐柠，张群莉，
申请(专利权)人：姚建华，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]