【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光增材制造与再制造，具体涉及一种高温耐磨耐蚀及自润滑nicrcoaltiwcs合金的基因设计与制备方法。
技术介绍
1、冶金行业装备关键零件如轧辊、顶头、炉辊等是服役于“热-力-流”复杂工况下的重要摩擦零件，其运行温度通常达到800～1200℃，同时还存在着摩擦力与润滑液的腐蚀等多因素的损伤机制。往往导致这些零件存在着严重的磨损、腐蚀、氧化、疲劳、结瘤等多形式的失效，造成的经济损失巨大，急需研究新的合金材料与先进的再制造技术对其进行修复制造以满足行业的重大需求。激光熔覆由于具有短流程、合金选择宽、制备组织性能特殊等优点，是冶金关键零件的主流修复再制造技术之一，已在修复再制造方面得到了广泛应用。但是，由于复杂工况服役条件下的损伤机制相互关联，在研究激光熔覆高温合金强化层的过程中，难以制备同时具有高耐磨、耐腐蚀及自润滑等性能的合金。另外，合金中耐磨、耐腐蚀与自润滑对应相的数量、尺寸、分布等决定着制备合金的综合性能。而要实现这些相的科学匹配，面临着诸多问题，如合金成分创新设计、激光熔覆组织演化与性能提升机理等，需要进一步深入系统研究才能解决。因此，研究同时具有耐磨、耐腐蚀及自润滑等高性能的新型合金及激光熔覆先进理论与技术具有重要科学研究与实际应用价值。
2、目前，国内外研究者在改善合金耐磨性能方面往往是通过添加合金元素(cr,ni,w,ta,mo)、外加增强相(wc,tac,nbc,m7c3,tic)和润滑剂(crs,ws2,mos2,tis,cu,ag)来实现的。但是，要突破耐磨、耐蚀及自润滑性能的相互匹
3、镍基高温合金的耐磨性能与m23c6、m7c3、tic、tac、wc的添加有关，形成了颗粒增强硬度与耐磨性能效果。而自润滑研究方面主要通过在合金粉末外加或者原位生成自润滑相如石墨、mos2、caf2、mn+1axn等来改善高温镍基合金的自润滑性能。其中ti2sc是mn+1axn相的一类特殊材料，其密度低、维氏硬度高(8±2gpa)，具有独特的陶瓷和金属性质。另外，ti2sc还具有良好的自润滑和抗腐蚀性能。因此，如何在耐磨、耐腐蚀的镍基高温合金中原位生成ti2sc相是制备具有良好高温耐磨、耐腐蚀与自润滑性能合金的关键所在。
4、综上所述，尽管人们已在激光熔覆耐磨、耐腐蚀及自润滑高温镍基合金的成分设计与熔覆组织性能调控等方面取得了重要成果。但是，基于冶金关键零件在高温800～1200℃复杂服役工况时出现的多种失效形式，需要创新研究设计方法与激光熔覆制备技术才能因应解决。近年来，在激光增材制造高性能零件用合金粉末的成分设计方面，材料基因设计方法已经成为具有快捷、科学与有效的创新设计高性能合金成分的新方法之一，在耐磨与耐腐蚀铁基合金粉末的设计与激光熔覆制备高性能合金粉末已经取得了进展。但是，迄今，基于冶金行业“热-力-流”复杂工况下摩擦零件的激光熔覆合金粉末的材料基因设计及制备方法的研究还是一个崭新课题。因此，采用材料基因设计方法研究出基于激光熔覆兼具高温耐磨、耐蚀及自润滑性能的新型nicrcoaltiwcs合金基因设计与制备方法，能为激光增材制造与再制造满足“热-力-流”复杂工况多损伤失效的关键零件提供重要的理论与技术支持。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的瓶颈问题，本专利技术基于冶金行业“热-力-流”复杂工况下摩擦零件普遍存在的多种失效导致的服役寿命低的难题，创新研究设计一种激光熔覆高温耐磨耐蚀及自润滑性能的新型nicrcoaltiwcs合金基因设计与制备方法；以耐磨、耐腐蚀与自润滑等三基因相组织设计为思想，研究构建基于800～1200℃服役条件下具有高耐磨、耐腐蚀与自润滑等性能的新型高温镍基合金粉末成分设计系统，阐明激光熔覆设计合金的成形性与基因组织对性能的影响规律，在冶金零件材料表面进行激光熔覆，获得不仅具有良好激光成形性，而且具有优异高温耐磨耐蚀与自润滑性能合金的先进方法，为冶金行业装备关键零件修复和再制造奠定重要工作基础。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种高温耐磨耐蚀及自润滑nicrcoaltiwcs合金的基因设计，所述基因设计包括：定义关键基因相，建立合金粉末成分的数据库系统，建立理论预测模型，依据筛选标准设计出与所述关键基因相匹配的目标合金粉末成分；其中，所述关键基因相包括耐磨关键基因相、耐腐蚀关键基因相和自润滑关键基因相。
3、基于冶金行业高温服役摩擦零件所需要的耐磨、耐蚀与自润滑性能，构建了耐磨、耐蚀与自润滑等关键基因相；建立了4191264种设计合金粉末成分的数据库系统，具有依据筛选标准设计出激光熔覆高温耐磨耐蚀与自润滑等三相关键基因组织匹配目标合金粉末成分的功能；在优化激光熔覆参数下制备的合金具有优异的高温耐磨、耐蚀与自润滑性能。
4、进一步的，所述耐磨关键基因相为m7c3、tic；所述耐腐蚀关键基因相为γ/γ′；所述自润滑关键基因相为ti2sc、tis。
5、进一步的，根据所述的关键基因相，确定nicrcoaltiwcs合金粉末的第一候选金属元素组成(质量百分含量)；所述合金粉末成分主要元素质量百分比含量范围为cr：7～17％、co：10～23％、al：7～12％、ti：0～10％、w：0～6％、c：0～2％、s：0～2％；c的步长设置为0.1，s的步长设置为0.5，其它元素的步长设置为1。
6、进一步的，建立不同含量各金属元素组成的nicrcoaltiwcs合金粉末成分的基础数据库；对所述数据库中不同nicrcoaltiwcs合金粉末成分的固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子进行计算并建立以固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子为坐标轴的三维模型，确定nicrcoaltiwcs合金粉末成分。
7、进一步的，所述固溶强化因子为co、cr、al、ti、w及c的固溶强化效果之和，取值范围为200～400；所述析出强化因子为m7c3、tic及ti2sc的析出强化效果之和，取值范围为200～700；总的强化因子为固溶强化因子与析出强化因子之和。
8、进一步的，优化出的激光熔覆用高温耐磨耐蚀自润滑性能的nicrcoaltiwcs合金粉末成分，主要由以下质量百分含量的金属元素组成，cr：15～17％、co：10～12％、al：7～9％、ti：4～6％、w：2～4％、c：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高温耐磨耐蚀及自润滑NiCrCoAlTiWCS合金的基因设计，其特征在于：定义关键基因相，建立合金粉末成分的数据库系统，建立理论预测模型，依据筛选标准设计出与所述关键基因相匹配的目标合金粉末成分；
2.根据权利要求1所述的基因设计，其特征在于，所述耐磨关键基因相为M7C3、TiC；所述耐腐蚀关键基因相为γ/γ′；所述自润滑关键基因相为Ti2SC、TiS。
3.根据权利要求2所述的基因设计，其特征在于，所述合金粉末成分各元素质量百分比含量范围为Cr：7～17％、Co：10～23％、Al：7～12％、Ti：0～10％、W：0～6％、C：0～2％、S：0～2％；C的步长设置为0.1，S的步长设置为0.5，其它元素的步长设置为1。
4.根据权利要求3所述的基因设计，其特征在于，建立不同含量各金属元素组成的NiCrCoAlTiWCS合金粉末成分的基础数据库；对所述数据库中不同NiCrCoAlTiWCS合金粉末成分的固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子进行计算并建立以固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子为坐标轴的三维模型，确定NiCrCoAlTiW
5.根据权利要求4所述的基因设计，其特征在于，所述固溶强化因子为Co、Cr、Al、Ti、W及C的固溶强化效果之和，取值范围为200～400；所述析出强化因子为M7C3、TiC及Ti2SC的析出强化效果之和，取值范围为200～700；总的强化因子为固溶强化因子与析出强化因子之和。
6.根据权利要求5所述的基因设计，其特征在于，优化出的激光熔覆用高温耐磨耐蚀自润滑性能的NiCrCoAlTiWCS合金粉末成分，主要由以下质量百分含量的金属元素组成，Cr：15～17％、Co：10～12％、Al：7～9％、Ti：4～6％、W：2～4％、C：1.8～2％、S：0.5～1.5％。
7.一种高温耐磨耐蚀及自润滑NiCrCoAlTiWCS合金的制备方法，其特征在于，根据优化出的合金粉末成分质量含量采用元素粉末混合法制备，所述混合法制备的参数为球料比3:5、转速为400r/min，机械混合7～9h，获得镍基合金粉末，所述镍基合金粉末的平均粒径为45～105μm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用的激光熔覆的优化参数为：预涂粉末层厚t为0.5mm，扫描间距d为2mm，搭接率为50％，激光能量密度50～200J/cm3。
9.一种如权利要求8所述方法制备的高温耐磨耐蚀及自润滑NiCrCoAlTiWCS合金，其特征在于，所述NiCrCoAlTiWCS合金主要由19.5～23vol.％的M7C3、TiC耐磨相，60～70vol.％的γ/γ′耐腐蚀相，7～14vol.％的TiS以及Ti2SC自润滑相组成；激光熔覆合金中原位生成了具有高温固体润滑的针状Ti2SC相，其中Ti2C层具有较强的共价Ti-C键，通过较弱的Ti-S相互交织，Ti-S层为其易滑移面。
10.根据权利要求9所述的高温耐磨耐蚀及自润滑NiCrCoAlTiWCS合金，其特征在于，所述NiCrCoAlTiWCS合金的致密度为98.5～99.8％，硬度为410～460HV0.2，800℃的摩擦系数为0.18～0.22，磨损率为2.20～2.45×10-5mm3/(N·m)，腐蚀电位为-0.16～-0.14V，腐蚀电流密度为1.0～1.4×10-7A/cm2。
...【技术特征摘要】
1.一种高温耐磨耐蚀及自润滑nicrcoaltiwcs合金的基因设计，其特征在于：定义关键基因相，建立合金粉末成分的数据库系统，建立理论预测模型，依据筛选标准设计出与所述关键基因相匹配的目标合金粉末成分；
2.根据权利要求1所述的基因设计，其特征在于，所述耐磨关键基因相为m7c3、tic；所述耐腐蚀关键基因相为γ/γ′；所述自润滑关键基因相为ti2sc、tis。
3.根据权利要求2所述的基因设计，其特征在于，所述合金粉末成分各元素质量百分比含量范围为cr：7～17％、co：10～23％、al：7～12％、ti：0～10％、w：0～6％、c：0～2％、s：0～2％；c的步长设置为0.1，s的步长设置为0.5，其它元素的步长设置为1。
4.根据权利要求3所述的基因设计，其特征在于，建立不同含量各金属元素组成的nicrcoaltiwcs合金粉末成分的基础数据库；对所述数据库中不同nicrcoaltiwcs合金粉末成分的固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子进行计算并建立以固溶强化因子、析出强化因子及硬度因子为坐标轴的三维模型，确定nicrcoaltiwcs合金粉末成分。
5.根据权利要求4所述的基因设计，其特征在于，所述固溶强化因子为co、cr、al、ti、w及c的固溶强化效果之和，取值范围为200～400；所述析出强化因子为m7c3、tic及ti2sc的析出强化效果之和，取值范围为200～700；总的强化因子为固溶强化因子与析出强化因子之和。
6.根据权利要求5所述的基因设计，其特征在于，优化出的激光熔覆用高温耐磨耐蚀自润滑性能的nicrcoaltiwcs合金粉末成分，主要由以下质量百...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈岁元，张有才，王悦，王婷，刘强，陈嘉璐，梁京，崔彤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：
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