一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层及其制备方法

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1.本发明涉及一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层及其制备方法；属于耐磨涂层涉及制备技术领域。

背景技术：

2.镍基自熔合金粉末,韧性好，耐强冲击，适用于抗氧化，耐热蚀，抗热疲劳和耐粘着磨损场合，焊层可直接用合金刀具进行切削加工。主要用于玻璃模具、各类成型模具、轴套、曲轴、铸铁件及机床导轨的修复及预保护堆焊。适用等离子喷焊，激光熔焊工艺。通过添加cr3c2，tic等碳化物硬质相可有效改善复合涂层的耐磨，耐高温性能，然而cr3c2颗粒容易分解，生成cr7c3和cr
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c6等碳化物，由于这两种碳化物的熔点和硬度更低，更加影响复合涂层的性能。碳化铬硬度较低，阻碍了进一步提升镍基复合涂层高温耐磨耐性能。通过添加碳化钛可提升镍基复合涂层的高温耐磨性能，然而碳化钛密度较低，与镍基元素润湿性也较差，影响碳化钛的添加量和应用。从目前公开的资料来看，如王光等在论文《ni
60-cr3c
2-wc/tic等离子堆焊层耐磨性能的研究》就尝试了采用粉末冶金的方式将ni60、wc、cr3c2和tic等混合粉末以一定的比例熔覆在基体表面。其研究发现采用50％的ni60+20％ cr3c2+10％tic通过等离堆焊，可以得到硬度最高为712.8hv的产品，但其所得产品60min的磨损量以及高大于200mg且涂层的表面和内部含有较多孔隙。同时周丹等人研究了《tic含量对激光熔覆铁基涂层特性的影响》(应用激光，2021.12)，其研究发现tic的引入量在30％时，激光熔覆的产品硬度可达1400hv，但其表面存在明显裂纹。如何引入更多的碳化钛并确保涂层不开裂成为目前急需解决的问题。尤其是如何制备出碳化钛含量高、性能优越且涂层不开裂或孔隙极小的相关技术成为目前急需解决的技术问题。

技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的不足，提出一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层及其制备方法。本发明首次提出一种含不同尺寸硬质相的涂层及其制备方法。该涂层在硬质相含量大于60％时，涂层的表面质量良好，且力学性能较为优越。本发明一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；所述涂层包括粘结相和硬质相；所述粘接相为镍基自熔合金镍铬合金；所述粘结相占涂层总质量的15-70％；
4.所述硬质相所用原料包括0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-50μm的粗颗粒碳化钛；所述0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末包覆在20-50μm的粗颗粒碳化钛的表面；在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的10-35wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的5-45％。作为优选，硬质相占涂层总质量的50％及以上。且硬质相占涂层总质量的50％及以上时，涂层不存在明显裂纹。甚至硬质相占涂层总质量的60％～75％时，涂层不存在明显裂纹。
5.作为优选，在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的15-30wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的30-45％。
6.作为进一步的优选；在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的23-30wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的35-45％。或在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的15wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的35-45％。
7.作为优选，本发明一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；所述粘接相以质量比计有下述组分构成：
8.cr5-15％
9.b1-5％
10.si1-5％
11.c 0.1-1％
12.fe 1-5％，余量为ni。
13.作为进一步的优选，所述粘接相优选为ni25a镍基合金。作为更进一步的优选，所述ni25a镍基合金中，cr的含量为7.5-8wt％、b的含量为1.5-1.65wt％、si的含量为3-3.5wt％、c的含量为0.007-0.15wt％、fe的含量为2.5-3wt％。
14.作为进一步的优选，硬质相占涂层总质量的60％～75％，且tic的含量为35-45％时，涂层不存在明显裂纹。
15.本发明一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层，包括下述步骤：
16.步骤一
17.按设计组分配取粘结相粉末、0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-200μm的粗颗粒碳化钛；
18.步骤二
19.先将配取的0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-200μm的粗颗粒碳化钛；通过滚覆设备制备核壳结构复合粉；滚覆时控制转速500-700rpm/min；时间大于等于25min；
20.步骤三
21.再将配取的粘结相粉末加入，与步骤二所得核壳结构复合粉继续混合，此时控制转速为20转/min、时间为2-4小时；得到混合粉末；
22.步骤四
23.以步骤三所得混合粉末为原料，在基底上采用等离子堆焊制备涂层。
24.粗颗粒碳化钛的粒径优选为20-50μm。
25.在工业上应用，为了提升滚覆效果可以引入少量粘结剂，所述粘结剂选自丙烯酸树脂、聚乙二醇异丙醇、聚乙二醇中的至少一种，引入粘结剂后就需要进行烘干；其他操作可以用现有滚覆工艺参数。
26.作为优选，当粗颗粒碳化钛的粒径为20-50μm时，核壳结构复合粉的粒径优选为50-200μm。
27.本发明一种含不同尺寸硬质相的涂层的制备方法，等离子堆焊制备涂层时，控制功率为10-15kw，电流为80-140a，摆动距离为12-16mm，送粉量为70-90g/min，主轴转数0.02-0.05r/min，搭接率4-5mm。
28.所述粘结相粉末的粒径为20-200μm、进一步优选为20-150μm。
29.所述基底选自碳钢、合金钢、模具钢、不锈钢等中的一种。
30.本发明采用0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末作为包覆材料、以20-50μm的粗颗粒碳化钛作为核；通过二者的尺寸匹配；在滚覆工艺下，实现了包覆材料较为完整的包覆了核。然后再引入粘结相粉末可以解决碳化钛与粘接相润湿性差的问题，进而为大批量引入碳化钛且不造成涂层开裂提供了必要条件。
31.本发明所设计和制备的含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层，其测试摩擦磨损性能时，对偶的材质为si3n4；载荷为50n；测试时间为60min，；摩擦半径5mmmm－u10g型磨损试验机；
32.其摩擦系数为0.5-0.765；磨损量为0.5mg-0.8mg。经优化后，其摩擦系数为0.5-0.75；磨损量为0.5mg-1.2mg。已经远远优于现有技术《ni
60-cr3c
2-wc/tic等离子堆焊层耐磨性能的研究》所能达到的效果。
附图说明
33.附图1为实施例1所得涂层的放大50倍的表征图，
34.附图2为实施例1所得涂层的放大500倍的表征图，
35.附图3为实施例1所得涂层的放大100000倍的表征图，
36.附图4为实施例2所得涂层的放大500倍的表征图，
37.附图5为实施例3所得涂层的放大500倍的表征图，
38.附图6为实施例4所得涂层的放大500倍的表征图，
39.附图7为实施例5所得涂层的放大500倍的表征图，
40.附图8为实施例6所得涂层的放大500倍的表征图，
41.附图9为实施例7所得涂层的放大500倍的表征图，
42.附图10为实施例8所得涂层的放大500倍的表征图，
43.附图11为实施例9所得涂层的放大500倍的表征图，
44.附图12为实施例10所得涂层的放大500倍的表征图，
45.从图1、2、3中可以看出，实施例1所得涂层不存在明显裂纹。
46.从图4-12中可以看出，本发明实施例2-10所得涂层均不存在明显裂纹。这说明本发明的设计思路和方案，从跟上解决了等离子堆焊制备含碳化钛的镍基复合涂层时容易开裂的问题，尤其是解决了高碳化钛的镍基复合涂层容易开裂的问题。
具体实施方式
47.本发明实施例1-10中造粒粉末通过下述工艺制备：
48.步骤一
49.按设计组分配取粘结相粉末(占全部粉末质量的25-70wt％)(粒径为20-150μm)、20-50μm的粗颗粒碳化钛(占全部粉末质量的5-45wt％)；余量为0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末(占全部粉末质量的15-30wt％)。(具体配比见表1)
50.步骤二
51.先将配取的0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-50μm的粗颗粒碳化钛；用滚覆设备造粒混合均匀，得到混合粉末1；滚覆时控制转速500-700rpm/min；时间为35min；
52.步骤三
53.再将配取的20-150μm的微米级镍基元素粉末加入到混合粉末1中，继续混合，此时控制转速为18转/min、时间为3-6h；得到混合粉末2；
54.以碳钢作为基底进行等离子堆焊。等离子堆焊工艺的参数为：
55.功率为17kw；
56.电流120a，延时转数75转；
57.单道次水平2mm/s；
58.多道次摆动距离15mm，搭接4mm，摆动速度14.0mm/s；
59.外圆主轴转数0.03r/min，焊接送粉量75g/min；
60.初始半径57,mm，焊接长度15mm；
61.内圆主轴转数0.05r/min；送粉气体采用氩气。
62.保护气体采用氩气保护。ni25a成分表如下：
63.ni25a成分表
[0064][0065]
表1
[0066][0067]
对实施例1-10所得产品进行摩擦磨损性能测试；测试摩擦磨损性能时，对偶的材质为si3n4，对磨偶件硬度hv2090；载荷为50n；测试时间为60min，摩擦半径5cm；mm－u10g型
磨损试验机；所得产品的结果见表2；
[0068]
表2
[0069]
测试温度样品编号摩擦系数磨损量mg室温实施例10.651.20室温实施例20.630.80室温实施例30.621.07室温实施例40.70.97室温实施例50.580.80室温实施例60.550.77室温实施例70.510.57室温实施例80.650.50室温实施例90.570.53室温实施例100.510.57室温实施例110.590.70
[0070]
对比例1
[0071]
其他条件和实施例5一致，不同之处在于全部采用8-12微米的原料；所得产品的摩擦系数约为0.65；磨损量大于20mg。

技术特征：

1.一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：所述涂层包括粘结相和硬质相；所述粘接相为镍基自熔合金镍铬合金；所述粘结相占涂层总质量的15-70％；所述硬质相所用原料包括0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-200μm的粗颗粒碳化钛；所述0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末包覆在20-50μm的粗颗粒碳化钛的表面；在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的10-35wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的5-45％。2.根据权利要求1所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的15-30wt％，粗颗粒碳化钛的粒径为20-50μm；20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的30-45％。3.根据权利要求2所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的23-30wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的35-45％；或在制备涂层时，0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末用量为所有粉末用量总质量的15wt％，20-50μm的粗颗粒碳化钛的用量为所有粉末用量总质量的35-45％。4.根据权利要求1所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：所述粘接相以质量比计有下述组分构成：cr5-15％b1-5％si1-5％c 0.1-1％fe 1-5％，余量为ni。5.根据权利要求1所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：所述粘接相优选为ni25a镍基合金。6.根据权利要求1所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层；其特征在于：所述ni25a镍基合金中，cr的含量为7.5-8wt％、b的含量为1.5-1.65wt％、si的含量为3-3.5wt％、c的含量为0.007-0.15wt％、fe的含量为2.5-3wt％。7.一种如权利要求1-6任意一项所述的含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层的制备方法；其特征在于：包括下述步骤：步骤一按设计组分配取粘结相粉末、0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-200μm的粗颗粒碳化钛；步骤二先将配取的0.6-1.0μm的亚微米级碳化铬粉末、20-200μm的粗颗粒碳化钛；通过滚覆设备制备核壳结构复合粉；滚覆时，控制转速为500-700rpm/min；时间大于等于25min；步骤三再将配取的粘结相粉末加入，与步骤二所得核壳结构复合粉继续混合，此时控制转速为20转/min、时间为2-4小时；得到混合粉末；
步骤四以步骤三所得混合粉末为原料，在基底上采用等离子堆焊制备涂层。8.根据权利要求7所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层制备方法，其特征在于：等离子堆焊制备涂层时，控制功率为10-15kw，电流为80-140a，摆动距离为12-16mm，送粉量为70-90g/min，主轴转数0.02-0.05r/min，搭接率4-5mm。9.根据权利要求7所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层制备方法，其特征在于：所述粘结相粉末的粒径为20-200μm、进一步优选为20-150μm。10.根据权利要求7所述的一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层制备方法，其特征在于：所述基底选自碳钢、模具钢、不锈钢等中的一种。

技术总结

本发明涉及一种含碳化铬包覆碳化钛的镍基复合涂层及其制备方法；属于耐磨涂层涉及制备技术领域。所述涂层包括粘结相和硬质相；所述粘接相为镍基自熔合金镍铬合金；所述硬质相所用原料包括0.6-1.0μm的碳化铬粉末、20-200μm的碳化钛；所述碳化铬粉末包覆在碳化钛的表面；在制备涂层时，碳化铬粉末用量为原料总质量的10-35wt％，碳化钛的用量为原料总质量的5-45％。其制备方法为：按设计组分配取各种粉末；然后先将碳化铬包覆在碳化钛上，然后再加入粘结相粉末；搅拌均匀，最后采用采用等离子堆焊制备涂层。本发明涂层内部组分设计合理，制备工艺简单可控，所得产品性能优良，首次解决了含高比例碳化钛的镍基涂层采用堆焊工艺制备时极易开裂的问题。艺制备时极易开裂的问题。艺制备时极易开裂的问题。