一种碳化钛增强涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种在铸铁表面的碳化钛增强涂层及其制备方法，其制备步骤包括：称取钛粉、镍粉、铝粉、碳化铬粉、硅铁粉、钒铁粉和稀土矿粉，其重量比为50‑90:3‑30:1‑5：0.1‑3:0‑5:0‑3:0‑3；将混合粉末研磨混合均匀后烘干；将混合粉末通过预置、同步供粉或预喷涂的方法，施加于预处理的铸铁工件表面；用激光辐照工艺，激光束辐射铸铁工件，在铸铁工件表面获得碳化钛增强涂层。本发明专利技术制备的增强涂层、涂层与基底之间的过渡区中均没有石墨相，涂层与基底相之间的过渡区中没有Ti元素，TiC呈颗粒状均匀分布在涂层中，涂层显微硬度是基底的五倍，制备过程简单，成本低，适用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料表面改性
，具体涉及一种在铸铁表面的碳化钛增强涂层及其制备方法。
技术介绍
铸铁制造成本低，具有铸造性、减振性、耐磨性和切削加工性优良，缺口敏感性低、导热性良好等特点，常用来制作大型铸件和外部形状或内腔形状复杂的零部件。但是，铸造组织疏松、石墨的割裂效应和孔洞效应等，致使铸铁的抗拉强度、韧性和抗疲劳性能等远低于钢。另外，含碳量高使得铸铁可焊性很差，铸件磨损后很难通过焊接工艺进行修补和连接。激光合金化技术是一种金属材料表面强化技术。通过激光束和材料的交互作用，将能量快速传递给材料原子并转化为热能，以很高的加热速度和温度梯度分布形成激光熔池，并在激光束离开后快速冷却和凝固。在激光熔池的形成和存在时间内，把需要合金化的化学成分直接或间接的加入到激光熔池中，并与基体熔池中的化学成分快速的混合均匀后，再在激光熔池的凝固中与基体材料合金化，最终在基体表面形成冶金结合的，具有一定厚度和特定性能特点的表面强化层。激光表面加工在铸铁表面的应用也受到人们的研究和关注，现有技术中，激光表面加工对于铸铁表面修复或增强的工艺主要有激光相变淬火和激光熔覆。但是，由于铸铁含碳量甚高，基于进一步提高强硬度的常规激光相变淬火和激光熔覆，在残余应力和高含碳量作用下，对裂纹敏感性较大，质量均匀性不高，难以大面积制造。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在铸铁表面制备获得的碳化钛增强涂层，用于修补铸铁工件的磨损及强化铸铁件的表面性能，合金化粉料将铸铁中的石墨和一部分化合碳，在激光熔池中通过化学反应生成为碳化钛增强相，不仅降低了涂层基体组织的含碳量，提高了涂层的塑韧性，降低了涂层对裂纹的敏感性。同时，在激光熔池中原位反应形成的碳化钛增强相，与基体组织间相容性好，界面结合强度高，显著增强了涂层的强硬度。本专利技术的另一个目的是提供一种在铸铁表面制备碳化钛增强涂层的粉料和方法，该工艺简单、成本低、效率高、适用性强。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳化钛增强涂层，其特征在于：该增强涂层中的各元素的质量百分含量为，Ti元素：50％～90％，Ni元素：3％～30％，Al元素：1％～5％，V元素：0％～3％，Cr元素：0％～5％，C元素：0.02％～2％，Si元素：0％～3％，稀土元素：0％～3％。优选的，该增强涂层中的各元素的质量百分含量为，Ti元素：75～90％，Ni元素：7％～20％，Al元素：1％～3％，V元素：0％～1％，Cr元素：0％～1％，C元素：0.02％～1％，Si元素：1％～2.5％，稀土元素：0％～0.5％。上述碳化钛增强涂层的制备方法，其步骤包括：(1)、称取钛粉、镍粉、铝粉、碳化铬粉、硅铁粉、钒铁粉和稀土矿粉，其重量比为50-90:3-30:1-5：0.1-3:0-5:0-3:0-3；(2)、将步骤(1)的混合粉末研磨混合均匀后烘干；(3)、将混合粉末通过预置、同步供粉或预喷涂的方法，施加于经过预处理的铸铁工件表面；(4)、采用激光辐照工艺，激光束辐射步骤(3)中的铸铁工件，激光辐射完成后，在铸铁工件表面获得碳化钛增强涂层；所述激光辐照工艺为，功率设定为2.2KW，扫描速度9mm/sec，激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头侧轴同步纯氩气流保护。优选的，所述步骤(1)中的钛粉、镍粉、铝粉、碳化铬粉、硅铁粉、钒铁粉和稀土矿粉的重量比为70-90：5-20：1-3：0.5-2：2：0.02-0.5：0.02-0.5。该混合粉末在铸铁激光熔池中，与基体中的碳原子通过化合反应，形成碳化物增强粒子，制备碳化钛增强的金属基复合涂层，该涂层的硬度高，用于修补铸铁工件的磨损，或强化铸铁件的表面性能。所述步骤(2)中，将混合粉末研磨成粒径为小于100目的粉体，烘干温度为50-150℃。所述步骤(3)中，铸铁工件预处理的方法为，去除铸铁工件表面油污和锈层，清洗并机械研磨至铸铁表面清洁；冷风吹干或擦拭干净，避免氧化。所述步骤(3)中，将混合粉末通过预置的方法，施加于经过预处理的铸铁工件表面的过程为，将混合粉末均匀预置在经过预处理的铸铁工件表面，并对铸铁表面的粉体进行静态冷压，使粉层厚度控制在0.5mm-1.2mm。优选的，粉层厚度控制在1.2mm，有利于涂层的硬度的增加。所述步骤(4)中的激光辐照工艺为，激光功率为2.2KW，扫描速度9mm/sec，激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头侧轴同步纯氩气流保护。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)、本专利技术提出的激光辐照工艺方法，充分利用激光熔池的对流传质效应，使得熔化基底中的碳元素与钛元素均匀混合，化学反应合成TiC增强相的同时，有效减少合金化区域基体相中的含碳量。(2)、在激光熔池中，利用基底材料中的石墨或碳原子，通过化学反应合成增强相，增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，与基体间相容性好，界面结合强度高；反应合成的增强相颗粒尺寸细小，增强效应显著；增强体在基体中直接生成，省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，复合工艺简单，成本相对较低；通过反应，在基体内部生成了相对均匀分散的增强体，增强体与基体近似处于平衡状态；低能量界面使原位复合材料的本质上处于稳定状态；有效降低涂层基体相的含碳量，改善和提高涂层的塑韧性，使得涂层能够容忍更高的残余应力水平，降低涂层出现裂纹的可能性。(3)、本专利技术制备的增强涂层的硬度高，涂层、涂层与基底之间的过渡区中均没有石墨相，涂层与基底相之间的过渡区中也没有Ti元素的存在。涂层中TiC相是基底的石墨和外加合金化元素钛在激光熔池中反应合成的，TiC呈颗粒状，均匀分布在涂层中，涂层显微硬度是基底的五倍。(4)本专利技术工艺方法提供一种在铸铁表面制备碳化钛增强涂层的方法适用于球墨铸铁、灰铸铁、蠕墨铸铁等铸铁材料或工件表面的强化或修复再制造，工艺简单、成本低、效率高、适用性强，具有较强的工业应用潜力和市场竞争力。附图说明图1为实施例1的碳化钛增强涂层截面的宏观形貌图。图2为实施例1的碳化钛增强涂层截面的微观形貌图。图3为实施例1的碳化钛增强涂层的X射线衍射分析结果图。图4为实施例1中碳化钛增强涂层横截面的显微硬度测试结果。图5为专利技术实施例1的过渡区的微观形貌(a)及能谱线分析结果(b)。图6为实施例2中的碳化钛增强涂层截的宏观形貌。具体实施方式...

【技术保护点】
一种碳化钛增强涂层，其特征在于：该增强涂层中的各元素的质量百分含量为，Ti元素：50％～90％，Ni元素：3％～30％，Al元素：1％～5％，V元素：0％～3％，Cr元素：0％～5％，C元素：0.02％～2％，Si元素：0％～3％，稀土元素：0％～3％。

【技术特征摘要】
1.一种碳化钛增强涂层，其特征在于：该增强涂层中的各元素的质量百
分含量为，Ti元素：50％～90％，Ni元素：3％～30％，Al元素：1％～5％，V
元素：0％～3％，Cr元素：0％～5％，C元素：0.02％～2％，Si元素：0％～3％，
稀土元素：0％～3％。
2.根据权利要求1所述的碳化钛增强涂层，其特征在于：该增强涂层中
的各元素的质量百分含量为，Ti元素：75～90％，Ni元素：7％～20％，Al元
素：1％～3％，V元素：0％～1％，Cr元素：0％～1％，C元素：0.02％～1％，
Si元素：1％～2.5％，稀土元素：0％～0.5％。
3.根据权利要求1或2所述的碳化钛增强涂层的制备方法，其步骤包括：
(1)、称取钛粉、镍粉、铝粉、碳化铬粉、硅铁粉、钒铁粉和稀土矿粉，
其重量比为50-90:3-30:1-5：0.1-3:0-5:0-3:0-3；
(2)、将步骤(1)的混合粉末研磨混合均匀后烘干；
(3)、将混合粉末通过预置、同步供粉或预喷涂的方法，施加于经过预处
理的铸铁工件表面；
(4)、采用激光辐照工艺，激光束辐射步骤(3)中的铸铁工件，激光辐
射完成后，在铸铁工件表面获得碳化钛增强涂层；
所述激光辐照工艺为，功率设定为2.2KW，扫描速度9mm/sec，激光光斑
尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁康荐，刘延辉，李忠文，瞿伟成，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31