本发明专利技术属于金属陶瓷材料技术领域，具体公开了一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用。该陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；其中：第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 78‑84%、稀土金属氧化物1‑2%、第一增强剂5‑10%、Cu8‑12%；第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 83‑89%、第二增强剂10‑15%、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;1‑2%；第一增强剂为Ti和/或Si，第二增强剂为TiC和/或SiC。本发明专利技术具有良好的冶金结合，抑制了涂层中粗大的脆性硬质相的形成，细化晶粒，改善涂层硬脆性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属陶瓷材料，尤其涉及一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用。
技术介绍
1、铜及铜合金因具有优异的导电、导热性能及高塑性, 被广泛应用于电子电气、冶金工业、航空航天等领域。然而，当铜及铜合金作为苛刻工况下的零件材料时, 如冶金生产中的连铸结晶器，直接使用很难满足耐磨的工况要求。采用表面强化技术在铜及其合金表面制备防护涂层对于提高涂层与基体的结合强度，赋予材料表面新的功能具有独到的优越性。
2、ni60自熔性合金粉末具有耐磨、耐蚀、抗热等优异的综合性能，是一种广泛应用的表面熔覆材料，采用激光表面熔覆技术将其涂敷在机器零件的易损部位，形成耐磨、耐蚀层，可以大大延长机器设备的使用寿命，提高生产效率，但ni60激光熔覆层易开裂仍然是制约该技术走向工业化应用的一个重要因素。
3、有研究表明，ni60这类物相复杂且分布不均的高脆硬性涂层，仅通过降低热膨胀系数差异尚不足以缓解残余内应力造成的开裂问题，需从降低温度与改善涂层硬脆性两方面来考虑裂纹抑制。
4、因此，亟需从降低温度与改善涂层硬脆性两方面入手，研发一种ni60基金属防护涂层，使之有较低的开裂敏感性，从而提高涂层的硬度和耐磨，以更好地适应恶劣的应用工况。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层及其制备方法与应用，所述梯度涂层可有效抑制涂层的开裂敏感性，并提高涂层的硬度和耐磨。
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p>2、为解决上述技术问题，本专利技术的第一方面提供了一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni60 76-86%、稀土金属氧化物 1-2%、第一增强剂5-10%、cu 8-12%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni60 83-89%、第二增强剂10-15%、al2o31-2%；所述第一增强剂为ti和/或si，所述第二增强剂为tic和/或sic。3、具体地，本专利技术以ni60合金粉末为主要原料，并在与铜基板直接相连的第一梯度层中添加一定量的稀土金属氧化物、第一增强剂（ti和/或si）以及cu，最外层的第二梯度层中则添加一定量的第二增强剂（tic和/或sic）以及al2o3，形成不同组分和结构的梯度涂层。其中：ni60合金粉末具有较高的硬度和耐磨性，但同时ni60合金粉末中大量的ni元素与fe、c、b等元素在激光熔覆的过程中将结合形成脆性碳化物相。而第一梯度层中添加的稀土氧化物有利于细化晶粒，减少裂纹；第一增强剂ti和/或si的加入与游离的c元素原位合成增强相，从而抑制碳化物脆性相的产生，进行降低涂层的开裂图趋势；cu元素的加入增强涂层的韧性，进一步降低涂层的开裂敏感性。第二梯度层中添加的碳化物陶瓷增强相不仅可增强ni60，还可与第一梯度层形成良好的过渡，并可预防性能突变，降低涂层的开裂敏感性，在一定程度上还有利于提高涂层的综合性能；且在激光熔覆过程中，al2o3独特的立方体结构可以增加异质成核点，抑制涂层中块状的脆性硬质相的形成，而形成的较小的硬质相弥散分布在韧性相中，这些较小的硬质相不容易脱落，可很好的起到均匀载荷和减摩抗磨作用。同时，ni与cu都是面心立方结构，二者可以通过置换晶粒内的原子而实现无限固溶，且ni与cu 的润湿性好、热物参数相近，ni60可与铜基板形成具有良好界面结合性能的覆层。
4、因此，本专利技术通过对各梯度层的原料进行优选并合理复配，使不同涂层间呈梯度连续过渡变化，消除了组织性能突变，使其具有良好的冶金结合，有效抑制涂层中粗大脆性硬质相的形成，细化晶粒，改善了涂层的硬脆性，进而提高了涂层的整体性能。
5、作为上述方案的进一步改进，所述稀土金属氧化物选自y2o3、ceo2、la2o3中的至少一种。
6、作为上述方案的进一步改进，所述ni60的化学组成，按重量百分比计为：c 0.6-1.0%、cr 14-17%、b 2.5-4.5%、si 3-4.5%、fe≤15%，杂质≤0.7%，余量为ni。ni60的主要成分为ni元素，在激光熔融过程中可与其他元素形成固溶体，在减少气孔产生的同时，提高涂层的综合性能。
7、作为上述方案的进一步改进，所述ni60的粉末粒度为150-300目。涂层的裂纹率与激光熔覆的激光功率密度成正比，通过控制ni60的粒径，可有效控制激光功率密度，减小热输入量。
8、作为上述方案的进一步改进，所述cu的粉末粒度为150-300目。
9、作为上述方案的进一步改进，所述稀土金属氧化物的粉末粒度为140-270目。
10、作为上述方案的进一步改进，所述第一增强剂的粉末粒度为100-270目。
11、作为上述方案的进一步改进，所述第二增强剂的粉末粒度为100-200目。
12、作为上述方案的进一步改进，所述al2o3的粉末粒度为140-270目。
13、作为上述方案的进一步改进，所述第一梯度层的厚度为0.5-0.7mm，所述第二梯度层的厚度0.6-0.8mm。采用不同厚度的梯度层熔覆于铜基板表面，不仅有利形成梯度结构变化，而且较薄梯度层有利于降低温度，减少涂层开裂倾向。
14、本专利技术第二方面提供了本专利技术第一方面所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
15、（1）将第一梯度层和第二梯度层的制备原料分别在真空氛围中进行研磨，真空干燥后，得第一预混料和第二预混料；
16、（2）在平顶辅助激光束和超声辅助下，采用激光熔覆的方法在铜基板表面依次熔覆所述第一预混料和第二预混料，形成第一梯度层和第二梯度层，得所述陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层。
17、作为上述方案的进一步改进，所述平顶辅助激光束的功率为1500-2000w。
18、具体地，在熔覆过程中，由于铜基板的高反性，导致激光功率很高，而铜基板具有良好的导热性，所以熔覆层顶部与熔覆层底部靠近基板处温度相差很大，极大的增加了涂层的开裂趋势，平顶辅助激光束使激光熔覆过程出现明显的预热缓冷特征，能够有效降低熔覆层温度梯度，有效降低涂层的开裂敏感性。
19、作为上述方案的进一步改进，所述超声辅助的频率为20-40khz。
20、具体地，超声辅助能使熔覆层截面形貌发生变化，同时抑制熔覆层内裂纹的产生。在超声波的空化效应和声流效应共同作用下，熔覆层晶粒尺寸细化，超声波的“空化微流”和声流效应增强了熔池内流体的流动性，同时超声波扰乱了熔池内流体的流动方向，从而促使熔覆层内元素分布更加均匀，且界面效应降低。
21、作为上述方案的进一步改进，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为3000-3500w，光斑直径为2-4mm，光斑扫描速度为8-10mm/s，送粉速率为2-5g/min，粉盘转速0.3-0.6 r/min，搭接率为40本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni6076-86%、稀土金属氧化物 1-2%、第一增强剂5-10%、Cu 8-12%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：Ni60 83-89%、第二增强剂10-15%、Al2O3 1-2%；所述第一增强剂为Ti和/或Si，所述第二增强剂为TiC和/或SiC。
2.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述稀土金属氧化物选自Y2O3、CeO2、La2O3中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述Ni60的化学组成，按重量百分比计为：C 0.6-1.0%、Cr 14-17%、B 2.5-4.5%、Si 3-4.5%、Fe≤15%，杂质≤0.7%，余量为Ni。
4.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述Ni60的粉末粒度为150-300目。
5.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述第一梯度层的厚度为0.5-0.7mm，所述第二梯度层的厚度0.6-0.8mm。
6.一种如权利要求1至5任意一项所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述平顶辅助激光束的功率为1500-2000W；和/或，所述超声辅助的频率为20-40KHz。
8.根据权利要求6所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为3000-3500W，光斑直径为2-4mm，光斑扫描速度为8-10mm/s，送粉速率为2-5g/min，粉盘转速0.3-0.6 r/min，搭接率为40%，激光头角度为2-4°，载粉气流为4-6L/min的氩气。
9.根据权利要求6所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层的制备方法，其特征在于，在进行所述激光熔覆前还包括对所述铜基板进行预热的步骤，所述预热的温度为300-500℃。
10.权利要求1至5任意一项所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层在防护涂层中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，包括依次激光熔覆于铜基板表面的第一梯度层和第二梯度层；所述第一梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni6076-86%、稀土金属氧化物 1-2%、第一增强剂5-10%、cu 8-12%；所述第二梯度层的原料组分，按重量百分比计包括：ni60 83-89%、第二增强剂10-15%、al2o3 1-2%；所述第一增强剂为ti和/或si，所述第二增强剂为tic和/或sic。
2.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述稀土金属氧化物选自y2o3、ceo2、la2o3中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述ni60的化学组成，按重量百分比计为：c 0.6-1.0%、cr 14-17%、b 2.5-4.5%、si 3-4.5%、fe≤15%，杂质≤0.7%，余量为ni。
4.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其特征在于，所述ni60的粉末粒度为150-300目。
5.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料梯度涂层，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹晟，曹勇，蒙雪江，李翰年，蒙礼钜，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：
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