一种利用激光多层熔覆技术在铁基材料表面制备具有梯度功能的Ｎｉ基纳米ＷＣ／Ｃｏ复合涂层的方法，该方法包括下列步骤：①对铁基材料即工件的表面预处理，②混合粉末配制，③涂层制备，④采用高功率激光数控机床对工件进行激光多层熔覆，激光功率密度为３．２×１０５Ｗ／ｃｍ２～４×１０５Ｗ／ｃｍ２的光束对工件进行辐照，激光辐照时间为０．２～０．３５秒，熔覆后室温下自然冷却。实验表明，本发明专利技术复合涂层具有极佳的耐磨损和抗断裂性能，具有梯度功能材料与复合材料的双重优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光表面处理，特别是一种利用激光多层熔覆技术在铁基材料表面制 备具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层的方法。
技术介绍
铁基材料是应用最为广泛的结构材料，随着现代工业的高速发展，对铁基材料的 要求也越来越高，许多场合亟需高温、高速、磨蚀、氧化等苛刻条件下工作的结构件，而现有 铁基材料越来越难以满足实际的需要，因此，研制和开发性能优异，价格低廉的铁基复合材 料便显得十分迫切和重要。在先进制造业中，材料的失效通常是从表面开始的，许多性能的要求也是针对表 面而言的，通常只需对材料进行表面改性强化，即可达到所需性能的要求。铁基复合材料通 常是作为耐磨、耐热、耐蚀材料开发应用的，考虑到整体复合成本较高，因此，开展对铁基表 面复合材料的研究就极具工程意义和实用价值。涂层技术是制备铁基表面复合材料的重要途径。传统的涂层技术有PVD、CVD、表 面化学热处理、热喷涂、电镀、化学镀等，但这些方法都存在工艺复杂，生产周期长、成本高 或设备要求高等缺点。激光熔覆是一种新型的涂覆层技术，涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多门学 科，是激光表面改性技术最重要的核心技术之一。由于该技术制备的熔覆层可以显著改善 基体表面的耐磨、耐蚀、抗高温氧化和抗疲劳等综合性能，从而达到表面改性或修复的目 的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和 气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多等 优点。目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性和耐腐蚀性，即在材料表面熔覆一层 具有特殊性能的合金层，以改变母材表面性能。激光多层熔覆是指在单层熔覆层上预涂覆 合金粉末后或直接送粉，再重复一次或多次熔覆的工艺过程，由于激光单层熔覆对于确定 的激光工艺参数只能达到一定的极限厚度。这样做的目的是通过多次熔覆来增加熔覆层的 厚度、快速零件制造或制备梯度功能新材料。纵观自然界生体千百万年来为适应生存的环境而逐渐进化形成最适应环境变化 的梯度组织，这是一种高度进化的结构形式，可以说当今开发梯度功能材料正是受到生体 材料的启发，有人称梯度材料是材料开发的一种最终形态。从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种 (或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界 面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。梯度功能复合涂层具有梯度功能材料与复合材料的双重优点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有激光单层熔覆技术的不足，提供一种具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层的制备方法，以使工件获得极佳的耐磨损和抗断裂性能，具 有梯度功能材料与复合材料的双重优点。本专利技术通过以下技术方案来实现一种用于铁基材料表面制备具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层的方法，特 点在于该方法包括下列步骤①对铁基材料即工件的表面进行预处理对铁基材料表面用砂纸进行打磨，然后采用丙酮进行浸泡清洗，烘干，以去除基材 表面的氧化膜和油污；②混合粉末配制根据复合涂层的设计配制相应的第一层混合粉末、第二层混合粉末、第三层混合 粉末、第四层混合粉末；③涂层制备用吸光涂料(成分和制备方法详见专利技术专利，专利号ZL02136862. 7)作为粘结 剂，先将第一层混合粉末黏结在工件表面上，厚度为0. 5mm，然后将试样放在烘箱中，烘干备 用；④激光熔覆采用高功率激光数控机床对工件进行激光熔覆，将制备好的工件置于高功率 激光数控机床的工作台上，在常温常压下，高功率激光数控机床输出激光功率密度为 3. 2X 105W/cm2 4X 105W/cm2的光束对工件进行辐照熔覆，激光辐照时间为0. 2 0. 35秒， 熔覆后室温下自然冷却；⑤多层熔覆逐渐改变M基粉末中纳米WC/Co的质量分数，重复步骤③、④进行多层熔覆。所述的多层熔覆包括两层、三层或四层熔覆。所述的第一层混合粉末、第二层混合粉末、第三层混合粉末、第四层混合粉末分别 为纯Ni60粉末，添加了质量分数为IOwt %的纳米WC/Co的Ni60混合粉末涂层，添加了质 量分数为20wt%的纳米WC/Co的Ni60混合粉末涂层和添加了质量分数为30wt%的纳米 WC/Co的Ni60混合粉末，其中Ni60的化学成分wt%C0. 85Si3.90B3. 02Cr16. 10Fe14.20Ni其佘量； 纳米WC/Co的化学成分 Wt. % WC 88. 00 Co 12.00。本专利技术的技术效果如下利用激光多层熔覆技术在普通碳钢表面制备了具有梯度功能的M基纳米WC/Co 复合涂层。其中，涂层中作为增强相的W的化合物具有三维连续网络状结构和弥散分布，具 有独特的强化效果；并且逐渐改变每层M基粉末中纳米WC/Co的质量分数，从而使制备的 Ni基复合材料在一维方向组成与结构呈现缓慢的梯度变化，使其具有极佳的耐磨损和抗断 裂性能。陶瓷增强相纳米WC/Co在Ni基粉末中的反应WC = W+C ；2W+C = W2C ；17Ni+3ff = Ni17W3本专利技术采用的高功率激光数控机床装置如图2所示，由为激光器6、数控设备7、工 作台8、导光系统10组成。制备时将粉末黏结到基体1上，烘干后放在工作台上，激光扫描 完成熔覆。本专利技术所用的激光最高输出功率为5KW，输出激光束的模式为TEmn多模。其光 束经过焦距为270mm的积分镜整形，将圆形的激光束展宽后得到近似矩形的光束。光束的 X截面尺寸为8. 0mm, Y截面尺寸为2. 4mm。本专利技术的梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层中碳化物增强相的形态和分布主 要可分为两种①碳化物大致经过分散、分解、熔化、凝固、化合、扩散及对流传质等过程，呈胞状 树枝状分布；②呈网络结构分布的碳化物相+少量呈弥散分布的微细颗粒状碳化物相。而且从 基体到涂层表面，涂层的显微组织随着M基粉末中纳米WC/Co质量分数的增加呈现梯度变 化，且变得越来越致密，如图3所示，其中由表及里(a)-表面层；(b)-次表层；(c)-中间 层；(d)_交界层。以上结果表明本专利技术所公开的Ni基纳米WC/Co复合涂层组织结构呈梯度变化。本专利技术的具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层的硬度是碳钢基体硬度的 1. 9 2. 5倍，磨损质量为碳钢基体磨损质量的1/19 1/2，耐磨性为碳钢基体的2 19倍。由此可见表面改性强化效果极为明显，硬度及摩擦磨损性能均有很大提高。本专利技术的制备方法中，具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层制备过程中粉末 无需喷涂，因此，整个过程工艺简单、节能、节约成本，所制备的涂层微观组织致密良好，层 与层之间结合良好，呈现外延生长，宏观上没有差异，如图4所示。涂层与基体之间为牢固 的冶金结合，涂层具有较高的硬度和良好抗磨性能。附图说明图1是本专利技术具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层典型结构示意图。图2激光多层熔覆技术制备具有梯度功能的M基纳米WC/Co复合涂层示意图。图3复合涂层截面SEM形貌(1300倍)。 由表及里(a)-表面层；(b)-次表层；(C)-中间层；(d)-交界层。图4本专利技术复合涂层截面SEM全貌。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于铁基材料表面制备具有梯度功能的Ｎｉ基纳米ＷＣ／Ｃｏ复合涂层的方法，特征在于该方法包括下列步骤：①对铁基材料即工件的表面预处理：对铁基材料表面用砂纸进行打磨，然后采用丙酮进行浸泡清洗，烘干，以去除基材表面的氧化膜和油污；②混合粉末配制：根据复合涂层的设计配制相应的第一层混合粉末、第二层混合粉末、第三层混合粉末、第四层混合粉末；③涂层制备：用吸光涂料作为粘结剂，先将第一层混合粉末黏结在工件表面上，厚度为０．５ｍｍ，然后将试样放在烘箱中，烘干备用；④激光熔覆：采用高功率激光数控机床对工件进行激光熔覆，将制备好的工件置于高功率激光数控机床的工作台上，在常温常压下，高功率激光数控机床输出激光功率密度为３．２×１０↑［５］Ｗ／ｃｍ↑［２］～４×１０↑［５］Ｗ／ｃｍ↑［２］的光束对工件进行辐照熔覆，激光辐照时间为０．２～０．３５秒，熔覆后室温自然冷却；⑤多层熔覆：逐渐改变Ｎｉ基粉末中纳米ＷＣ／Ｃｏ的质量分数，重复步骤③、④进行多层熔覆。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张光钧，吴培桂，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：31
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