一種感應熔覆梯度硬質(zhì)復合材料涂層工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種感應熔覆梯度硬質(zhì)復合材料涂層工藝，用于金屬和金屬基復合材料零部件耐磨損抗腐蝕抗沖擊等高性能服役需求，屬于材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]隨著航空航天、核電、化工等領(lǐng)域裝備關(guān)鍵零部件耐磨損、抗腐蝕、抗沖蝕、抗疲勞以及抗氧化等高性能需求不斷增加，目前最有效的解決方案是在零件表面制備陶瓷硬質(zhì)相增強的金屬基硬質(zhì)復合材料涂層，滿足零件高可靠長期服役的性能要求。目前，主要制備手段包括熱噴涂、冷噴涂等，可獲得百微米到毫米量級的硬質(zhì)厚涂層。此類厚涂層存在孔隙率偏高、內(nèi)聚力偏低和機械結(jié)合的涂層-基體界面強度較弱等問題，采用感應熔覆加熱對涂層重熔形成界面冶金結(jié)合的致密化的熔覆涂層是一種有效提高此類涂層性能的方法。然而，常規(guī)的硬質(zhì)復合材料涂層感應熔覆方法，當熔覆涂層的硬質(zhì)相體積百分比含量高于40%時，硬質(zhì)復合材料涂層的涂層與基體熱膨脹系數(shù)差異大、熔覆熱應力大，厚度超過100微米的涂層容易開裂，同時硬質(zhì)相含量高導致的成分差異較大也限制了涂層界面冶金結(jié)合質(zhì)量，因此，感應熔覆較成功的應用于金屬零件上的Fe基、Co基或Ni基等合金厚涂層，在硬質(zhì)復合材料涂層的應用受到限制。
[0003]為提高涂層抵抗熱應力造成的開裂問題，硬質(zhì)相成分呈梯度過渡的梯度硬質(zhì)復合材料涂層的制備得到了廣泛關(guān)注。2005年中國發(fā)明專利“金屬表面熔覆涂層特別是梯度涂層的方法”(ZL01115197.8)，采用等離子體束掃描金屬表面預涂的金屬Fe基或Co基或Ni基混合粉末與陶瓷粉末的混合粉末，等離子體束單道掃描寬度1-25 _，使表面得到冶金結(jié)合的連續(xù)或單道熔覆層。由于預涂涂層內(nèi)沒有成分梯度變化，只有采用TiC陶瓷粉末時金屬表面可形成梯度熔覆層，通過等離子體加熱涂層形成熔池中各組分擴散和流動，TiC陶瓷顆粒熔解、長大和上浮，熔凝過程中自動實現(xiàn)陶瓷顆粒的梯度變化。2012年中國發(fā)明專利“激光感應復合熔覆梯度功能熱障涂層的方法”(ZL200910186673.X)，采用激光熱源與感應加熱源復合進行多層梯度涂層制備，感應加熱線圈加熱基材表面溫度達到300-100(TC，通過雙斗送粉器分別控制輸送到感應加熱區(qū)的金屬粉末和陶瓷粉末比例，用光斑直徑為1-20mm的激光束掃描熔覆，單道掃描完成后激光束相對位置平移了光斑直徑70-30%的距離，再進行下一道掃描熔覆，當完成整個單層的多道疊加掃描熔覆后，激光頭、感應加熱線圈和粉末噴嘴再返回到該層熔覆的起始位置，增加陶瓷粉末比例進行下一層的熔覆。然而，等離子體束和激光束熔覆束斑直徑小，集中加熱在涂層內(nèi)產(chǎn)生高的溫度梯度，且需要對熔覆區(qū)進行多道搭接疊加掃描，造成熔覆層局部反復形成強烈的熱沖擊作用，熔覆涂層熱應力開裂的控制難度大，可使用的硬質(zhì)相種類及含量受限制。此外，激光復合感應加熱逐層熔覆的工藝設備及控制過程過于復雜，等離子體束掃描熔覆形成梯度涂層強烈依賴于陶瓷顆粒類型，均限制了這兩類技術(shù)的推廣應用。
[0004]采用加熱爐對梯度涂層和金屬基體緩慢加熱和長時間保溫處理，使涂層致密化且元素熱擴散形成界面冶金結(jié)合，可避免激光束、等離子體束熔覆局部區(qū)域快速加熱過高的熱沖擊應力。2008 年，Ahmed 等在 Materials Science and Engineering A 上報道了米用熱等靜壓(HIP)方法處理在AISI 440C不銹鋼表面沉積的含有自熔合金NiCrBSi粘結(jié)相和WC硬質(zhì)相的超音速噴涂(HVOF)雙層結(jié)構(gòu)復合涂層，內(nèi)層和外層中硬質(zhì)相重量百分比分別為60 wt.%和90 wt.%，經(jīng)過150 MPa, 1200。C熱處理I小時，WC-NiCrBSi涂層致密度明顯提高，改善了涂層的滾動接觸疲勞性能。然而，長時間高溫處理促進了元素擴散產(chǎn)生冶金結(jié)合的同時，導致了硬質(zhì)相WC晶粒粗化并在WC晶粒合并長大區(qū)產(chǎn)生了許多柯肯達爾孔洞，限制了涂層整體性能的提升。2014年公開的美國專利“Funct1nally Graded Coating”(US8808870 B2)，提出了金屬界面層與陶瓷相增強外層的雙層結(jié)構(gòu)梯度涂層設計思路，用以解決零件服役過程或者熱處理過程的熱循環(huán)導致涂層-基體界面結(jié)合劣化、涂層剝離破壞失效或涂層裂紋擴展至金屬基體內(nèi)部等問題。雙層梯度涂層包括內(nèi)外兩層，與零件基體高強度結(jié)合的金屬界面層主要起到裂紋抑制或耐腐蝕功能，硬質(zhì)相增強的金屬基復合涂層作為外層主要提供耐磨和抗沖蝕性能。內(nèi)層可采用預燒結(jié)或堆焊、等離子體轉(zhuǎn)移弧、熱噴涂、冷噴涂、感應熔覆、激光熔覆、紅外加熱熔覆以及其它熔覆方法制備，而外層制備則是利用預涂層整體加熱釬焊熔覆的原理，在制備好的金屬內(nèi)層上依次包敷WC顆粒與聚四氟乙稀混合、Ni基合金顆粒與聚四氟乙稀混合制成的柔性薄片，在1100-1300° C溫度范圍內(nèi)真空燒結(jié)使Ni基合金熔化滲透至含WC顆粒柔性薄片中，形成釬焊熔覆致密化的外層。通過該發(fā)明制備的雙層梯度結(jié)構(gòu)涂層，即使在硬質(zhì)相顆粒增強的外層形成貫穿裂紋，會在內(nèi)層上止裂。然而，整體加熱梯度涂層的高溫熱擴散處理方法，可導致金屬零部件基體金相組織的顯著變化，同時易在涂層內(nèi)出現(xiàn)硬質(zhì)相長大和科肯達爾擴散孔隙等問題，限制了整體加熱燒結(jié)涂層致密化方法的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種感應熔覆梯度硬質(zhì)復合材料涂層工藝，通過把具有多亞層成分梯度結(jié)構(gòu)的梯度硬質(zhì)復合材料預涂層引入零件表面，硬質(zhì)相含量梯度變化預涂層降低了傳統(tǒng)感應加熱熔覆硬質(zhì)涂層形成界面冶金結(jié)合的高熱應力狀態(tài)，并且避免激光束、電子束和等離子體束熔覆集中加熱、重疊掃描的沖擊熱應力，同時克服了零件整體加熱釬焊燒結(jié)涂層致密化方法基體組織劣化的局限性；形成具有高硬質(zhì)相含量、致密的連續(xù)梯度硬質(zhì)復合材料涂層，滿足零件耐磨抗蝕抗沖擊等高性能需求。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種感應熔覆梯度硬質(zhì)復合材料涂層工藝步驟為:
(1)采用機械混合、霧化干燥燒結(jié)或燒結(jié)破碎方法，制備系列含量配比的硬質(zhì)相與金屬相復合的干燥復合粉末，其中，硬質(zhì)相為碳化物、氧化物、氮化物或硼化物陶瓷顆粒，金屬相為鐵、鈷、鎳金屬或鐵、鈷、鎳基合金，系列含量配比的硬質(zhì)相的體積百分比含量為0-90% ;
(2)零件表面去除油污和雜質(zhì)，噴砂處理獲得潔凈、粗糙化的表面；
(3)選擇不同硬質(zhì)相體積百分比含量的系列干燥復合粉末，采用熱噴涂或冷噴涂方法，按照硬質(zhì)相體積百分比含量遞增的順序在零件表面依次噴涂厚度為30-500 ym的涂層；或者將不同硬質(zhì)相體積百分比含量的系列干燥復合粉末分散于有機或無機溶液中制成系列膠體或膏劑，按照硬質(zhì)相體積百分比含量遞增的順序在零件表面依次涂敷厚度為30-500μπι的涂層，每一層涂敷后進行150-20(TC加熱干燥去除水分；重復上述噴涂過程完成系列干燥復合粉末的噴涂或者重復上述涂敷過程完成系列膠體或膏劑的涂敷，控制與零件基體相鄰的亞層的硬質(zhì)相體積百分比含量為0-30%，最外亞層的硬質(zhì)相體積百分比含量為40-90%，獲得具有由內(nèi)到外硬質(zhì)相體積百分比含量逐層增加的2層及2層以上的多亞層梯度硬質(zhì)復合材料預涂層，預涂層的總厚度為60-2000 ym，其中，熱噴涂、冷噴涂或者涂敷的各亞層采用等分或不等分厚度，依據(jù)各亞層的硬質(zhì)相和金屬相含量比例、亞層數(shù)以及涂層總厚度進行調(diào)整；
(4 )在保護氣氛中，采用感應線圈加熱零件表面梯度硬質(zhì)復合材料預涂層，加熱預涂層采用的感應線圈的電源輸出功率范圍為30-300 kW，頻率范圍為20-500 kHz，輸出感應電流范圍為500-5000 A，感應線圈為單匝或多匝金屬管圍成的圓形、方形或長方形線圈，感應線圈與零件表面之間的距離不小于I _ ;采用數(shù)控機床或者自動機械手控制感應線圈的移動而保持零件不動、控制零件的移動而保持感應線圈不動、或者同時控制感應線圈與零件的移動；根據(jù)移動過程中感應線圈與零件表面之間距離的變化，采用預先設置好由程序控制的勻速或者變速的感應線圈與零件的相對移動速度，或者采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，由熔覆過程中感應電流的反饋信號自動控制感應線圈與零件的相對移動速度；加熱回轉(zhuǎn)體零件采用圓形或方形感應線圈，回轉(zhuǎn)體零件自轉(zhuǎn)速度10-200 rpm，同時沿軸向與感應線圈相對移動速度0.5-20 mm/s ;加熱平面零件采用方形或長方形感應線圈，加熱復雜形狀零件采用仿形感應線圈，平面零件和復雜形狀零件不旋轉(zhuǎn)，感應線圈與不旋轉(zhuǎn)零件相對平移速度1-100 mm/s ;調(diào)節(jié)上述工藝條件與參數(shù)，獲得零件不同區(qū)域表面預涂層都產(chǎn)生均勻熔化的匹配的感應線圈輸出功率，形成各亞層之間成分互擴散的連續(xù)的梯度過渡、與零件基體冶金結(jié)合的致密無裂紋梯度硬質(zhì)復合材料涂層。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:(1)采用梯度硬質(zhì)復合材料預涂層，提高了涂層熔覆過程中抵抗熱沖擊的能力，涂層內(nèi)部以及涂層與基體之間易于互擴散實現(xiàn)連續(xù)成分梯度分布的梯度硬質(zhì)復合材料涂層，解決常規(guī)感應熔覆方法的硬質(zhì)涂層與金屬基體界面冶金結(jié)合熱應力大、易開裂，熔覆涂層硬質(zhì)相含量有限等問題；(2)克服了激光束、電子束、等離子體束等高能束熔覆集中加熱、需要重疊掃描導致的沖擊熱應力過大的局限性；(3)避免了零件整體加熱燒結(jié)涂層致密化方法的基體組織劣化的局限性；(4)預涂層形成了與金屬零件高強度冶金結(jié)合的致密無裂紋的連續(xù)梯度硬質(zhì)復合材料涂層，具有優(yōu)異的耐磨抗蝕抗沖擊等綜合性能；(5)梯度硬質(zhì)復合材料涂層感應熔覆制備方法簡單，易于工業(yè)化應用推廣。
【具體實施方式】
[0008]下面結(jié)合具體實施例，進一步說明本發(fā)明的細節(jié):
實施例1
利用本發(fā)明在AISI 304L奧氏體不銹鋼板狀零件表面制備600 μπι厚具有WC硬質(zhì)相與Ni基自熔合金的梯度硬質(zhì)復合材料涂層，制備步驟如下:首先采用噴霧干燥方法，制備WC硬質(zhì)相體積百分比為0%、25%和50%的三種復合噴涂粉JiAISI 304L不銹鋼基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用60目剛玉砂噴砂處理10秒/cm2;采用氧乙炔焰火焰噴涂方法，逐層噴涂WC硬質(zhì)相體積百分比為0%、25%和50%的三種復合噴涂粉末，獲得每個亞層厚度均為200 ym的3亞層結(jié)構(gòu)預涂層；采用比零件寬度大5 mm的長方形感應線圈單道掃描加熱熔覆，感應電源輸出功率160 kW，頻率50 kHz，最大電流4000 A，感應線圈平面平行于表面預涂層，相距3 mm平行移動掃描速度10 m