專利名稱：一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料的制備方法，特別是一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法，屬于機械加工工藝領域。
背景技術：
隨著現代工業的發展，大于800°的高溫、氧化及沖擊磨損工況環境在實際生產中越來越多，例如冶金行業的燒結、高爐系統，焦化行業中的煉焦系統，石化行業的煉化、合成系統中。而且，在航空、艦船等領域也經常出現如此惡劣的高溫工況，對工作其中的金屬結構和零部件提出了更高要求。在如此惡劣的高溫沖擊磨損工況下，高溫對金屬的氧化強烈，加速了金屬的軟化、老化；在高溫物料沖擊磨損情況下，結構和零部件損傷非常快，增大了企業生產成本。目前國內主要的鋼鐵企業、焦化企業、石化企業中，工況溫度大于800°工作的結構和零部件主要采用整體耐熱不銹鋼材料，主要有ZG35Cr24Ni7、lCrl8Ni9Ti、耐熱不銹鋼20X23H18等。整體不銹鋼材質成本高，高溫硬度低，特別是耐高溫磨損性能差，高溫下氧化快，導致結構和零部件壽命短，影響企業連續生產，提高了企業成本。由于單一不銹鋼材質在強度、硬度、耐高溫、抗磨損及抗氧化等方面性能不可能兼顧，現有單一材質材料無法滿足現場高溫沖擊磨損工況條件下長時間連續生產的要求。本發明提供一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法，由本發明獲得的梯度復合材料，很好地滿足了現場高溫沖擊磨損生產環境下對材料的長壽命、低成本要求，而且本發明制得的梯度復合材料還具有優秀的抗高溫氧化性能。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法。采用本發明方法制備的高溫復合襯板，完全能夠滿足大于800°，小于1250°高溫環境下沖擊磨損的惡劣工況，并且具有良好的抗氧化性能、耐激冷激熱性能、易于加工性能等，且價格低廉。為實現上述任務，本發明采取如下的技術方案其制備步驟是
1、根據金屬基材和工況要求，配制打底層和表面層合金粉末，其中
打底層選用的金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末成分質量百分比為C: O. 25 O. 45%，Cr 10 30%，Ni :10 35%，余量為Al，進行混合；
表面層選用的金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末成分質量百分比為C 0. 05 O. 65%，Cr :3 20%，Ni :3 20%，余量為Al，進行混合；
2、對金屬基材表面進行清除銹蝕、油污、氧化皮雜質預處理；
3、在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用氣動送粉、或重力送粉、或者鋪粉的方法送粉，粉層厚度為O. 7 3. 2mm，其中，激光器工藝參數為激光功率范圍為1000W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為5mm/s 20mm/s，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為O. 2 2. 7mm ；
4、去除打底層合金表面氧化皮； 5、在打底層表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，采用氣動送粉、或重力送粉、或者鋪粉的方法送粉，粉層厚度為O. 7 3. 2mm，其中，激光器工藝參數為激光功率范圍為500W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為3mm/s 15mm/s，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層合金表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，獲得均勻的呈現梯度變化的耐高溫沖擊磨損合金層表面層合金厚度為O. 2 2. 7mm的復合材料。在本發明中，打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末的粒度為100 325目。在本發明中，打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末采用機械式混粉器混合均勻，混合時間I 2小時。在本發明中，表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末的粒度為100 325目。在本發明中，表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末采用機械式混粉器混合均勻，混合時間I 2小時。在本發明中，所述的金屬基材可以是鑄鋼、冷熱軋鋼板，要求金屬基材耐熱工作溫度達到800°以上。本發明復合材料的金屬基陶瓷顆粒增強型合金熔覆層采用梯度設計，分為打底層和表面層。整個復合材料從金屬基材到打底層，再到表面層，硬度從低到高逐漸變化，增強了打底層合金與金屬基材、打底層合金與表面層合金的結合性能，并且打底層與表面層間硬度和成分變化小，在高溫物料等的沖擊下，不容易開裂。通過合金粉末成分的梯度變化獲得力學性能的梯度變化，使得復合材料獲得了良好的抗高溫沖擊性能。在半導體激光器輸出的矩形高能量光束作用下，合金粉末與金屬基材表面金屬、合金粉末與打底層表面合金發生快速熔化和凝固，獲得了晶粒細小、組織致密的帶有金屬基陶瓷顆粒增強相的冶金結合層。在金屬基材表面制備了呈梯度變化的耐高溫金屬陶瓷層，獲得了耐高溫沖擊磨損的復合材料。本發明方法制備的耐高溫沖擊磨損梯度復合材料，具有優秀的抗沖擊、抗氧化、耐高溫、耐磨損性能，同時以耐高溫的鑄鋼和冷熱軋鋼板為復合材料基材，保證了復合材料良好的高溫抗沖擊能力，充分發揮了材料性能潛力。合金熔覆層中彌散分布著大量氧化物和碳化物陶瓷硬質相，具有理想的抗高溫磨粒磨損及硬面磨損性能；金屬陶瓷層的抗氧化性能優秀，而且在高溫下容易形成鈍化膜，不但保護了金屬陶瓷層，還保護了金屬基材。本發明的有益效果
本發明方法制備的耐高溫沖擊磨損梯度復合材料，比較傳統的單一材質耐熱不銹鋼材料具有更好的耐高溫沖擊磨損、抗氧化性能，成本低，并具有良好的加工性能，而且實施方便，便于大規模生產。在冶金、焦化和石化等領域廣泛使用這種梯度復合材料，每年可以為國家降低巨大的合金消耗和能耗，產生顯著的直接經濟效益和社會效益。
具體實施方式
以下結合發明人給出的實施實例對本發明進一步說明。實施例I
首先通過噴砂方法清除熱軋lCrl3金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C O. 25%，Cr 10%, Ni 10%，余量為Al，合金粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C:O. 05%，Cr : 3%，Ni : 3%，余量為Al，合金粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時,混合均勻,在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用鋪粉的方法送粉，粉層厚度為I. 7mm，打底層合金粉末熔覆的工藝參數為激光功率為1000W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為5mm/s，搭接率為5%，隨著半導體激光光束的移動，在 金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為I. 2mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，采用氣動送粉，粉層厚度為I. 0mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率500W，矩形光斑2 X 8mm,掃描速度為5mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 5mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例2
首先通過噴砂方法清除熱軋鋼板2Crl3金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質；根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C ； O. 25%，Cr : 12%，Ni : 12%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C O. 15%，Cr 5%，Ni 5%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I. 5小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，米氣動方式送粉，粉層厚度為O. 8mm，打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率為1500W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為10mm/S，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為O. 3mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，采用氣動送粉，粉層厚度為O. 8mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率1800胃，矩形光斑2\8111111，掃描速度為6mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 3mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例3
首先通過噴砂方法清除熱軋2Crl3金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C O. 35%，Cr 15%, Ni : 15%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C : O. 09, Cr 10%，Ni 12%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用氣動送粉，粉層厚度為I. 5mm，打底層合金粉末激光熔覆的工藝參數為激光功率范圍為2000W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為15mm/s，搭接率為5%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為1mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，米用氣動送粉、或重力送粉、或者鋪粉的方式送粉，粉層厚度為1mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率1200W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為7mm/s，搭接率為8%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 5mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。 實施例4
首先通過噴砂方法清除熱軋lCrl3金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C O. 45%，Cr 30%, Ni :35%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C 0. 25%, Cr 12%，Ni 12%,余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用氣動送粉，粉層厚度為Imm ;打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率范圍為3800W，矩形光斑
2X 8mm，掃描速度為20mm/s，搭接率為5%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為O. 5mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，米用或者鋪粉的方式送粉，粉層厚度為1mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率為2000W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為12mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為
O.5mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例5
首先通過噴丸方法清除ZGlCrl3金屬基材表面的銹蝕、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C O. 3%，Cr 18%，Ni : 18%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C : 0.4%，Cr 5%, Ni 5%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用重力送粉，粉層厚度為3. 2mm，打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率范圍為3000W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為5mm/s，搭接率為5%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為2. 7mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，采用重力送粉，粉層厚度為1mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率1500W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為6mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 5mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例6
首先通過噴丸方法清除ZG2Crl3金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C O. 42%，Cr 16%，Ni : 16%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，各成分的質量百分比為C 0. 25%, Cr 8%, Ni :8%，余量為Al,粉末粒度為100 325目，米用機械式混粉器混合I小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用鋪粉的方式送粉，粉層厚度為I. 2mm ;打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率為1600W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為llmm/s，搭接率為5%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為O. 7mm ;清除打底層合金表面的氧化皮；在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，米用氣動送粉，粉層厚度為I. 5mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率3000W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為13mm/s，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為Imm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例7
首先通過噴丸方法清除lCrl8Ni9Ti金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質，根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為=C O. 25%，Cr 30%,Ni :35%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C O. 24%, Cr20%，Ni 15%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合2小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用氣動送粉，粉層厚度為I. 5mm ;打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率范圍為2500W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為10mm/S，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為1mm，清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，米用氣動送粉，粉層厚度為1mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率2000W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為12mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 5mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。實施例8
首先通過噴丸方法清除316L金屬基材表面的銹蝕、油污、氧化皮雜質；根據金屬基材的特點和工況要求，配制打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為c: O. 42%, Cr 10%, Ni :10%，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I小時，混合均勻；依據打底層合金粉末配比和工況要求，配制表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末，其中，合金粉末成分的質量百分比為C : O. 25%, Cr 5%，Ni 6 %，余量為Al，粉末粒度為100 325目，采用機械式混粉器混合I小時，混合均勻，在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用重力送粉，粉層厚度為I. 5mm，打底層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率范圍為2000W，矩形光斑2X8mm，掃描速度為10mm/S，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為1mm，清除打底層合金表面的氧化皮；在打底層合金表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，米用重力送粉，粉層厚度為O. 8mm，表面層合金粉末激光熔覆工藝參數為激光功率1800W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為9mm/s，搭接率為10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，得到表面層合金厚度為O. 3mm的耐高溫沖擊磨損梯度復合襯板，該復合襯板表面金屬陶瓷合金層光滑、無裂紋。·
權利要求
1.一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法，其方法步驟包括 (1)根據金屬基材和工況要求，配制打底層和表面層合金粉末，其中 打底層選用的金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末成分質量百分比為c: O. 25 O. 45%，Cr 10 30%，Ni :10 35%，余量為Al，進行混合； 表面層選用的金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末成分質量百分比為C 0. 05 O. 65%，Cr :3 20%，Ni :3 20%，余量為Al，進行混合； (2)對金屬基材表面進行清除銹蝕、油污、氧化皮雜質預處理； (3)在金屬基材表面通過大功率半導體激光器激光熔覆打底層合金粉末，采用氣動送粉、或重力送粉、或者鋪粉的方法送粉，粉層厚度為O. 7 3. 2mm，其中，激光器工藝參數為激光功率范圍為1000W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為5mm/s 20mm/s，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在金屬基材表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型打底層合金，打底層合金厚度為O. 2 2. 7_ ; (4)去除打底層合金表面氧化皮； (5)在打底層表面再通過大功率半導體激光器激光熔覆表面層合金粉末，采用氣動送粉、或重力送粉、或者鋪粉的方法送粉，粉層厚度為O. 7 3. 2mm，其中，激光器工藝參數為激光功率范圍為500W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，掃描速度為3mm/s 15mm/s，搭接率為5% 10%，隨著半導體激光光束的移動，在打底層合金表面獲得均勻的金屬基陶瓷顆粒增強型表面層合金，獲得均勻的呈現梯度變化的耐高溫沖擊磨損合金層表面層合金厚度為O.2 2. 7mm的復合材料。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末的粒度為100 325目。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，打底層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末米用機械式混粉器混合均勻，混合時間I 2小時。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末的粒度為100 325目。
5.如權力要求I所述的方法，其特征在于，表面層用金屬基陶瓷顆粒增強型合金粉末采用機械式混粉器混合均勻，混合時間I 2小時。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的金屬基材可以是鑄鋼、冷熱軋鋼板，要求金屬基材耐熱工作溫度達到800°以上。
全文摘要
本發明公開了一種耐高溫沖擊磨損梯度復合材料的制備方法，其步驟包括金屬基材表面預處理，根據金屬基材和工況，配制金屬基陶瓷顆粒增強型的打底層合金粉末；根據打底層合金粉末和工況，配制金屬基陶瓷顆粒增強型的表面層合金粉末；通過半導體激光器在金屬基材表面熔覆打底層合金粉末，獲得打底層合金；清除打底層合金表面的氧化皮，在打底層合金表面通過半導體激光器再熔覆表面層合金粉末，獲得表面層合金。采用本發明制備耐高溫沖擊磨損梯度復合材料，成本低，質量穩定，便于大規模生產，具有突出的經濟效益和社會效益。
文檔編號C23C24/10GK102912340SQ20121038933
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者趙明鷹 申請人:秦皇島格瑞得節能技術服務有限公司