一种激光熔覆制备氧化铝-铁基金属粉末复合涂层的方法

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种超高速激光熔覆制备氧化铝-铁基金属粉末复合涂层的方法。

背景技术：

1、ti6al4v、20钢、35钢、45钢等材料在使用中容易出现局部的损坏，完整的更换会导致较大的经济损失，采用超激光熔覆技术在ti6al4v、20钢、35钢、45钢上制备涂层可以增强ti6al4v表面性能。相较于其他涂层，陶瓷涂层具有许多优点，首先，它具有出色的耐热性，能够承受高温环境并保持其性能。其次，陶瓷涂层对化学腐蚀有良好的抵抗能力，能够抵御酸、碱和盐等腐蚀物质的侵蚀。此外，陶瓷涂层通常具有高硬度和耐磨性，能够抵抗磨损和划伤。在各种陶瓷中，氧化铝陶瓷成本低，具有较大的经济价值。

2、从目前公开的资料来看，(如专利cn111627503a)在氧化铝涂层制备过程中由于超高速激光熔覆加工的特点是加热和冷却速率极快，这样就会导致在同一块加工工件上存在较大的温度梯度，不同部位的温度不同，导致工件不同部位的熔化和凝固不同步，这样就会产生热应力。部分温度相差较大的部位会处在不同的物相，物相变化不同步，不同物相间比容也不同，膨胀收缩相互牵制就会产生应力，从而使得氧化铝陶瓷涂层表面出现大量的裂纹和空洞等缺陷。(专利106048599a)公开了激光熔覆成型金属零件的裂纹控制方法，通过引入超声振动改善熔覆成形组织、减少和消除裂纹的工艺，其熔覆层材料为镍基合金粉末ni60，基体材料为45钢，采用3kw横流co2激光器进行激光熔覆，成型过程中引入超声振动装置，振动频率为25khz；该方法制备的镍基复合涂层无明显裂纹，但需要对熔池温度进行闭环控制和引入超声振动，熔覆过程中受外界因素影响较大。也有文献[1]通过在氧化铝粉末中添加少量tio2以期达到减少裂纹的效果，但是涂层依旧发生了剥落。

3、在现有技术中，存在不少有关陶瓷-金属涂层的研究，但大部分以wc体系为主，截止目前关于氧化铝-金属涂层的研究极少，大多数以金属为主体，氧化铝作为增强相，还有部分研究以氧化铝和氧化钛进行双陶瓷混合体系。

4、本发明在技术探索过程中，首先遇到了氧化铝粉末较轻，在实际激光熔覆设备中容易出现卡粉、飞溅等情况，所以选择添加部分铁基金属粉末进行粉末预处理，增加其重量，其次氧化铝粉末存在激光反射率较高的问题，通过调整激光工艺参数以及铁基金属粉末含量来进行调整。通过调整激光功率，探索发现过高或者过低的激光功率都会对氧化铝-铁基金属粉末涂层表面质量产生影响，通过实施例和对比例不同激光参数的研究，发现激光功率在2800w时涂层表面质量最好。

5、[1]anand m.murmu,shambhu kumar,s.k.parida,a.k.das,evaluation ofhardness and wear behavior of laser cladding zirconia-alumina-titania ceramic top coating on pure ti6al4v,materials today:proceedings,volume 26,part 2,2020,pages 1103-1107,issn 2214-7853。

技术实现思路

1、本发明针对现有氧化铝陶瓷粉末与金属基体的结合较差，用于激光熔覆的氧化铝陶瓷涂层大多会出现剥落，其内部也会含有裂纹，气孔，极大的影响了陶瓷涂层的性能，也限制了陶瓷涂层的应用，并且氧化铝粉末的激光反射率一般在92％-93％左右，会极大的浪费激光能量，因此提出了一种铁基金属粉末与al2o3粉末混合制备复合涂层的技术，从而解决氧化铝陶瓷粉末反射激光率较高以及制备出的氧化铝陶瓷涂层与基体结合较差的问题。

2、本发明一种激光熔覆制备氧化铝-铁基金属粉末复合涂层的方法；包括下述步骤：

3、步骤1

4、按设计比例配取氧化铝粉和铁基金属粉末；将二者混合均匀后得到混合粉末，备用，所述混合粉末中，氧化铝粉末与铁基金属粉末的质量比为7-9：3-1、优选为7.5-8.5：2.5-1.5、进一步优选为8:2；

5、步骤2

6、以表面清洁干燥的基体为处理对象，以步骤1所得混合粉末为涂层原料，采用激光打印的工艺，在基体表面制备al2o3-铁基金属粉末复合涂层；打印时，控制激光功率为1750-1850w、扫描速度为120-160mm/s、离焦量为+1、送粉量为8.5～8.9g/min、搭接率为68～72％，送分气体和保护气体均为氩气；所述基体为钢质材质或钛合金材质。作为优选，所述基体选自ti6al4v、20号钢、35号钢、45号钢中的一种。

7、作为优选，步骤2中，打印时，控制激光功率为1800w、扫描速度为150mm/s、离焦量为+1、送粉量为8.7g/min、搭接率为70％，送分气体和保护气体均为氩气。此外，在步骤2中，当基材为20号钢、35号钢棒时用此工艺制备的涂层具有非常严重的裂纹和剥落现象，对基材性能增强效果较差。因此该工艺最适合的基材是ti6al4v和45号钢。

8、本发明为了得到表面清洁干燥的基材，采用的工艺包括：清除其表面的杂质和油污。

9、当基材料为棒材时，可使用车床对棒状基材进行车工，处理表面可能残留的杂质和油污，并将基体棒材用酒精擦拭，待表面干净后，用保鲜膜包裹，防止表面出现新的划痕和氧化。

10、本发明中，氧化铝粉粒度小于100微米、优选为小于80微米、进一步优选为60-80um。

11、本发明中，铁基金属粉末的粒度为30-50um。

12、本发明中，铁基金属粉末选自316l粉末、fe55粉末、304不锈钢粉末中的至少一种。

13、作为优选，所述铁基金属粉末以质量百分比计包括：c：0.01～0.03％，cr：16～18％，ni：10～14％，si：0～1％，mn：0～2％；余量为铁和不可避免杂质。

14、本发明中，将粒度为60-80um的氧化铝粉末和粒度为30-50um的铁基金属粉末质量比以8：2的比例混合装入粉罐中，在球料质量比为1-2：1、优选为1:1的情况下，放入双卧轴搅拌机上，以120转/min的速度均匀混合8h，得到的粉末在使用前置于干燥箱中干燥，干燥温度为150℃，时间为1h。

15、在工业上应用时，当ti6al4v和45钢原材料为棒材时，3d打印前，将预处理后的ti6al4v和45钢棒材采用夹具固定于设备的坐标系内，并用酒精擦拭以确保表面没有杂志残留。

16、3d打印时，采用同轴送粉的方式进行送粉。

17、本发明所得带涂层的棒材，可以直接利用，也可以进行切割处理。

18、切割处理后，用砂纸打磨后，进行抛光处理。在工业上应用时，可依次用400、800、1200、2000目的砂纸打磨后，进行抛光处理。

19、本发明基材选择到位后、配合适当的陶瓷组分和打印工艺可以实现基体与涂层的冶金结合，且涂层微观平均硬度大于910hv0.2，宏观硬度大于69hb，无宏观裂纹及缺陷，自腐蚀电流约为1.21x10-6 a/cm2，自腐蚀电位约为-0.19496v。

20、原理和优势

21、采用本发明工艺方法在棒状基材零件关键位置上进行超高速激光熔覆制备的al2o3-铁基金属粉末涂层，相较于传统的纯氧化铝陶瓷涂层，其表面平整度高，无剥落和孔洞等缺陷，晶粒细小，厚度均匀，与基体形成良好的冶金结合，硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性好，且工艺周期短，材料浪费少。