專利名稱：石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料及其激光熔覆工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。是提供一種石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料體系及相應(yīng)的激光熔覆工藝。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代機械和機構(gòu)運轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷的急劇增加，以及航空航天、軍工和核能技術(shù)的發(fā)展，對材料提出更為嚴(yán)格的性能要求，許多工況條件處于無油潤滑或少油潤滑狀態(tài)下，此時材料不僅要有優(yōu)異的耐磨性能，還應(yīng)具有良好的減摩性能。顯然，傳統(tǒng)的合金設(shè)計思想和工藝已不能滿足上述的目的和用途。由于摩擦磨損失效行為均源于零件表面并逐漸發(fā)展到內(nèi)部的破壞行為，因此，采用先進(jìn)的表面工程技術(shù)，直接在零件表面實際承受接觸摩 擦磨損等作用的特定部位上制備一層具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性能、與基體材料為牢固冶金結(jié)合的特殊涂層，將是一種最有效、最經(jīng)濟(jì)、最靈活和最具可設(shè)計性方法之一。激光熔覆技術(shù)是集材料制備與表面構(gòu)型為一體，是綠色制造技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一。目前，激光熔覆所采用的合金材料主要有鎳基、鈷基和鐵基自熔性合金。這類合金具有良好的耐磨、耐蝕及抗氧化性能，同時與多種基材具有良好的潤濕性能，易獲得稀釋度低、與基體保持冶金結(jié)合的耐磨涂層，但其減摩性能較差；石墨烯是一種由碳原子以SP3雜化軌道組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)特征使其具有許多常規(guī)材料所沒有的特殊性能，碳六元環(huán)平面內(nèi)碳原子間高的鍵合能，不僅使其展示出很強的柔韌性，而且具有極高的強度。同時，石墨烯薄層間為微弱的范德華結(jié)合，較大的片層間距意味著其范德華力較石墨結(jié)構(gòu)有明顯減弱，在受到摩擦擠壓和熱的作用下易在摩擦界面轉(zhuǎn)移形成潤滑轉(zhuǎn)移膜，從而具有很好的自潤滑特性。如果把石墨烯作為增強相加入自熔性合金中，利用其增強和自潤滑作用，則可顯著提高自熔性合金的摩擦磨損性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料體系及相應(yīng)的激光熔覆工藝。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料，其特征是以鎳基的自熔性合金為基質(zhì)材料；以尺寸范圍為IOO-IOOOnm的石墨烯為增強相，其添加的體積百分比為O. 5-20 %。根據(jù)構(gòu)件的工況需要，在鎳基自熔性合金粉體中加入一定化學(xué)計量比的石墨烯。復(fù)合粉體經(jīng)充分混合后，在惰性氣體保護(hù)下，采用預(yù)置法或送粉法進(jìn)行激光熔覆，以此獲得石墨烯增強復(fù)合涂層。具體方法操作步驟如下(I)根據(jù)構(gòu)件的性能要求，在自熔性合金中加入一定比例的石墨烯粉體；(2)采用球磨法或研磨法，將配制好的復(fù)合粉體進(jìn)行長時間濕混，以使其均勻混合；(3)采用預(yù)置法或送粉法，在鋼基體上利用連續(xù)CO2激光器進(jìn)行激光熔覆。
其中步驟(I)中，自熔性合金為鎳基的自熔性合金，石墨烯的尺寸分布在IOO-IOOOnm之間，加入體積百分比為O. 5-20% ；步驟(2)中，球磨法混合參數(shù)為轉(zhuǎn)速100-300 rpm，混合時間l_5h ；步驟(3)中，惰性氣體為氬氣或氦氣，預(yù)置涂層厚度為O. 2-1. 0mm，送粉率為
1.0-6. Og/min ;激光工藝參數(shù)為激光功率2. 5-4. 5KW,掃描速度2. 0-6. Omm/s,光斑直徑
2.0-6. Omm，搭接率 10-40%。本發(fā)明的有益效果是石墨烯的含量變化范圍大，涂層組織均勻致密，耐磨和減磨性能優(yōu)異，與基體之間具有良好的冶金結(jié)合，可滿足碳鋼、合金鋼構(gòu)件在不同工況條件下對摩擦磨損性能要求，且涂層制備過程規(guī)模化和自動化程度高，可實現(xiàn)柔性加工。


圖I是實施例石墨烯TEM形貌。圖2是實施例石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的XRD圖譜。圖3是實施例石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的SEM形貌。a Ν 45;b Ν 45+0. 5vol% 石墨烯；
c Ni45+2vol% 石墨烯；d Ni45+6vol% 石墨烯；e Ni45+10vol% 石墨烯；f Ni45+14vol% 石墨烯。圖4是實施例石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的顯微硬度。圖5是實例石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)。圖6是實例石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的磨損體積。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明。選用粒度為45-180μπι的Ni65.8Cr15B3.QSi3.5CQ.7Fe12鎳基自熔性合金粉末為熔覆層基質(zhì)材料，選用粒度為20nm的石墨烯為增強相，其添加量為O. 5-14 vol. %。首先按化學(xué)計量比配制復(fù)合粉體。然后，采用球磨機對配制好的復(fù)合粉體進(jìn)行均勻混合。混合時具體參數(shù)為球磨機轉(zhuǎn)速300rpm，混合時間5h。將復(fù)合粉體預(yù)置于300M鋼表面(預(yù)置層厚度為1mm)，在氬氣保護(hù)下利用5KW橫流C02激光器進(jìn)行多道搭接激光熔覆。激光熔覆具體工藝參數(shù)為激光功率3. OKff,掃描速度3. Omm/s，光斑直徑5. Omm,搭接率20%。實施例所采用的石墨烯TEM形貌如圖I所示。可見，石墨烯呈現(xiàn)出較純凈且連續(xù)的片狀形態(tài)，尺寸分布在500nm - IOOOnm之間實施例所得石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的XRD圖譜如圖2所示?？梢?，不同石墨烯含量的鎳基復(fù)合涂層主要是由Y -Ni、Ni3B, M23C6和M7C3相所組成，且隨著石墨烯添加量的增加,組織中M23C6和M7C3相數(shù)量增加。實施例所得石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的SEM形貌如圖3所示。可見，不同石墨烯含量的鎳基復(fù)合涂層皆呈現(xiàn)出典型的樹枝晶+共晶組織形貌特征，且隨著石墨烯添加量的增加，組織逐漸細(xì)化。實施例所得石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的顯微硬度如圖4所示。隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合涂層平均顯微硬度由HV580逐漸增至HV720。實施例所得石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)如圖5所示?？梢姡S著石墨烯含量的增加，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)由O. 63逐漸降低至O. 44。實施例所得石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層的磨損體積如圖6所示?？梢?，隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合涂層的磨損體積由3. 2 X IO^W逐漸減少至I. 7X 10_3mm3。 本發(fā)明的實施例，摩擦磨損實驗是在CETRUMT-2型磨損試驗機上進(jìn)行的，采用球盤往復(fù)磨損方式，使用直徑為5mm的GCrl5鋼球(其硬度為HRC55)，法向加載5N的載荷，往復(fù)運動距離3mm,磨損時間30min。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料，其特征是以鎳基的自熔性合金為基質(zhì)材料；以尺寸范圍為IOO-IOOOnm的石墨烯為增強相，其添加的體積百分比為O. 5-20 %。
2.制備權(quán)利要求I所述的石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料的激光熔覆工藝，其特征在于，工藝參數(shù)范圍為激光功率2. 5-4. 5KW，掃描速度2. 0-6. Omm/s，光斑直徑2. 0-6. Omm，搭接率10-40%，氬氣或氦氣保護(hù)。
全文摘要
一種石墨烯增強鎳基復(fù)合涂層材料及其激光熔覆工藝，屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。其特征是是以鎳基自熔性合金為熔覆層基質(zhì)材料，以體積百分比0.5-20%的石墨烯為增強相，利用激光熔覆技術(shù)在鋼和合金基體上制備具有優(yōu)異耐磨和減磨性能的復(fù)合涂層。本發(fā)明的優(yōu)點是石墨烯含量變化范圍大，涂層組織均勻致密，耐磨和減磨性能優(yōu)異，與基體之間具有良好的冶金結(jié)合，可滿足碳鋼、合金鋼構(gòu)件在不同工況條件下對摩擦磨損性能要求，且涂層制備過程規(guī)?；妥詣踊潭雀撸蓮V泛應(yīng)用于航空航天、機械、汽車和軍工等領(lǐng)域。
文檔編號C22C19/03GK102965664SQ20121049128
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王存山, 馬超, 董星龍, 黃昊 申請人:大連理工大學(xué)