[发明专利]一种Fe2B金属间化合物耐磨涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种Fe₂B金属间化合物耐磨涂层的制备方法，配制Fe‑B合金与Fe混合粉末或Fe₂B与B混合粉末作为原材料,原材料元素质量百分比为B：9％～15％，余量为Fe；采用同步送粉激光熔覆制备涂层。熔覆过程采用逐层递减激光功率的工艺以避免由于逐层熔覆导致的能量积累，从而控制激光熔覆涂层组织为Fe₂B及Fe。本发明涂层提高了基体表面摩擦磨损性能并与基体具有良好的冶金结合，同时，熔覆材料仅含Fe，B两种来源广泛且廉价的元素，具有技术和经济效益上的潜力。

技术领域

本发明涉及一种表面涂层及其制备方法，更具体地说，涉及一种Fe₂B金属间化合物耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

Fe-B合金涂层的高耐磨性主要得益于显微组织中硼化物(Fe₂B+FeB)的存在。与Fe₂B相相比，FeB相具有更高的硬度，但比Fe₂B相更脆。因此，Fe₂B是Fe-B合金中更为理想的增强相。Fe₂B是一种典型的金属间化合物，具有硬度高，热稳定性好，耐磨耐蚀性强且脆性相对较小等优点，它仅含有Fe、B两种来源广泛且廉价的元素，但却具有与高铬碳化物Cr₇C₃相当的硬度，显示出极高的性价比，是一种极具发展潜力的低成本、高性能的耐磨材料。

渗硼是一种运用最广泛的制备Fe-B合金涂层的技术，一般是指将铁基工件置于含硼介质中在700℃～1000℃下加热几小时，使硼渗入到工件表层以形成单相Fe₂B层或另含FeB相的(Fe₂B+FeB)复合铁硼化合物层的表面热化学处理工艺。由于Fe₂B和FeB具有不同的比容和线性膨胀系数，双相的渗硼层在较大的外力及热应力作用下易发生开裂、剥落。因此，在渗硼的工业应用中，总是希望得到单一的Fe₂B相渗硼层。而这通常需要通过降低渗硼介质的硼势以牺牲渗硼速度或经过工艺繁琐的渗硼后续热处理得到。另外，由于渗硼工艺本身的局限性，目前，渗硼在实际的生产中也遇到了许多难以避免的问题：(1)渗硼的高温损害基体性能，易造成晶粒长大和工件变形；(2)能耗大，废料多，不易处理，污染环境，工艺过程繁琐；(3)不太适合对大尺寸工件或对工件的局部进行有效的渗硼处理；(4)一般组织粗大，择优取向，无等轴晶；(6)渗硼后工件还需重新热处理。

除渗硼外，目前也有氩弧原位反应合成Fe₂B增强层，粉末预置式激光熔覆制备Fe-B合金涂层等Fe-B合金涂层的相关研究。由于这些技术都具有粉末预置的特点，使得它们均存在以下问题：(1)难以在结构高度复杂的零部件及其局部区域进行涂层制备，不易实现自动化生产；(2)难以保证涂层成分均匀；(3)易形成泪珠状表面特征；(4)对基体材料的热作用明显，稀释率大。

同步送粉式激光熔覆是通过激光辐照使基板表面熔化，形成金属熔池，粉末以保护气体流为载体进入粉末喷嘴，然后粉末颗粒离开喷嘴尖端形成粉末流。粉末流和激光束都聚焦在工件衬底的同一表面区域上，粉末经激光快速加热熔融并被熔池捕获，然后与基底材料混合。熔池表面存在表面张力梯度，这个表面张力梯度，作为熔池中对流的驱动力，促使合金元素搅拌均匀，获得成分均匀的熔覆层。当激光束和粉末流相对于基板水平扫描时，在基板表面上产生一层熔覆层，实现单层熔覆。当激光束和粉末流相对于基板竖直移动一定距离，再进行水平扫描，基底表面则又产生一层熔覆层，重复该步骤，从而实现多层熔覆。其特点如下：(1)加热迅速，且有强自淬火作用，其通常能制备组织均匀细密、且与基体具有良好冶金结合的涂层；(2)变形小，涂层表面平整；(3)可实现形状复杂零件的局部选区性表面处理；(4)通用性强，操作简单，效率高；(5)无污染，安全可靠；(6)可根据使用要求控制工艺调整涂层组织与性能，实现柔性加工；(7)对基体材料热作用小，稀释率小。然而，在多层熔覆过程中，如果不适当控制激光熔覆工艺，随着层数的增加，伴随着能量积累，以致每一层熔覆过程的物理化学反应存在差异，涂层组织难以控制，致使材料性能产生显著差别。