[发明专利]一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层

说明书

本发明属于熔覆修复技术领域，公开了一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层。本发明用非氧化性的等离子束流把合金粉末或丝材熔覆在基体表面上形成熔融合金涂层，当熔覆区温度下降到再结晶温度区域范围内，立即对涂层进行搅拌摩擦焊处理，可形成综合力学性能优异的复合涂层；本发明利用等离子熔覆后的热量作为搅拌摩擦焊的材料塑性变形的能量，消除了复合搅拌摩擦焊前再次热处理的步骤，工艺更简便；搅拌摩擦焊可改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆区组织，破碎生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，起到细化晶粒的作用；搅拌摩擦焊可改善熔覆合金熔体中的气孔、夹渣等质量问题，且可以释放熔覆区的热应力。

技术领域

本发明属于熔覆修复技术领域，特别涉及一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层。

背景技术

等离子表面熔覆是在等离子喷焊、堆焊、激光熔覆等表面技术之后发展起来的，其基本原理是：以高温等离子束作为热源，将合金粉末与工件基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、反应、凝固，在表面形成一层高硬度耐磨层，具有与基体结合良好、设备成本低、工作环境无污染及操作简单等优点，因此该技术适用于处理抗冲击、耐磨和耐腐蚀的金属零件，是一种很有前途的金属表面改性技术。

搅拌摩擦焊是一个热—力耦合的、在局部区域产生大塑性变形的固相连接工艺。由搅拌针和轴肩构成的搅拌头高速旋转，在向下的轴向力作用下，以一定速率插入两块对接的工件接缝中；在搅拌针和轴肩的摩擦、搅拌和挤压作用下，工件材料局部被加热至塑性流动状态；当搅拌头沿着对接线运动时，塑性材料随着搅拌头的旋转发生迁移，从而在搅拌头经过之后形成可靠的冶金结合。

由于等离子熔覆急热急冷，合金涂层与基体在材料特性上的不匹配性，等离子熔覆后存在热应力，从而导致涂层出现裂纹，也存在气孔、夹渣等缺陷。搅拌摩擦焊可以破碎生长中的树枝状晶体，形成致密无缺陷的组织，对气孔和裂纹等涂层缺陷的消除效果优良，涂层成型质量好，等离子熔覆结合搅拌摩擦焊可以改变熔覆区的显微组织，使晶粒组织得到细化，提高基体表面质量，具有十分广阔的应用前景。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法；该方法相对传统的等离子熔覆方法来说，熔覆后结合搅拌摩擦焊会消除熔覆层内部存在的气孔、裂纹等缺陷，改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆层组织，消除涂层内的热应力，细化晶粒，促使熔覆层组织回复再结晶，由此获得均匀的复合涂层组织成分，增强基体表面的力学性能，延长基体的使用寿命。

本发明的再一目的在于提供一种上述方法制成的涂层。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法，包括以下步骤：

(1)对基体表面以及熔覆粉末分别进行熔覆前预处理；

(2)将步骤(1)经过预处理的熔覆粉末送入等离子熔覆设备的送粉装置，利用送粉气将熔覆粉末送至喷枪，采用同步送粉法对基体进行等离子熔覆，熔覆过程中在保护气环境中进行，防止氧化，最后得到熔融合金涂层；

(3)采用搅拌摩擦焊技术将步骤(2)所得熔融合金涂层进行旋压处理，具体包括：搅拌头在旋转的同时伸入熔融合金涂层抵达基材，搅拌头的轴肩与工件之间的摩擦热使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而使结合区形成致密的结合层；

(4)对步骤(3)旋压处理后的涂层进行热处理。

步骤(1)所述基体表面的预处理是采用水韧处理、砂轮机打磨和丙酮清洗，去除基体表面的污渍和油污；所述基体为高锰钢、不锈钢、耐热钢、碳素钢、合金钢、硅钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、高速钢、结构钢、渗碳钢、调质钢、718H模具钢或刃具钢。