本发明属于镍基合金涂层材料技术领域，具体涉及一种掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料的制备工艺。
背景技术
激光熔覆层的形成过程是一个复杂的物理化学过程和熔体快速凝固的过程，与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，激光熔覆技术不仅可以显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，而且适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等，在诸多工业领域有广泛的应用。激光熔覆层的质量与性能与激光熔覆的材料、基材品种和工艺参数有很大的关系。目前，激光熔覆材料的材料可分为粉末状、膏状、丝状、棒状和薄板状，激光熔融粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末，其中金属粉末是自熔性合金粉末，金属粉末中含有的硅和硼等元素会优先与合金粉末中氧和工作表面氧化物一起熔融生产低熔点的硼硅酸盐等覆盖在金属表面，防止液态金属的过度氧化，提高熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中夹杂和含氧量。
镍基合金由于具有良好的减磨性、嵌入性、顺应性和抗咬合性，被广泛的应用于船舶、汽轮机、航空航天等轴承零部件表面耐磨层的制备。中国专利cn107803501a公开的一种锡基巴士合金构建的激光增材制造方法，在预热的表面镀一层锡的钢基板上铺设一层锡基巴士合金粉末层，用激光束选区加热金属粉末层，使其局部熔合，在表面镀一层锡的钢基板表面形成冶金结合的激光熔覆层，然后基板下降一个合金粉末层厚度，重复铺设一层锡基巴氏合金粉末层和激光束选区加热步骤，形成预上一层激光熔覆层冶金结合的激光熔覆层，逐层铺粉和激光熔覆，得到三维锡基巴氏合金构建。中国专利cn100575519c公开的镍基合金和具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门及制备方法，将粒径为100-325目的粉末状镍基合金粉末(成分和含量为：c1-1.5％、cr17.5-19.5％、mo7-9％、w3.5-4.5％、nb2-2.5％、si2.6-3％、n余量)，在1-4kw的激光功率下，通过多层多道搭接/多层单道激光熔覆同步输送到1cr18ni9ti/0cr18ni10ti不锈钢阀门上制备出所需长度、宽度和厚度的镍基合金层密封面，其中镍基合金层与不锈钢基体为冶金结合，无裂缝、气孔，镍基合金层包括镍基固溶体枝晶、枝晶间金属碳化物和金属硅化物。该方法制备的具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门中镍基合金层封面不含有b和co，具有高硬度、良好抗热震和抗撞击性能。由上述现有技术可知，依据镍基合金的组分性能优化激光熔融工艺，可制备得到多性能多外形的镍基巴士合金涂层，赋予复合材料更多的性能。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料的制备工艺，先以多层单道激光熔覆的同时输送镍基合金粉末在钢基材的表面附着一层镍基合金底层，然后在镍基合金底层的表面先后铺设一层稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末，激光熔融形成掺杂稀土/石墨烯的镍基合金夹心层，最后以多层多道激光熔覆的同时输送镍基合金粉末在刚基材的表面附着一层镍基合金表层，最后经铣削加工得到掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材；
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入稀土盐溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液，加热反应后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，水热反应得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到稀土改性的石墨烯粉末；
(3)将步骤(1)制备的涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层步骤(2)制备的稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材；
(4)将步骤(3)制备的掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体；
(5)将步骤(4)制备的夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工，得到掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)、(3)或者(4)中，镍基合金粉末的粒径为30-50μm，组分含量为：sn余量，cu：5.5-6.5％，sb：10.0-12.0％，fe：≤0.1％，zn：≤0.01％，bi：≤0.03％，as：≤0.1％，al：≤0.01％，pb：≤0.35％，cd：≤0.35％，其他元素：≤0.55％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，钢基材的碳含量为0.2％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，多层单道激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1500-2500w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18-20g/min，单层单道宽度为3.8-4mm，单层单道高度为1.1-1.2mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.3-2.4mm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，稀土盐为硝酸镧或者硝酸铈。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，稀土改性的石墨烯粉末的粒径为10-40μm，石墨烯的含量不低于70％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为1-5:10-20。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，激光功率为1400-1800w，激光束扫描速率为20mm/s。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为1400-2600w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18-20g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2-3.4mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600-1200w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18-20g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2-3.3mm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(5)中，掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料的表面粗糙度ra＜5μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明制备的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料主要原料为镍基合金粉末和钢基材，其中，由于锡基巴氏合金与钢基材热物性差异较大，在进行第一层熔覆的时主要为锡基巴氏合金与钢基材之间的结合，其结合质量的好坏直接影响着锡基巴氏合金与钢基材的结合力，后续的熔覆层均是在锡基巴氏合金基体上进行的熔覆，由于锡基巴氏合金的液相点温度为370℃，温度较低属于低熔点合金，因此如果输入能量较大，会导致熔覆过程中熔池铺展较开甚至发生熔池坍塌导致锡基巴氏合金液体流淌。由于锡基巴氏合金的液相点温度为370℃、钢基材熔点为1530℃，多层单道和多层多道的工艺参数并不一样。
本发明还在镍基合金底层和镍基合金面层之间加入掺杂稀土/石墨烯的镍基合金中间层，用镍基合金将稀土元素和石墨烯包覆其中，将镍基合金中加入高熔点的碳化物和稀土元素进行改性，强化涂层的硬度和耐磨性，细化掺杂稀土/石墨烯的镍基合金中间层的微观组织，提高整体镍基合金涂层的耐热性能、机械性能和耐磨性能等。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
镍基合金粉末的组分含量为：sn余量，cu：5.5-6.5％，sb：10.0-12.0％，fe：≤0.1％，zn：≤0.01％，bi：≤0.03％，as：≤0.1％，al：≤0.01％，pb：≤0.35％，cd：≤0.35％，其他元素：≤0.55％。
实施例1：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为1500w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，单层单道宽度为3.8mm，单层单道高度为1.1mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.3mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。其中道与道间偏离距离是根据熔覆层道与道之间的搭接率η＝(w-c)/w计算，根据以往的熔覆经验，要想得到表面平整度较好的熔覆层表面，道与道之间的搭接率取40％。根据搭接率计算公式η＝(w-c)/w及熔覆第一层和后续熔覆层过程中对应的工艺参数得到的单层单道锡基巴氏合金熔覆层尺寸参数计算得到道与道间偏离距离。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸镧溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至9.5，在75℃下加热反应5min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在100℃下水热反应6h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为1:10，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1400w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为1400w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为5mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
实施例2：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为2500w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，单层单道宽度为4mm，单层单道高度为1.2mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.4mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸铈溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至10，在85℃下加热反应10min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在130℃下水热反应10h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为5:20，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1800w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为2600w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.3mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1200w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.3mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为12mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
实施例3：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为1800w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19g/min，单层单道宽度为3.9mm，单层单道高度为1.13mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.34mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸镧或者硝酸铈溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至9.9，在80℃下加热反应6min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在120℃下水热反应8h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为3:16，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1500w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为2000w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19g/min，道间搭接率为45％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.22mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1000w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19g/min，道间搭接率为35％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.24mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为10mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
实施例4：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为2400w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19.79g/min，单层单道宽度为3.91mm，单层单道高度为1.18mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.37mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸镧或者硝酸铈溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至9.5，在82℃下加热反应7min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在115℃下水热反应8h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为2:17，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1550w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为2200w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19.6g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.27mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1000w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18.5g/min，道间搭接率为40％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.27mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为9mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
实施例5：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为2500w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，单层单道宽度为4mm，单层单道高度为1.1mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.4mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸镧或者硝酸铈溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至10，在75℃下加热反应9min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在105℃下水热反应7h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为3:19，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1750w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为2150w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，道间搭接率为40％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.3mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为850w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为18g/min，道间搭接率为45％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.3mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为9mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
实施例6：
(1)将碳含量为0.2％的钢基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送粒径为30-50μm的镍基合金粉末，在激光功率为1600w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，单层单道宽度为3.8mm，单层单道高度为1.2mm，在道间搭接率为40％的情况下，道与道间偏离距离为2.3mm的条件下，经多层单道激光熔覆在钢基材的表面，形成涂覆镍基合金底层的钢基材。
(2)将氧化石墨烯溶液超声分散均匀后，加入硝酸镧或者硝酸铈溶液，混合均匀后，滴加碱性溶液调节体系的ph值至10，在75℃下加热反应10min后，过滤取沉淀物，将沉淀物加入到葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，在100℃下水热反应10h，得到稀土改性的石墨烯溶液，将稀土改性的石墨烯溶液过滤洗涤干燥后，研磨过筛，得到粒径为10-40μm的稀土改性的石墨烯粉末，其中，石墨烯的含量不低于70％。
(3)按照稀土改性的石墨烯粉末和镍基合金粉末的质量比为1:20，将涂覆镍基合金底层的钢基材的表面铺先一层稀土改性的石墨烯粉末，再铺一层镍基合金粉末，在1400w功率下和激光束扫描速率为20mm/s的条件下，经激光熔融，得到掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材。
(4)将掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，在激光熔覆的同时输送镍基合金粉末，按照第一层工艺参数：激光功率为2600w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1200w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为20g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4mpa，光斑尺寸为3.2mm的条件下，经多层多道激光熔覆在掺杂稀土/石墨烯的镍基合金层钢基材表面，形成夹心型镍基合金层的基材坯体。
(5)将夹心型镍基合金层的基材坯体表面及边缘铣削加工至表面粗糙度ra＜5μm，得到厚度为12mm的掺杂稀土/石墨烯的夹心型镍基合金复合材料。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。