专利名称：一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法，属于机械加工工艺领域。
背景技术：
随着现代工业的发展，大于800°的高温、氧化及冲击磨损工况环境在实际生产中越来越多，例如冶金行业的烧结、高炉系统，焦化行业中的炼焦系统，石化行业的炼化、合成系统中。而且，在航空、舰船等领域也经常出现如此恶劣的高温工况，对工作其中的金属结构和零部件提出了更高要求。在如此恶劣的高温冲击磨损工况下，高温对金属的氧化强烈，加速了金属的软化、老化；在高温物料冲击磨损情况下，结构和零部件损伤非常快，增大了企业生产成本。目前国内主要的钢铁企业、焦化企业、石化企业中，工况温度大于800°工作的结构和零部件主要采用整体耐热不锈钢材料，主要有ZG35Cr24Ni7、lCrl8Ni9Ti、耐热不锈钢20X23H18等。整体不锈钢材质成本高，高温硬度低，特别是耐高温磨损性能差，高温下氧化快，导致结构和零部件寿命短，影响企业连续生产，提高了企业成本。由于单一不锈钢材质在强度、硬度、耐高温、抗磨损及抗氧化等方面性能不可能兼顾，现有单一材质材料无法满足现场高温冲击磨损工况条件下长时间连续生产的要求。本发明提供一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法，由本发明获得的梯度复合材料，很好地满足了现场高温冲击磨损生产环境下对材料的长寿命、低成本要求，而且本发明制得的梯度复合材料还具有优秀的抗高温氧化性能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法。采用本发明方法制备的高温复合衬板，完全能够满足大于800°，小于1250°高温环境下冲击磨损的恶劣工况，并且具有良好的抗氧化性能、耐激冷激热性能、易于加工性能等，且价格低廉。为实现上述任务，本发明采取如下的技术方案其制备步骤是
1、根据金属基材和工况要求，配制打底层和表面层合金粉末，其中
打底层选用的金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末成分质量百分比为C: O. 25 O. 45%，Cr 10 30%，Ni :10 35%，余量为Al，进行混合；
表面层选用的金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末成分质量百分比为C 0. 05 O. 65%，Cr :3 20%，Ni :3 20%，余量为Al，进行混合；
2、对金属基材表面进行清除锈蚀、油污、氧化皮杂质预处理；
3、在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用气动送粉、或重力送粉、或者铺粉的方法送粉，粉层厚度为O. 7 3. 2mm，其中，激光器工艺参数为激光功率范围为1000W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为5mm/s 20mm/s，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为O. 2 2. 7mm ；
4、去除打底层合金表面氧化皮； 5、在打底层表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，采用气动送粉、或重力送粉、或者铺粉的方法送粉，粉层厚度为O. 7 3. 2mm，其中，激光器工艺参数为激光功率范围为500W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为3mm/s 15mm/s，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层合金表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，获得均匀的呈现梯度变化的耐高温冲击磨损合金层表面层合金厚度为O. 2 2. 7mm的复合材料。在本发明中，打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末的粒度为100 325目。在本发明中，打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末采用机械式混粉器混合均匀，混合时间I 2小时。在本发明中，表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末的粒度为100 325目。在本发明中，表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末采用机械式混粉器混合均匀，混合时间I 2小时。在本发明中，所述的金属基材可以是铸钢、冷热轧钢板，要求金属基材耐热工作温度达到800°以上。本发明复合材料的金属基陶瓷颗粒增强型合金熔覆层采用梯度设计，分为打底层和表面层。整个复合材料从金属基材到打底层，再到表面层，硬度从低到高逐渐变化，增强了打底层合金与金属基材、打底层合金与表面层合金的结合性能，并且打底层与表面层间硬度和成分变化小，在高温物料等的冲击下，不容易开裂。通过合金粉末成分的梯度变化获得力学性能的梯度变化，使得复合材料获得了良好的抗高温冲击性能。在半导体激光器输出的矩形高能量光束作用下，合金粉末与金属基材表面金属、合金粉末与打底层表面合金发生快速熔化和凝固，获得了晶粒细小、组织致密的带有金属基陶瓷颗粒增强相的冶金结合层。在金属基材表面制备了呈梯度变化的耐高温金属陶瓷层，获得了耐高温冲击磨损的复合材料。本发明方法制备的耐高温冲击磨损梯度复合材料，具有优秀的抗冲击、抗氧化、耐高温、耐磨损性能，同时以耐高温的铸钢和冷热轧钢板为复合材料基材，保证了复合材料良好的高温抗冲击能力，充分发挥了材料性能潜力。合金熔覆层中弥散分布着大量氧化物和碳化物陶瓷硬质相，具有理想的抗高温磨粒磨损及硬面磨损性能；金属陶瓷层的抗氧化性能优秀，而且在高温下容易形成钝化膜，不但保护了金属陶瓷层，还保护了金属基材。本发明的有益效果
本发明方法制备的耐高温冲击磨损梯度复合材料，比较传统的单一材质耐热不锈钢材料具有更好的耐高温冲击磨损、抗氧化性能，成本低，并具有良好的加工性能，而且实施方便，便于大规模生产。在冶金、焦化和石化等领域广泛使用这种梯度复合材料，每年可以为国家降低巨大的合金消耗和能耗，产生显著的直接经济效益和社会效益。
具体实施方式
以下结合发明人给出的实施实例对本发明进一步说明。实施例I
首先通过喷砂方法清除热轧lCrl3金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C O. 25%，Cr 10%, Ni 10%，余量为Al，合金粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C:O. 05%，Cr : 3%，Ni : 3%，余量为Al，合金粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时,混合均勻,在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用铺粉的方法送粉，粉层厚度为I. 7mm，打底层合金粉末熔覆的工艺参数为激光功率为1000W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为5mm/s，搭接率为5%，随着半导体激光光束的移动，在 金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为I. 2mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，采用气动送粉，粉层厚度为I. 0mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率500W，矩形光斑2 X 8mm,扫描速度为5mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 5mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例2
首先通过喷砂方法清除热轧钢板2Crl3金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质；根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C ； O. 25%，Cr : 12%，Ni : 12%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C O. 15%，Cr 5%，Ni 5%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I. 5小时，混合均勻，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，米气动方式送粉，粉层厚度为O. 8mm，打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率为1500W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为10mm/S，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为O. 3mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，采用气动送粉，粉层厚度为O. 8mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率1800胃，矩形光斑2\8111111，扫描速度为6mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 3mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例3
首先通过喷砂方法清除热轧2Crl3金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C O. 35%，Cr 15%, Ni : 15%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C : O. 09, Cr 10%，Ni 12%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I小时，混合均匀，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用气动送粉，粉层厚度为I. 5mm，打底层合金粉末激光熔覆的工艺参数为激光功率范围为2000W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为15mm/s，搭接率为5%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为1mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，米用气动送粉、或重力送粉、或者铺粉的方式送粉，粉层厚度为1mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率1200W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为7mm/s，搭接率为8%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 5mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。 实施例4
首先通过喷砂方法清除热轧lCrl3金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C O. 45%，Cr 30%, Ni :35%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C 0. 25%, Cr 12%，Ni 12%,余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I小时，混合均匀，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用气动送粉，粉层厚度为Imm ;打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率范围为3800W，矩形光斑
2X 8mm，扫描速度为20mm/s，搭接率为5%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为O. 5mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，米用或者铺粉的方式送粉，粉层厚度为1mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率为2000W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为12mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为
O.5mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例5
首先通过喷丸方法清除ZGlCrl3金属基材表面的锈蚀、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C O. 3%，Cr 18%，Ni : 18%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C : 0.4%，Cr 5%, Ni 5%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用重力送粉，粉层厚度为3. 2mm，打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率范围为3000W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为5mm/s，搭接率为5%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为2. 7mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，采用重力送粉，粉层厚度为1mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率1500W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为6mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 5mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例6
首先通过喷丸方法清除ZG2Crl3金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C O. 42%，Cr 16%，Ni : 16%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，各成分的质量百分比为C 0. 25%, Cr 8%, Ni :8%，余量为Al,粉末粒度为100 325目，米用机械式混粉器混合I小时，混合均勻，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用铺粉的方式送粉，粉层厚度为I. 2mm ;打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率为1600W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为llmm/s，搭接率为5%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为O. 7mm ;清除打底层合金表面的氧化皮；在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，米用气动送粉，粉层厚度为I. 5mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率3000W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为13mm/s，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为Imm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例7
首先通过喷丸方法清除lCrl8Ni9Ti金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为=C O. 25%，Cr 30%,Ni :35%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C O. 24%, Cr20%，Ni 15%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合2小时，混合均匀，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用气动送粉，粉层厚度为I. 5mm ;打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率范围为2500W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为10mm/S，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为1mm，清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，米用气动送粉，粉层厚度为1mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率2000W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为12mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 5mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。实施例8
首先通过喷丸方法清除316L金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质；根据金属基材的特点和工况要求，配制打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为c: O. 42%, Cr 10%, Ni :10%，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I小时，混合均匀；依据打底层合金粉末配比和工况要求，配制表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，其中，合金粉末成分的质量百分比为C : O. 25%, Cr 5%，Ni 6 %，余量为Al，粉末粒度为100 325目，采用机械式混粉器混合I小时，混合均匀，在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用重力送粉，粉层厚度为I. 5mm，打底层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率范围为2000W，矩形光斑2X8mm，扫描速度为10mm/S，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为1mm，清除打底层合金表面的氧化皮；在打底层合金表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，米用重力送粉，粉层厚度为O. 8mm，表面层合金粉末激光熔覆工艺参数为激光功率1800W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为9mm/s，搭接率为10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，得到表面层合金厚度为O. 3mm的耐高温冲击磨损梯度复合衬板，该复合衬板表面金属陶瓷合金层光滑、无裂纹。·
权利要求
1.一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法，其方法步骤包括 (1)根据金属基材和工况要求，配制打底层和表面层合金粉末，其中 打底层选用的金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末成分质量百分比为c: O. 25 O. 45%，Cr 10 30%，Ni :10 35%，余量为Al，进行混合； 表面层选用的金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末成分质量百分比为C 0. 05 O. 65%，Cr :3 20%，Ni :3 20%，余量为Al，进行混合； (2)对金属基材表面进行清除锈蚀、油污、氧化皮杂质预处理； (3)在金属基材表面通过大功率半导体激光器激光熔覆打底层合金粉末，采用气动送粉、或重力送粉、或者铺粉的方法送粉，粉层厚度为O. 7 3. 2mm，其中，激光器工艺参数为激光功率范围为1000W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为5mm/s 20mm/s，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在金属基材表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型打底层合金，打底层合金厚度为O. 2 2. 7_ ; (4)去除打底层合金表面氧化皮； (5)在打底层表面再通过大功率半导体激光器激光熔覆表面层合金粉末，采用气动送粉、或重力送粉、或者铺粉的方法送粉，粉层厚度为O. 7 3. 2mm，其中，激光器工艺参数为激光功率范围为500W 3800W，矩形光斑2 X 8mm，扫描速度为3mm/s 15mm/s，搭接率为5% 10%，随着半导体激光光束的移动，在打底层合金表面获得均匀的金属基陶瓷颗粒增强型表面层合金，获得均匀的呈现梯度变化的耐高温冲击磨损合金层表面层合金厚度为O.2 2. 7mm的复合材料。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末的粒度为100 325目。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，打底层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末米用机械式混粉器混合均勻，混合时间I 2小时。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末的粒度为100 325目。
5.如权力要求I所述的方法，其特征在于，表面层用金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末采用机械式混粉器混合均匀，混合时间I 2小时。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的金属基材可以是铸钢、冷热轧钢板，要求金属基材耐热工作温度达到800°以上。
全文摘要
本发明公开了一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法，其步骤包括金属基材表面预处理，根据金属基材和工况，配制金属基陶瓷颗粒增强型的打底层合金粉末；根据打底层合金粉末和工况，配制金属基陶瓷颗粒增强型的表面层合金粉末；通过半导体激光器在金属基材表面熔覆打底层合金粉末，获得打底层合金；清除打底层合金表面的氧化皮，在打底层合金表面通过半导体激光器再熔覆表面层合金粉末，获得表面层合金。采用本发明制备耐高温冲击磨损梯度复合材料，成本低，质量稳定，便于大规模生产，具有突出的经济效益和社会效益。
文档编号C23C24/10GK102912340SQ20121038933
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者赵明鹰 申请人:秦皇岛格瑞得节能技术服务有限公司