1.本发明涉及激光增材制造、激光熔覆和激光热喷技术领域，尤其涉及一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层及制备方法。
背景技术：2.目前工业上常用于提高铜耐磨和抗腐蚀性能的方法主要为在其表面制备涂层，多用冷喷涂、热喷涂、电镀、激光熔覆等技术。传统冷热喷涂和电镀所制备的涂层与基体结合强度较低，涂层孔隙率较高，因此很难达到所需要的性能；激光熔覆技术作为一种先进的涂层制备工艺，能够有效的提高涂层和基体的结合强度，并且涂层致密度高，但由于铜表面反射率过大，在激光熔覆过程中造成能量损失较多，导致涂层难以成型。
3.目前国内通过激光熔覆技术来制备镍基涂层提高基体的耐磨损性能时，由于所使用的ni45或ni60粉末具有较高的硬度，因此导致所制得的涂层塑韧性较差，在制备的过程中易产生裂纹等缺陷，这些缺陷会大大降低涂层的耐腐蚀性能，使基体无法得到有效的保护。然而当前大多数制备镍基复合材料粉末的方法工艺流程都相对复杂，或所添加的元素较多且价格较高，导致制作的成本大大增多，这一系列原因严重制约了镍基复合粉末在激光熔覆技术中的推广应用。
技术实现要素：4.本发明提供一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层及制备方法，旨在解决镍基复合材料粉末塑韧性较差且制备工艺较为复杂的缺陷，实现在铜基体表面制备涂层致密度高且不开裂的高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层。
5.本发明提供的具体技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层包括冶金结合形成在铜基体表面的纯镍过渡层和冶金结合形成在所述纯镍过渡层表面的镍基复合材料涂层，所述镍基复合材料涂层采用镍基复合材料粉末经激光熔覆成型在所述纯镍过渡层表面，所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。
7.可选的，镍基合金粉末的粉末粒径为17～53μm，铌粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，铌粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，碳化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，钽粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，钽粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化钽粉末的单个颗
粒粒径为2～3μm，碳化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化钽粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm。
8.可选的，所述镍基复合材料粉末中镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末的质量份数比为25:1:4，所述纯镍过渡层的线膨胀系数介于所述铜基体和所述镍基复合材料涂层的线膨胀系数之间。
9.可选的，所述镍基复合材料涂层的制备工艺参数为：光纤激光器的功率为3～4kw配合使用的扫描速度为25～30mm/s和送粉速度为20～28g/min，所述镍基复合材料涂层的搭接率为30％～40％。
10.可选的，所述镍基复合材料粉末的制备方法如下：
11.在球磨罐中加入质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，按照正转反转依次交替循环的球磨方式进行球磨200～260分钟，其中，每球磨10～30分钟之后间隔停止3～6分钟后再次启动球磨，球磨过程中球磨机的正转速度为70～100r/min，反转速度为70～100r/min。
12.可选的，所述镍基复合材料粉末的制备过程中采用的不锈钢球磨珠包括质量比为1～2:3～6:2～4的大球、中球和小球，其中，大球、中球和小球为直径尺寸逐渐递减的三种尺寸球磨珠，球磨过程中的球料比为5～15:1；大球直径大于中球直径且小于中球直径的2倍，中球直径大于小球直径且小于小球直径的3倍，球磨过程中的球料比为10:1，球磨过程中采用的不锈钢球磨珠中大球、中球和小球的质量比为2:5:3。
13.可选的，所述镍基复合材料粉末为小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的粉末形态。
14.可选的，所述镍基复合材料粉末的制备方法如下：
15.在雾化机中加入按照质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的比例加入镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，之后按照气雾化或水雾化的方式制备成小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的混合粉末形态。
16.可选的，所述镍基复合材料涂层的显微硬度为所述铜基体的显微硬度的2～4倍，所述镍基复合材料涂层的显微硬度随温度升高而降低的幅度比所述铜基体的显微硬度随温度升高而降低的幅度小。
17.第二方面，本发明实施例提供一种制备不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的方法包括：
18.采用激光熔覆工艺在铜基体表面制备一层纯镍过渡层，其中，所述纯镍过渡层的材质为纯镍金属粉，所述纯镍过渡层的韧性大于基体和镍基复合材料涂层，所述纯镍过渡层的线膨胀系数大于镍基复合材料涂层的线膨胀系数且所述纯镍过渡层的线膨胀系数小于铜基体的线膨胀系数；
19.将所述基体和所述纯镍过渡层加热至420℃～550℃并保温3小时～4小时进行去应力退火处理；
20.采用镍基复合材料粉末配合激光熔覆工艺在所述纯镍过渡层的表面制备镍基复合材料涂层；所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸
为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。
21.本发明的有益效果如下：
22.本发明提供一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层包括冶金结合形成在铜基体表面的纯镍过渡层和冶金结合形成在纯镍过渡层表面的镍基复合材料涂层，通过在镍基复合材料涂层中添加铌粉末、钽粉末等金属粉末和碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末等强化陶瓷相粉末，铌和钽均是强碳化物形成金属元素，在熔池中会优先与碳结合生成碳化铌或碳化钽，避免粗大碳化物的形成，同时碳化铌或碳化钽都具有较低的吉布斯自由能，在熔池中会优先长大，同时外加的一定比例的碳化铌、硼化铌、碳化钽或硼化钽可以起到弥散强化作用防止合金硬度的大幅降低，由此通过抑制粗大脆性相的生成并增加异质形核质点的方法实现了镍基复合材料粉末塑韧性的增加，解决了镍基复合材料粉末塑韧性较差且制备工艺较为复杂的缺陷，能够使所制备的镍基复合材料涂层不开裂并且具有高耐磨损、高耐腐蚀性能。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例的一种镍基复合材料涂层的结构示意图；
25.图2为在镍过渡层表面制备的纯镍45涂层和镍基复合材料涂层的宏观形貌；
26.图3为在镍过渡层表面制备的纯镍45涂层和镍基复合材料涂层的微观形貌；
27.图4为本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的常温显微硬度示意图；
28.图5为本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层以及基体的电化学测试极化曲线。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.下面将结合图1～图5对本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层及制备方法进行详细的说明。
32.本发明实施例的发明人付出创造性的劳动对制备的开裂镍基涂层进行观察分析，付出创造性的劳动发现镍基涂层开裂的原因主要在高硬脆性的粗大碳化物在晶界处析出形成网状碳化物枝晶，之后由于高速激光熔覆是一个快热快冷的增材制造过程，进而在强烈的热失衡引起的热应力作用下，网状的碳化物沿晶界发生开裂导致涂层出现开裂现象，进而降低其耐腐蚀性能和耐磨性能。
33.正是基于上述分析和发现，本发明实施例创新性的在镍基合金粉末中添加一定比例的铌粉末、钽粉末等金属粉末和碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末等强化陶瓷相粉末，铌和钽均是强碳化物形成金属元素，在熔池中会优先与碳结合生成碳化铌或碳化钽，避免粗大碳化物的形成，同时碳化铌或碳化钽都具有较低的吉布斯自由能，在熔池中会优先长大，同时外加的一定比例的碳化铌、硼化铌、碳化钽或硼化钽可以起到弥散强化作用防止合金硬度的大幅降低，由此通过抑制粗大脆性相的生成并增加异质形核质点的方法实现了镍基复合材料粉末塑韧性的增加，解决了镍基复合材料粉末塑韧性较差且制备工艺较为复杂的缺陷，能够使所制备的镍基复合材料涂层不开裂并且具有高耐磨损、高耐腐蚀性能。
34.实施例一
35.参考图1所示，本发明实施例一提供的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层包括冶金结合形成在铜基体1表面的纯镍过渡层2和冶金结合形成在纯镍过渡层2表面的镍基复合材料涂层3，镍基复合材料涂层3采用镍基复合材料粉末经激光熔覆成型在所述纯镍过渡层表面，所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。
36.本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，在涂层的制备过程中，先使用激光熔覆技术在铜基体上制备一层纯镍的过渡层，因为铜和镍之间可以形成无限固溶体，因此可以保证即使铜的高反射率造成热量损失，依然能够使过渡层与铜基体结合良好，这样便降低了之后功能涂层的制备难度，即只需在纯镍层上熔覆功能涂层，功能涂层为镍基复合材料涂层(又叫做镍基复合涂层)，可以有效地与纯镍过渡层结合，同时纯镍过渡层还可以平衡铜基体与镍基复合材料涂层之间线膨胀系数的差异，防止在镍基复合材料涂层制备过程中裂纹的产生。
37.本发明实施例通过添加铌或钽等强碳化物和硼化物的生成元素(碳化物和硼化物是镍基合金的主要强化陶瓷相，也是产生开裂的主要原因)，来抑制脆性陶瓷相，从而抑制功能涂层制备时产生裂纹。然后通过后续时效热处理，生成新的强化陶瓷相进一步提高镍基复合材料涂层的硬度和强度，并因为制备镍基复合材料涂层时产生的较高的应力在高温热处理时得到有效释放，从而避免了裂纹的产生(裂纹产生根本原因是脆性相+较高的应力)。
38.进一步的，镍基复合材料涂层制备中采用的镍基合金粉末的粉末粒径为17～53μ
m，铌粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，铌粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，碳化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，钽粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，钽粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化钽粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，碳化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化钽粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm。
39.通过优化选择镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末的粉末粒径，可以实现加入的金属粉末充分降低镍基复合粉末的裂纹敏感性，提高其耐磨粒磨损的性能，而强化陶瓷相粉末的加入可以对镍基体起到弥散强化的作用，保证其硬度不会下降过多；合适的粉末颗粒尺寸选择以及球磨工艺的设置，最终形成包覆粉末以确保粉末成分的均匀性以及良好的流动性。通过优化选择镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末的粉末粒径，实现了小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的粉末形态可以进一步避免高硬镍基合金涂层开裂的产生，提升其耐腐蚀性能和耐磨性能。
40.进一步的，镍基复合材料粉末中镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末的质量份数比为25:1:4，所述纯镍过渡层的线膨胀系数介于所述铜基体和所述镍基复合材料涂层的线膨胀系数之间。镍基复合材料涂层的制备工艺参数为：光纤激光器的功率为3～4kw配合使用的扫描速度为25～30mm/s和送粉速度为20～28g/min，所述镍基复合材料涂层的搭接率为30％～40％。
41.本发明实施例通过优化镍基复合材料涂层制备过程中的工艺参数，将扫描速度与激光器功率和送粉速度相结合，降低了镍基复合材料涂层出现裂纹的可能性，而且纯镍过渡层的存在降低了由于铜基体和镍基复合材料涂层之间由于线膨胀系数差导致的热应力，从而降低镍基复合材料涂层的表面缺陷发生率，防止在镍基复合材料涂层制备的过程中裂纹的产生，能够有效解决镍基复合材料涂层在制备过程中的开裂现象，有效的保护基体免受腐蚀磨损的威胁。
42.进一步的，镍基复合材料粉末的制备方法如下：在球磨罐中加入质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，按照正转反转依次交替循环的球磨方式进行球磨200～260分钟，其中，每球磨10～30分钟之后间隔停止3～6分钟后再次启动球磨，球磨过程中球磨机的正转速度为70～100r/min，反转速度为70～100r/min。
43.优选的，制备过程中，按照正转反转依次交替循环的球磨方式进行球磨240分钟，其中，每球磨20分钟之后间隔停止5分钟后再次启动球磨，球磨过程中球磨机的正转速度为90r/min，反转速度为90r/min。通过合理的优化球磨时间和球磨方式，按照每球磨20分钟之后间隔停止5分钟后再次启动球磨的方式进行，可以避免连续球磨导致粉末温度过高而影响其性能，通过每球磨20分钟之后间隔停止5分钟，可以避免球磨过程中粉末温度过高引起性能下降。
44.进一步的，镍基复合材料粉末的制备过程中采用的不锈钢球磨珠包括质量比为1～2:3～6:2～4的大球、中球和小球，其中，大球、中球和小球为直径尺寸逐渐递减的三种尺寸球磨珠，球磨过程中的球料比为5～15:1；大球直径大于中球直径且小于中球直径的2倍，中球直径大于小球直径且小于小球直径的3倍，球磨过程中的球料比为10:1，球磨过程中采用的不锈钢球磨珠中大球、中球和小球的质量比为2:5:3。镍基复合材料粉末为小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的粉末形态。通过优化选择球磨珠的尺寸配合，可以避免球磨完成之后的
粉末颗粒度过小，优化选择球磨珠的尺寸和配比，配合球磨过程中正反转转速的优化，可以使粉末混合均匀并且避免球磨过程导致颗粒过小，保证了球磨完成之后小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的粉末形态良好。通过优化球磨方式及参数选择可以使粉末混合均匀并且避免球磨过程导致颗粒过小，避免温度过高时粉末性能下降。
45.可选的，镍基复合材料粉末的另一种制备方法如下：
46.在雾化机中加入按照质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的比例加入镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，之后按照气雾化或水雾化的方式制备成小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的混合粉末形态。
47.本发明实施例镍基复合材料涂层的显微硬度为铜基体的显微硬度的2～4倍，镍基复合材料涂层的显微硬度随温度升高而降低的幅度比铜基体的显微硬度随温度升高而降低的幅度小。
48.图2所示为在镍过渡层表面制备的纯镍45涂层和镍基复合材料涂层的宏观形貌，可以明显的看到纯镍45涂层表面有较多的横向裂纹，这些裂纹会严重影响涂层的性能，而镍基复合材料涂层表面经探伤后基本没有明显的缺陷。
49.图3所示为在镍过渡层表面制备的纯镍45涂层和镍基复合材料涂层的微观形貌，根据二者的微观形貌可以发现，纯镍45涂层开裂主要是由于其中主要的强化陶瓷相为粗大、硬脆的网状碳化物和硼化物，同时激光熔覆是一个快热快冷的过程，在这个过程中硬质相与熔池的接触位置易产生应力集中，进而出现开裂的现象；而镍基复合材料涂层中通过添加一些强的碳化物和硼化物形成元素来抑制原本粗大的网状碳化物和硼化物的生成，进而抑制裂纹的产生。
50.参考图4所示，图4为本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的常温显微硬度示意图，结合图4可以看出，铜基体的显微硬度大约在150hv
100
，而镍基复合材料涂层的显微硬度值平均为409.43hv
100
，镍基复合材料涂层将铜基体的硬度提升至原来的2.7倍以上，而硬度的提升进而可以提升其耐磨性能。
51.本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的高温显微硬度测试结果如下表1所示：
52.表1：高温显微硬度值测试结果
[0053][0054]
由高温显微硬度测试结果可以发现，在300℃时镍基复合材料涂层表面的显微硬度约为331.86，对照常温显微硬度来看，下降约18.9％,下降程度较小，证明此镍基复合材料涂层在高温工作温度环境下仍可以保持较高的硬度。
[0055]
本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层采用销盘式摩擦磨损试验机分别对镍基复合材料涂层和基体进行常温耐磨损测试，测试过程过程中采用100n的试验载荷，摩擦转速为100r/min，摩擦半径为12.5mm，磨损时间为30min，测试得到涂层和基体各三组不同的常温摩擦磨损系数，对涂层来说，a组的常温摩擦磨损系数为0.693，b组的常温摩擦磨损系数为0.737，c组的常温摩擦磨损系数为0.653，对基体来说，d组的常温摩擦磨损系数为0.907，e组的常温摩擦磨损系数为0.915，f组的常温摩擦磨损系数为
0.997，常温摩擦磨损测试结果如下表2所示：
[0056]
表2：常温摩擦磨损测试结果
[0057][0058]
采用销盘式摩擦磨损试验机对镍基复合材料涂层进行高温耐磨损测试，测试过程中采用100n的试验载荷，摩擦转速为156.25r/min，摩擦半径为8mm，磨损时间为30min，试验温度为300℃，测试得到三组不同的高温摩擦磨损系数，1组的高温摩擦磨损系数为0.472，2组的高温摩擦磨损系数为0.449，3组的高温摩擦磨损系数为0.490，高温摩擦磨损测试结果如下表3所示：
[0059]
表3：高温摩擦磨损测试结果
[0060][0061]
由摩擦磨损测试结果可以发现，镍基复合材料涂层常温摩擦磨损平均摩擦系数为0.694，平均磨损量为1.5mg，而基体的平均摩擦系数为0.940，平均磨损量为654.2mg，基体的摩擦系数接近于1，即其与对磨材料在摩擦磨损的过程中发生了冷焊的现象，另外基体的质量损失是涂层的436倍以上，而涂层的磨损率相较于基体降低了三个数量级，说明镍基复合材料涂层具有较为优异的耐磨损能力，在300℃下涂层的平均摩擦系数为0.470，平均磨损量为3.1mg，磨损量虽然比常温时有所增大但仍然远远小于常温下基体的磨损失重，试样的平均磨损率为1.56
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
，是其常温磨损率的2.3倍，但比常温下基体的磨损率降低了两个数量级。而随着温度的升高磨损量加大的原因主要是在300℃时，镍基复合材料涂层的硬度有所下降，而硬度与耐磨性一般呈现正相关性。综合来看，镍基复合材料涂层具有良好的常温和高温耐磨性能。
[0062]
参考图5所示，图5为本发明实施例的一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层以及基体的电化学测试极化曲线图，结合图5可以看出，镍基复合材料涂层相较于基体来说腐蚀电位更高，腐蚀电流更小。
[0063]
本发明实施例的一种不开裂高耐磨损镍基复合材料涂层以及铜基体的电化学腐蚀测试结果如下表4所示：
[0064]
表4：电化学腐蚀测试结果
[0065][0066]
从电化学测试结果可以发现，基体的腐蚀电位为-0.302v，而镍基复合材料涂层的腐蚀电位提升到了-0.259v，提升了17％左右，说明涂层拥有比基体更小的腐蚀倾向。基体
的腐蚀电流密度为3.292
×
10-6
a/cm2，而涂层的腐蚀电流密度为1.536
×
10-6
a/cm2，腐蚀电流密度降低程度超过了53％，腐蚀速率更是低至1.51
×
10-2
mm/a，从腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率来看，镍基复合材料涂层具有较好的抗腐蚀能力，腐蚀速率较慢，可以有效的提升铜基体的耐蚀性能。
[0067]
实施例二
[0068]
另一方面，基于相同的发明构思，本发明实施例2提供一种制备不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的方法包括：
[0069]
采用激光熔覆工艺在铜基体表面制备一层纯镍过渡层，其中，所述纯镍过渡层的材质为纯镍金属粉，所述纯镍过渡层的韧性大于基体和镍基复合材料涂层，所述纯镍过渡层的线膨胀系数大于镍基复合材料涂层的线膨胀系数且所述纯镍过渡层的线膨胀系数小于铜基体的线膨胀系数；
[0070]
将所述基体和所述纯镍过渡层加热至420℃～550℃并保温3小时～4小时进行去应力退火处理；
[0071]
采用镍基复合材料粉末配合激光熔覆工艺在所述纯镍过渡层的表面制备镍基复合材料涂层；所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。
[0072]
本发明提供一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层包括冶金结合形成在铜基体表面的纯镍过渡层和冶金结合形成在纯镍过渡层表面的镍基复合材料涂层，通过在镍基复合材料涂层中添加铌粉末、钽粉末等金属粉末和碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末等强化陶瓷相粉末，铌和钽均是强碳化物形成金属元素，在熔池中会优先与碳结合生成碳化铌或碳化钽，避免粗大碳化物的形成，同时碳化铌或碳化钽都具有较低的吉布斯自由能，在熔池中会优先长大，同时外加的一定比例的碳化铌、硼化铌、碳化钽或硼化钽可以起到弥散强化作用防止合金硬度的大幅降低，由此通过抑制粗大脆性相的生成并增加异质形核质点的方法实现了镍基复合材料粉末塑韧性的增加，解决了镍基复合材料粉末塑韧性较差且制备工艺较为复杂的缺陷，能够使所制备的镍基复合材料涂层不开裂并且具有高耐磨损、高耐腐蚀性能。
[0073]
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
技术特征：1.一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层包括冶金结合形成在铜基体表面的纯镍过渡层和冶金结合形成在所述纯镍过渡层表面的镍基复合材料涂层，所述镍基复合材料涂层采用镍基复合材料粉末经激光熔覆成型在所述纯镍过渡层表面，所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。2.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，镍基合金粉末的粉末粒径为17～53μm，铌粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，铌粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，碳化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化铌粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化铌粉末的聚集尺寸为10～20μm，钽粉末的单个颗粒粒径为4～5μm，钽粉末的聚集尺寸为17～53μm，碳化钽粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，碳化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm，硼化钽粉末的单个颗粒粒径为2～3μm，硼化钽粉末的聚集尺寸为10～20μm。3.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料粉末中镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末的质量份数比为25:1:4，所述纯镍过渡层的线膨胀系数介于所述铜基体和所述镍基复合材料涂层的线膨胀系数之间。4.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料涂层的制备工艺参数为：光纤激光器的功率为3～4kw配合使用的扫描速度为25～30mm/s和送粉速度为20～28g/min，所述镍基复合材料涂层的搭接率为30％～40％。5.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料粉末的制备方法如下：在球磨罐中加入质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，按照正转反转依次交替循环的球磨方式进行球磨200～260分钟，其中，每球磨10～30分钟之后间隔停止3～6分钟后再次启动球磨，球磨过程中球磨机的正转速度为70～100r/min，反转速度为70～100r/min。6.根据权利要求5所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料粉末的制备过程中采用的不锈钢球磨珠包括质量比为1～2:3～6:2～4的大球、中球和小球，其中，大球、中球和小球为直径尺寸逐渐递减的三种尺寸球磨珠，球磨过程中的球料比为5～15:1；大球直径大于中球直径且小于中球直径的2倍，中球直径大于小球直径且小于小球直径的3倍，球磨过程中的球料比为10:1，球磨过程中采用的不锈钢球磨珠中大球、中球和小球的质量比为2:5:3。7.根据权利要求5所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料粉末为小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的粉末形态。8.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料粉末的制备方法如下：
在雾化机中加入按照质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的比例加入镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，之后按照气雾化或水雾化的方式制备成小颗粒粉末包裹大颗粒粉末的混合粉末形态。9.根据权利要求1所述的不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，其特征在于，所述镍基复合材料涂层的显微硬度为所述铜基体的显微硬度的2～4倍，所述镍基复合材料涂层的显微硬度随温度升高而降低的幅度比所述铜基体的显微硬度随温度升高而降低的幅度小。10.一种制备不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层的方法，其特征在于，所述方法包括：采用激光熔覆工艺在铜基体表面制备一层纯镍过渡层，其中，所述纯镍过渡层的材质为纯镍金属粉，所述纯镍过渡层的韧性大于基体和镍基复合材料涂层，所述纯镍过渡层的线膨胀系数大于镍基复合材料涂层的线膨胀系数且所述纯镍过渡层的线膨胀系数小于铜基体的线膨胀系数；将所述基体和所述纯镍过渡层加热至420℃～550℃并保温3小时～4小时进行去应力退火处理；采用镍基复合材料粉末配合激光熔覆工艺在所述纯镍过渡层的表面制备镍基复合材料涂层；所述镍基复合材料粉末包括质量份数比为20～30:0.5～2:2～6的镍基合金粉末、金属粉末、强化陶瓷相粉末，其中，所述镍基合金粉末的粉末粒径为16～55μm，所述金属粉末包括铌粉末和钽粉末中的至少一种，所述铌粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述铌粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述钽粉末的单个颗粒粒径为4～6μm，所述钽粉末的聚集尺寸为15～60μm，所述强化陶瓷相粉末包括碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末中的至少一种，所述强化陶瓷相粉末的单个颗粒粒径为1～4μm，所述强化陶瓷相粉末的聚集尺寸为8～25μm。
技术总结本发明公开了一种不开裂高耐磨损耐腐蚀镍基复合材料涂层，属于激光喷涂技术领域，通过在镍基复合材料涂层中添加铌粉末、钽粉末和碳化铌粉末、硼化铌粉末、碳化钽粉末和硼化钽粉末等强化陶瓷相粉末，铌和钽均是强碳化物形成金属元素，在熔池中会优先与碳结合生成碳化铌或碳化钽，避免粗大碳化物的形成，在熔池中会优先长大，同时外加的一定比例的强化陶瓷相粉末可以起到弥散强化作用防止合金硬度的大幅降低，由此通过抑制粗大脆性相的生成并增加异质形核质点的方法实现了镍基复合材料粉末塑韧性的增加，解决了镍基复合材料粉末塑韧性较差且制备工艺较为复杂的缺陷，能够使所制备的镍基复合材料涂层不开裂并且具有高耐磨损、耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。
技术研发人员：王豫跃 张景纯 牛强 赖亚楠 李长久 杨冠军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/5
