一种原位构筑FCC韧性相的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层及其制备方法

本发明属于金属表面工程及激光增材制造，具体涉及一种采用激光熔覆技术制备的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层及其制备方法。

背景技术：

1、钨具有超高熔点、高原子序数、高密度以及优良的高温强度与耐磨耐蚀性能，是具有应用潜力的耐高温、耐磨损和核辐射屏蔽材料，在核电结构部件、高温耐磨构件等极端服役环境中拥有广阔的应用前景。目前，耐磨耐蚀部件主要以传统工程钢材或硬质合金为主，但在高温、重载及剧烈磨损复杂等受力与服役环境下，传统材料的服役寿命仍受到较大限制。为了满足更严格的工况要求，开发具有更高硬度与耐磨特性的钨基材料成为研究热点。

2、目前，钨基材料主要以块体形式应用，然而受工艺、材料成本及加工费用的限制，一定程度上限制了其规模化工业应用。随表面工程技术的发展，采用激光熔覆技术在常规结构材料表面制备钨基金属涂层为解决这一问题提供了可行途径。在传统结构部件表面熔覆钨基涂层，不仅能显著降低贵金属消耗与制造成本，还能使部件表层兼具钨的高硬度与耐磨特性，有利于推动其工程化应用。

3、在激光熔覆过程中，由于钨的本征脆性较高，且钨与铁基基体之间存在显著的热膨胀系数差异和较大的熔点跨度，熔覆层易受急冷急热、超高温度梯度和多道搭接热循环的影响，产生极大的残余热应力。当局部拉应力超过材料的断裂极限时，涂层极易萌生贯穿性裂纹甚至发生剥落，难以制备出无裂纹缺陷的高性能熔覆层，从而严重制约了钨基金属涂层的大规模工业化应用。

技术实现思路

1、本发明针对现有钨基金属涂层在激光熔覆过程中易开裂的问题，提供一种枝晶间原位生成γ-(fe,ni)韧性相的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种原位构筑fcc韧性相的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，将w-ni合金粉末在真空条件下进行干燥处理；

5、步骤2，采用同轴送粉方式将上述w-ni合金粉末输送至待熔覆铁基基体表面，在保护气氛下按照设定的激光熔覆工艺参数进行单层多道往复搭接激光熔覆，使w-ni合金粉末与铁基基体表层同步熔化形成熔池，通过激光能量密度调控基体中fe元素的梯度性熔入，与粉末中的ni元素在枝晶偏聚区原位构建连续网状(fcc)γ-(fe,ni)韧性相网络，获得与基体冶金结合且无贯穿裂纹的钨基金属涂层。

6、优选地，步骤1中，按质量百分比计，所述w-ni合金粉末包含w75%～85%、ni15%～25%，优选为w80%、ni20%；所述w-ni合金粉末的纯度大于99.9%，粒径范围为15～100μm，平均feret粒径为35～50μm。

7、优选地，步骤1中，真空干燥处理的温度为80～120℃，保温时间为1～4h。

8、优选地，步骤2中，对待熔覆铁基基体表面进行洁净处理，具体过程为：用砂纸对待熔覆铁基基体表面进行打磨，并依次采用乙醇、丙酮进行清洗，以去除待熔覆表面的氧化物、油污、及杂质。

9、优选地，所述铁基基体为aisi1045钢；所述铁基基体的化学成分以质量百分比计包含：c0.35%～0.50%、si0.10%～0.40%、mn0.40%～0.80%、ni≤0.30%、cr≤0.30%，余量为fe及不可避免的杂质。

10、优选地，步骤2中，激光熔覆参数为：激光功率为1800～2200 w、扫描速率为350～450 mm/min、送粉速率为14～18 g/min、激光光斑直径为3.0～4.0 mm、相邻熔覆道搭接率为45%～55%；同轴送粉载粉气和保护气体均为高纯氩气，通过控制激光熔覆参数，使得激光熔覆过程中铁基基体向熔池中稀释的fe元素质量百分比控制为18%~30%，使熔覆层形成沿基体至涂层表面厚度方向，γ-(fe,ni)相体积分数先增后减的自适应梯度组织。

11、优选地，所得钨基金属涂层厚度为1.5～2.0 mm；涂层平均显微硬度不低于550hv；涂层平均断裂韧性不低于10mpa·m1/2；在15n法向载荷、4mm往复行程、4mm/s滑动速度和30min试验条件下，所得涂层的平均摩擦系数≤0.60，磨损率≤0.80×10-4mm3·n-1·m-1，磨损质量损失较基体降低60%以上。

12、优选地，所述涂层整体成分以质量百分比计为：w62.77%、fe23.09%、ni 14.14%；沿涂层厚度方向，涂层顶部、中部和底部的w固溶体相体积分数依次为61.8%、50.4%和43.3%，γ-(fe,ni)相体积分数依次为31.9%、43.7%和34.6%，(fe,ni)3w3c相体积分数依次为6.3%、5.9%和7.5%，涂层底部还含有体积分数为14.6%的w6fe7金属间化合物相。

13、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的方法制备的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层，所述涂层的微观组织包括以枝晶形式分布的体心立方(bcc)w固溶体、分布于所述w固溶体枝晶间区域的面心立方(fcc)γ-(fe,ni)韧性相、以及弥散分布于γ-(fe,ni)相基体邻近区域的(fe,ni)3w3c碳化物第二相；靠近基体的涂层底部还含有w6fe7金属间化合物；所述γ-(fe,ni)韧性相呈连续或非连续网状分布于w固溶体枝晶间，用于在凝固冷却过程中通过局部塑性变形容纳热应变并阻断或偏转裂纹。

14、第三方面，本发明还提供了一种第一方面所述的方法制备的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层或第二方面所述的无裂纹高强耐磨钨基金属涂层作为表面强化构件的用途。

15、优选地，所述表面强化构件为辐射屏蔽构件、核靶材构件、核电结构构件或高温耐磨钢制构件中任意一种。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、（1）本发明转变传统抑制基体稀释的思路，创新性地利用铁基基体熔入熔池的fe元素与预置w-ni粉末中的ni元素发生原位冶金反应。熔入的fe元素与粉末中的ni在快速凝固过程中发生协同作用，在脆性w固溶体枝晶间原位构筑热力学稳定的面心立方γ-(fe,ni)韧性相；创新性地利用γ-(fe,ni)相塑性变形容纳能力与位错储存能力释放热应力集中，有效地松弛凝固冷却过程中的残余拉应力，阻断微裂纹的萌生与扩展。从源头上抑制了裂纹的萌生与扩展，制备出宏观与微观均无裂纹缺陷的高性能钨基金属涂层。

18、（2）本发明原位构筑的网状γ-(fe,ni)韧性相对扩展裂纹具有显著的桥联、偏转与终止钝化作用，涂层平均断裂韧性达11.08±0.89 mpa·m1/2；同时，结合固溶强化、快凝位错强化及细小碳化物析出强化，使涂层平均显微硬度达606 hv，实现了高硬度与高韧性的平衡。

19、（3）本发明在干滑动摩擦磨损工况下，平均摩擦系数降低至0.57，磨损率降低至0.65×10-4mm3·n-1·m-1，磨损质量损失降低69.52%，显著提升了钢铁构件在重载磨损环境下的服役寿命。

20、（4）本发明无需对基体进行超高温整体预热，利用常规同轴送粉激光熔覆系统即可制备1.5～2.0mm厚度且冶金结合良好的涂层，适用于核电结构件等钢制零部件的表面强化与再制造。