一种中部槽合金涂层及其激光熔覆工艺

技术领域

本申请涉及合金涂层熔覆技术领域，更具体地说，它涉及一种中部槽合金涂层及其激光熔覆工艺。

背景技术

煤是非常重要的能源，主要通过燃烧生产电力或热能。也是冶金、化学工业的重要原料，用于精炼金属，或生产化肥和许多化工产品。目前煤炭运输过程中，一般采用刮板输送机，中部槽是刮板输送机链传动系统的重要组成部分，在输送作业过程中直接与煤、岩、砾石相接触，由于煤和岩石的阻力过大、应力不均匀，中部槽表面很多位置的应力会超过满载条件下的许用应力，导致中部槽表面损坏，因此中部槽的性能好坏会直接影响到使用寿命。

为了减少煤炭等材料对中部槽的损坏，通常在中部槽表面涂覆一层合金材料，一般采用的涂覆方法为激光熔覆，利用激光的极高能量将合金粉末熔化、冷却后形成熔覆合金涂层，从而提升中部槽表面的硬度和耐磨性能。并且，技术人员对合金材料也进行了相关研究，开发出高熵合金，高熵合金是由5种及以上元素组成，且各元素的原子分数在5-35%之间的合金，其中使用率较高的元素主要包含Al、Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Ti等，采用高熵合金作为熔覆材料进一步提升了熔覆合金涂层的硬度和耐腐蚀性能。

高熵合金材料的性能相较于常规合金材料要好很多，但是合金在形成过程中，高熵合金涂层内会出现金属元素分布不均，会存在位错、偏聚等不良现象，导致高熵合金材料的性能优势没有完全发挥。

发明内容

为了进一步提升中部槽合金涂层的性能，本申请提供一种中部槽合金涂层及其激光熔覆工艺。

本申请提供一种中部槽合金涂层及其激光熔覆工艺，采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：将中部槽表面进行喷砂、抛光处理，去除表面的油污、铁锈杂质；

S2：按重量份计，取30-50份金属醋酸盐、200-300份无水乙醇置于反应釜内混合均匀，然后加入60-75份草酸、15-20份三乙胺、5-10份1,3-丙烷磺内酯继续搅拌1-1.5h，然后在煮沸条件下处理30-50min后得到前驱液；所述金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：向前驱液内加入1-2.5份季铵碱、3-5份硫代二甘醇继续搅拌10-20min，然后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；

S4：按重量份计，取25-35份松节油、7-12份松香、2-3份磷脂酰胆碱混合均匀制得粘结剂；然后取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末；

S5：取粘结剂和高熵合金粉末混合均匀制得涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，烘干后形成涂覆层；

S6：在惰性气体保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.3-1.5KW，扫描速度6-10mm/s，将涂覆层在惰性气体保护下熔覆后得到合金涂层。

通过采用上述技术方案，本申请先在中部槽表面形成涂覆层，使各高熵合金原料之间充分混合分散，然后采用激光熔覆的方式，形成具有高元素均匀性的合金涂层，从而充分发挥高熵合金材料的性能优势，获得更好的力学性能。

本申请的涂覆层在制备过程中，先用无水乙醇将金属醋酸盐溶解制得均相体系，然后加入草酸、三乙胺和1,3-丙烷磺内酯后，一部分金属离子与草酸根离子进行结合，同时在三乙胺的调配作用下进行结晶相变，从而形成微纳晶核作为生长中心。然后加入季铵碱和硫代二甘醇后，剩余的金属离子与草酸根离子以微纳晶核为中心结晶生长形成金属盐寡聚体。另外，在生长过程中，1,3-丙烷磺内酯在微纳晶核表面形成一层动态的分子阻力层，延缓金属离子的扩散沉积速率，细化结晶过程，提高金属盐寡聚体中各金属离子的分布均匀性，从而在烧结阶段可以提升涂层的致密度，减少枝晶偏移，获得较好的元素均匀性和微观结构稳定性，进一步提升高熵合金涂层的性能。

并且，本申请采用松节油、松香、磷脂酰胆碱混合制得粘结剂，再与高熵合金粉末混合均匀后，这些高熵合金粉末会在松节油-松香溶液体系内形成锚固位点，而胆碱均匀的分散在锚固位点周围，并通过分子间的物理作用、化学作用起到了稳定熔覆料体系的作用，而且在合适的范围内调控金属元素的迁移速度，并且在一定程度上削弱金属原子之间的相互作用和晶格畸变，实现层错能的降低以及流动应力的增加，提高固溶体的扩散率和相变速度，激活纳米孪晶，使得形成的合金涂层发挥更加优异的力学性能。

优选的，所述步骤S3中，季铵碱为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，优化和调整季铵碱的种类组成，平衡季铵碱分子的封端作用和空间位阻作用，改善金属盐寡聚体的结晶状态，进一步提升合金涂层的元素均匀性。

优选的，所述步骤S3中，季铵碱由四甲基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵按质量比1:0.5组成。

通过采用上述技术方案，进一步筛选和试验季铵碱的组成配比，进一步细化结晶过程，获得结晶形态更加无序均匀的金属盐寡聚体。

优选的，所述步骤S4中，金属盐寡聚体以草酸根计，控制金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉的摩尔比为(0.3-0.6):1:1:1:1:1:1。

通过采用上述技术方案，优化和调整，金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉的摩尔比，改善固溶体内各金属原子之间的空缺扩散过程，使得扩散后的平均能量较为均衡，进一步提升固溶体的扩散率和相变速度，从而提高合金涂层的性能。

优选的，所述步骤S5中，粘结剂与高熵合金粉末的质量比为(0.08-0.12):1。

通过采用上述技术方案，粘结剂添加过多，熔覆过程中容易产生较多孔隙，使得合金涂层开裂，粘结剂添加过少时，高熵合金粉末的颗粒之间没有形成完善的点接触，容易使合金涂层发生凹陷，因此试验和筛选粘结剂与高熵合金粉末的质量比，进一步改善合金涂层的结构状态。

优选的，所述步骤S5中，烘干是先以8℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，在100℃温度下保温120min；然后以12℃/min的升温速度从100℃升温至200℃，在200℃温度下保温10min；接着在以8.5℃/min的降温速度从200℃降温至120℃，最后自然冷却至室温。

通过采用上述技术方案，优化和调整烘干温度，改善涂覆层的微观结构状态，有利于提高元素均匀性。

优选的，所述步骤S4中，高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉的平均粒径为10-20μm。

通过采用上述技术方案，优化和调整高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉的平均粒径，使固体颗粒的比表面积适中，流变性能更好，有利于成型和熔覆。

优选的，所述步骤S1中，喷砂、抛光处理后中部槽的表面粗糙度Ra≤0.25μm。

优选的，所述步骤S5中，涂覆层的厚度为0.8-1.5mm。

第二方面，本申请提供一种中部槽合金涂层，中部槽合金涂层设置在中部槽基体表面，所述中部槽合金涂层采用上述的激光熔覆工艺制成。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请采用相变结晶工艺制得金属盐寡聚体，然后与高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉混合均匀制得高熵合金粉末，在与粘结剂混合后形成高分散均匀性的涂覆层，通过激光熔覆技术，获得具有高元素均匀性和微观结构稳定性的合金涂层，充分发挥高熵合金的优势，进一步提升了合金涂层的力学性能。

2、本申请中优化和调整季铵碱的种类组成，金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉的摩尔比，以及粘结剂与高熵合金粉末的质量比，进一步改善金属元素在涂覆层内的分散均匀性，提升熔覆过程中固溶体的扩散率和相变速度，从而提高合金涂层的力学性能。

3、采用本申请的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺制得的中部槽合金涂层具有较好的力学性能，耐磨性和硬度均有较大提升，能够延长中部槽的使用寿命。

附图说明

图1：本申请实施例1的中部槽合金涂层的SEM测试图。

图2：本申请实施例2的中部槽合金涂层的SEM测试图。

图3：本申请实施例3的中部槽合金涂层的SEM测试图。

图4：本申请对比例1的中部槽合金涂层的SEM测试图。

图5：本申请对比例2的中部槽合金涂层的SEM测试图。

图6：本申请对比例3的中部槽合金涂层的SEM测试图。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例及对比例的原料除特殊说明以外均为普通市售。

实施例

实施例1

本实施例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：取300g金属醋酸盐、2000g份无水乙醇置于带有搅拌和温控装置的反应釜内混合均匀，然后加入600g草酸、200g三乙胺、50g1,3-丙烷磺内酯继续搅拌1h，然后在煮沸条件下处理30min后得到前驱液；金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：向前驱液内加入10g季铵碱、50g硫代二甘醇继续搅拌10min，然后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；

S4：按重量份计，取350g松节油、70g松香粉、20g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比0.3:1:1:1:1:1:1取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末，其中，金属盐寡聚体摩尔量以草酸根计；

S5：按质量比0.12:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，以10℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，然后在100℃温度下烘干3h后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为0.8mm；

S6：在氩气保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.3KW，扫描速度10mm/s，光斑直径3mm，将涂覆层在氩气保护下熔覆后得到合金涂层。

其中，季铵碱为四乙基氢氧化铵。高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉和高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为10μm。松香粉的粒度为200目。

实施例2

本实施例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：取500g金属醋酸盐、3000g份无水乙醇置于带有搅拌和温控装置的反应釜内混合均匀，然后加入750g草酸、150g三乙胺、100g1,3-丙烷磺内酯继续搅拌1.5h，然后在煮沸条件下处理50min后得到前驱液；金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：向前驱液内加入25g季铵碱、30g硫代二甘醇继续搅拌20min，然后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；

S4：按重量份计，取250g松节油、120g松香粉、30g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比0.6:1:1:1:1:1:1取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末，其中，金属盐寡聚体摩尔量以草酸根计；

S5：按质量比0.08:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，先以8℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，在100℃温度下保温120min；然后以12℃/min的升温速度从100℃升温至200℃，在200℃温度下保温10min；接着在以8.5℃/min的降温速度从200℃降温至120℃，最后自然冷却至室温后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为1.5mm；

S6：在氩气保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.5KW，扫描速度6mm/s，光斑直径3mm，将涂覆层在氩气保护下熔覆后得到合金涂层。

其中，季铵碱为四丙基氢氧化铵。高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉和高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为20μm。松香粉的粒度为200目。

实施例3

本实施例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：取350g金属醋酸盐、2500g份无水乙醇置于带有搅拌和温控装置的反应釜内混合均匀，然后加入700g草酸、175g三乙胺、80g1,3-丙烷磺内酯继续搅拌1.5h，然后在煮沸条件下处理50min后得到前驱液；金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：向前驱液内加入30g季铵碱、35g硫代二甘醇继续搅拌15min，然后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；

S4：按重量份计，取300g松节油、100g松香粉、25g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比0.36:1:1:1:1:1:1取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末，其中，金属盐寡聚体摩尔量以草酸根计；

S5：按质量比0.1:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，先以8℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，在100℃温度下保温120min；然后以12℃/min的升温速度从100℃升温至200℃，在200℃温度下保温10min；接着在以8.5℃/min的降温速度从200℃降温至120℃，最后自然冷却至室温后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为0.95mm；

S6：在氩气保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.5KW，扫描速度6mm/s，光斑直径3mm，将涂覆层在氩气保护下熔覆后得到合金涂层。

其中，季铵碱由四甲基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵按质量比1:0.5组成。高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉和高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为15μm。松香粉的粒度为200目。

对比例

对比例1

本对比例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：按重量份计，取350g松节油、70g松香粉、20g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比1:1:1:1:1:1取高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末；

S3：按质量比0.12:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，以10℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，然后在100℃温度下烘干3h后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为0.8mm；

S4：在氩气保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.3KW，扫描速度10mm/s，光斑直径3mm，将涂覆层在氩气保护下熔覆后得到合金涂层。

其中，高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉和高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为10μm。松香粉的粒度为200目。

对比例2

本对比例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：取300g金属醋酸盐、2000g份无水乙醇置于带有搅拌和温控装置的反应釜内混合均匀，然后加入600g草酸继续搅拌1h，然后在煮沸条件下处理30min后得到前驱液；金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：向前驱液内加入10g季铵碱、50g硫代二甘醇继续搅拌10min，然后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；

S4：按重量份计，取350g松节油、70g松香粉、20g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比0.3:1:1:1:1:1:1取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末，其中，金属盐寡聚体摩尔量以草酸根计；

S5：按质量比0.12:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，以10℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，然后在100℃温度下烘干3h后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为0.8mm；

S6：在氩气保护下采用多道激光熔覆技术对涂覆层进行处理，控制工艺参数为：激光功率为1.3KW，扫描速度10mm/s，光斑直径3mm，将涂覆层在氩气保护下熔覆后得到合金涂层。

其中，季铵碱为四乙基氢氧化铵。高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为10μm。松香粉的粒度为200目。

对比例3

本对比例的中部槽合金涂层的激光熔覆工艺，包括如下步骤：

S1：预处理：取16锰钢材质的中部槽试样，将中部槽表面进行喷砂，然后用砂纸打磨、抛光处理，去除表面的油污、氧化铁锈杂质，使中部槽表面的粗糙度Ra≤0.25μm；

S2：取300g金属醋酸盐、2000g份无水乙醇置于带有搅拌和温控装置的反应釜内混合均匀，然后加入600g草酸、200g三乙胺、50g1,3-丙烷磺内酯继续搅拌1h，然后在煮沸条件下处理30min后过滤、洗涤、干燥后得到金属盐寡聚体；金属醋酸盐由醋酸镍、醋酸钴、醋酸铝按摩尔比1:1:0.5组成；

S3：按重量份计，取350g松节油、70g松香粉、20g磷脂酰胆碱在烧杯内混合均匀，过滤后制得澄清状的粘结剂；然后按摩尔比0.3:1:1:1:1:1:1取金属盐寡聚体、高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉、高纯铜粉混合均匀制得高熵合金粉末，其中，金属盐寡聚体摩尔量以草酸根计；

S4：按质量比0.12:1取粘结剂和高熵合金粉末，在干燥环境下置于密封搅拌罐内混合均匀制得泥状的涂覆料，然后将涂覆料均匀涂抹至中部槽表面，以10℃/min的升温速度从20℃升温至100℃，然后在100℃温度下烘干3h后形成涂覆层，使熔覆层的表面保持平整光滑，涂覆层的厚度为0.8mm；

S5：在氩气保护下采用C0

其中，高纯铝粉、高纯钴粉、高纯铬粉、高纯铁粉、高纯镍粉和高纯铜粉的纯度为4N，平均粒径为10μm。松香粉的粒度为200目。

性能检测试验

取实施例1-3以及对比例1-3的中部槽试样，采用1000#耐水砂纸对合金涂层进行打磨处理，抛光后进行维氏硬度测试，每个试样随机测10处位置，取平均值，测试结果如表1所示。

表1 实施例1-3以及对比例1-3的中部槽合金涂层的硬度测试结果

取实施例1-3以及对比例1-3的中部槽试样，切割成7×7×25mm的待测样品，采用MMV-1磨损试验机测试耐磨性，设置参数为：干磨滑动摩擦，载荷5kg，转速200r/min，测试时间1h，然后用电子称重测试前后待测样品的质量，计算失重量来评估耐磨性，测试结果如表2所示。

表2 实施例1-3以及对比例1-3的中部槽合金涂层的耐磨性能测试结果

取实施例1-3以及对比例1-3的中部槽试样，对合金涂层打磨抛光后用待用；取500g氯化铁、1L浓硝酸、300ml浓盐酸、8.5L无水乙醇混合均匀制得腐蚀液，用腐蚀液对合金涂层进行腐蚀，吹洗干净后进行SEM测试，测试结果如图1-图6所示。

结果分析

分析实施例1-3以及对比例1-3并结合表1-2可以看出，本申请制得的中部槽合金涂层具有较好的力学性能，硬度和耐磨性能都优于对比例，能够充分发挥高熵合金材料的优势，应用至煤矿运输可以延长中部槽的使用寿命，降低生产成本，适合推广应用。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。