技术领域
[0001] 本发明涉及金属复合材料技术领域，具体而言，涉及一种基于激光熔覆法制备铁基复合材料的方法。
相关背景技术
[0002] 金属基复合材料是一种在金属基体中添加其他材料，以提高金属材料性能和功能的新型材料；相对于金属材料，金属基复合材料在热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、电性能、磁性能等方面都存在显著的优势，因此，金属基复合材料被广泛地应用于石油、化工、船舶、冶金、矿山、机械制造、电力、水利、交通、环保、压力容器制造、食品、酿造、制药等诸多领域。
[0003] 然而，金属基复合材料中含有不同的金属或非金属成分，这些成分之间的界面结合强度往往难以达到最理想的状态，因此，在实际应用中，往往容易出现开裂、剥层等现象，从而在一定程度上导致金属基复合材料耐磨性能较差；另外，由于金属基复合材料中添加了各种金属成分，这使得金属基复合材料相较于传统金属材料密度更大、重量更重，在某些对材料重量有严格要求的应用领域，如航空航天领域，采用高密度、高重量的金属基复合材料对飞行器的安全性能有着不可忽视的影响。鉴于此，开发一种轻质耐磨的金属基复合材料，成为本领域亟待解决的技术问题。
具体实施方式
[0027] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 以下实施例中，所述原料如无特别说明均为市购。
[0029] 以下实施例中，所述“份”如无特别说明均为质量份，按照1份＝1kg进行实施例的制备。
[0030] 以下实施例中，一种基于激光熔覆法制备铁基复合材料的方法，包括以下步骤：
[0031] 1)按照铁粉60～100份、镁粉10～20份、碳化钛粉末20～30份、碳化钨粉末5～10份和硼粉5～10份称取各原料；
[0032] 2)将步骤1)称取得到的各原料粉末混合，控制球磨机的转速为100～200rpm，将原料粉末球磨至粒径小于50μm；
[0033] 3)将步骤2)球磨后的原料粉末于80～120℃烘干20～40min，之后于200～250℃预热90～120min，得到铁基合金混合粉末；
[0034] 4)对基体材料中碳结构钢60S i 2Mn进行喷砂处理，之后对喷砂处理后的基体材料进行酸洗，得到经预处理的基体材料；
[0035] 5)将步骤3)得到的铁基合金混合粉末装入激光熔覆装置的送粉器中，将步骤4)得到的经预处理的基体材料夹在激光熔覆装置上，利用激光熔覆装置熔融所述铁基合金混合粉末对基体材料进行熔覆，得到所述铁基复合材料；
[0036] 其中，激光熔覆装置的工艺参数为：激光功率为300～500W，激光扫描速度为15～20mm/s，光斑直径为0.5～2mm，熔覆速率为50～100m/min，送粉速度为3～5g/min，搭接率为
30～50％，离焦量为0.5～1mm。
[0037] 实施例1
[0038] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0039] 1)按照铁粉60份、镁粉10粉、碳化钛粉末20份、碳化钨粉末5份和硼粉5份称取各原料；
[0040] 2)将步骤1)称取得到的各原料粉末混合，控制球磨机的转速为150rpm，将原料粉末球磨至粒径小于50μm；
[0041] 3)将步骤2)球磨后的原料粉末于100℃下，烘干30min，之后于220℃下，预热100min，得到铁基合金混合粉末；
[0042] 4)对基体材料中碳结构钢60S i 2Mn进行喷砂处理，之后对喷砂处理后的基体材料进行酸洗，得到经预处理的基体材料；
[0043] 5)将步骤3)得到的铁基合金混合粉末装入激光熔覆装置的送粉器中，将步骤4)得到的经预处理的基体材料夹在激光熔覆装置上，利用激光熔覆装置熔融所述铁基合金混合粉末对基体材料进行熔覆，得到所述铁基复合材料；
[0044] 其中，激光熔覆装置的工艺参数为：激光功率为400W，激光扫描速度为18mm/s，光斑直径为1mm，熔覆速率为80m/min，送粉速度为4g/min，搭接率为45％，离焦量为1mm。
[0045] 实施例2～5
[0046] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0047] 同实施例1，区别仅在于，按照表1中所记载的质量份称取各原料。
[0048] 表1铁基合金混合粉末的原料(质量份)
[0049]
[0050] 对实施例1～5制备得到的铁基复合材料进行硬度检测，并参照国家标准GBT 34501‑2017《硬质合金耐磨试验方法》对铁基复合材料的耐磨性能进行检测，检测结果如表
2所示；
[0051] 表2硬度和耐磨性能
[0052]
[0053] 由表2数据可知，随着铁基复合材料中铁粉添加量的增加，铁基复合材料的硬度逐渐提高，直至铁粉的添加量为80份时，铁基复合材料的硬度达到最高，为64HRC，之后，随着铁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的硬度逐渐降低，因此，从铁基复合材料的硬度角度考虑铁粉的最优添加量为80份；
[0054] 由表2数据可知，随着铁基复合材料中铁粉添加量的增加，铁基复合材料的磨损率‑逐渐减小，直至铁粉的添加量为80份时，铁基复合材料的磨损率达到最小值，为126×10
6 3
mm/Nm，及耐磨性能最优，之后，随着铁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的磨损率逐渐增大，因此，从铁基复合材料的耐磨性能角度考虑铁粉的最优添加量为80份；
[0055] 对实施例1～5制备得到的铁基复合材料的密度进行测定，测定结果如表3所示；
[0056] 表3密度
[0057]
[0058] 由表3数据可知，随着铁基复合材料中铁粉添加量的增加，铁基复合材料的密度逐3
渐降低，直至铁粉的添加量为80份时，铁基复合材料的密度达到最低值，为7.7g/cm，之后，随着铁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的密度逐渐增加，因此，从铁基复合材料的密度角度考虑铁粉的最优添加量为80份。
[0059] 实施例6～10
[0060] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0061] 同实施例3，区别仅在于，按照表4中所记载的质量份称取各原料。
[0062] 表4铁基合金混合粉末的原料(质量份)
[0063]
[0064] 对实施例6～10制备得到的铁基复合材料进行硬度检测，并参照国家标准GBT 34501‑2017《硬质合金耐磨试验方法》对铁基复合材料的耐磨性能进行检测，检测结果如表
5所示；
[0065] 表5硬度和耐磨性能
[0066]
[0067] 由表5数据可知，随着铁基复合材料中镁粉添加量的增加，铁基复合材料的硬度逐渐提高，直至镁粉的添加量为16份时，铁基复合材料的硬度达到最高，为66HRC，之后，随着镁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的硬度逐渐降低，因此，从铁基复合材料的硬度角度考虑镁粉的最优添加量为16份；
[0068] 由表5数据可知，随着铁基复合材料中镁粉添加量的增加，铁基复合材料的磨损率‑逐渐减小，直至镁粉的添加量为16份时，铁基复合材料的磨损率达到最小值，为120×10
6 3
mm/Nm，及耐磨性能最优，之后，随着镁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的磨损率逐渐增大，因此，从铁基复合材料的耐磨性能角度考虑镁粉的最优添加量为16份；
[0069] 对实施例6～10制备得到的铁基复合材料的密度进行测定，测定结果如表6所示；
[0070] 表6密度
[0071]
[0072] 由表6数据可知，随着铁基复合材料中镁粉添加量的增加，铁基复合材料的密度逐3
渐降低，直至镁粉的添加量为16份时，铁基复合材料的密度达到最低值，为7.3g/cm，之后，随着镁粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的密度逐渐增加，因此，从铁基复合材料的密度角度考虑镁粉的最优添加量为16份。
[0073] 实施例11～15
[0074] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0075] 同实施例3，区别仅在于，按照表7中所记载的质量份称取各原料。
[0076] 表7铁基合金混合粉末的原料(质量份)
[0077]
[0078]
[0079] 对实施例11～15制备得到的铁基复合材料进行硬度检测，并参照国家标准GBT 34501‑2017《硬质合金耐磨试验方法》对铁基复合材料的耐磨性能进行检测，检测结果如表
8所示；
[0080] 表8硬度和耐磨性能
[0081]
[0082] 由表8数据可知，随着铁基复合材料中碳化钛粉末添加量的增加，铁基复合材料的硬度逐渐提高，直至碳化钛粉末的添加量为28份时，铁基复合材料的硬度达到最高，为71HRC，之后，随着碳化钛粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的硬度逐渐降低，因此，从铁基复合材料的硬度角度考虑碳化钛粉末的最优添加量为28份；
[0083] 由表8数据可知，随着铁基复合材料中碳化钛粉末添加量的增加，铁基复合材料的磨损率逐渐减小，直至碳化钛粉末的添加量为28份时，铁基复合材料的磨损率达到最小值，‑6 3为115×10 mm/Nm，及耐磨性能最优，之后，随着碳化钛粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的磨损率逐渐增大，因此，从铁基复合材料的耐磨性能角度考虑碳化钛粉末的最优添加量为28份；
[0084] 对实施例11～15制备得到的铁基复合材料的密度进行测定，测定结果如表9所示；
[0085] 表9密度
[0086]
[0087] 由表9数据可知，随着铁基复合材料中碳化钛粉末添加量的增加，铁基复合材料的密度逐渐降低，直至碳化钛粉末的添加量为28份时，铁基复合材料的密度达到最低值，为3
6.9g/cm ，之后，随着碳化钛粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的密度逐渐增加，因此，从铁基复合材料的密度角度考虑碳化钛粉末的最优添加量为28份。
[0088] 实施例16～20
[0089] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0090] 同实施例3，区别仅在于，按照表10中所记载的质量份称取各原料。
[0091] 表10铁基合金混合粉末的原料(质量份)
[0092]
[0093] 对实施例16～20制备得到的铁基复合材料进行硬度检测，并参照国家标准GBT 34501‑2017《硬质合金耐磨试验方法》对铁基复合材料的耐磨性能进行检测，检测结果如表
11所示；
[0094] 表11硬度和耐磨性能
[0095]
[0096] 由表11数据可知，随着铁基复合材料中碳化钨粉末添加量的增加，铁基复合材料的硬度逐渐提高，直至碳化钨粉末的添加量为8份时，铁基复合材料的硬度达到最高，为74HRC，之后，随着碳化钨粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的硬度逐渐降低，因此，从铁基复合材料的硬度角度考虑碳化钨粉末的最优添加量为8份；
[0097] 由表11数据可知，随着铁基复合材料中碳化钨粉末添加量的增加，铁基复合材料的磨损率逐渐减小，直至碳化钨粉末的添加量为8份时，铁基复合材料的磨损率达到最小‑6 3值，为108×10 mm /Nm，及耐磨性能最优，之后，随着碳化钨粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的磨损率逐渐增大，因此，从铁基复合材料的耐磨性能角度考虑碳化钨粉末的最优添加量为8份；
[0098] 对实施例16～20制备得到的铁基复合材料的密度进行测定，测定结果如表12所示；
[0099] 表12密度
[0100]
[0101] 由表12数据可知，随着铁基复合材料中碳化钨粉末添加量的增加，铁基复合材料的密度逐渐降低，直至碳化钨粉末的添加量为8份时，铁基复合材料的密度达到最低值，为3
6.5g/cm ，之后，随着碳化钨粉末添加量的进一步增加，铁基复合材料的密度逐渐增加，因此，从铁基复合材料的密度角度考虑碳化钨粉末的最优添加量为8份。
[0102] 实施例21～25
[0103] 一种基于激光熔覆法制备的铁基复合材料
[0104] 同实施例3，区别仅在于，按照表13中所记载的质量份称取各原料。
[0105] 表13铁基合金混合粉末的原料(质量份)
[0106]
[0107] 对实施例21～25制备得到的铁基复合材料进行硬度检测，并参照国家标准GBT 34501‑2017《硬质合金耐磨试验方法》对铁基复合材料的耐磨性能进行检测，检测结果如表
14所示；
[0108] 表14硬度和耐磨性能
[0109]
[0110] 由表14数据可知，随着铁基复合材料中硼粉添加量的增加，铁基复合材料的硬度逐渐提高，直至硼粉的添加量为7份时，铁基复合材料的硬度达到最高，为78HRC，之后，随着硼粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的硬度逐渐降低，因此，从铁基复合材料的硬度角度考虑硼粉的最优添加量为7份；
[0111] 由表14数据可知，随着铁基复合材料中硼粉添加量的增加，铁基复合材料的磨损‑率逐渐减小，直至硼粉的添加量为7份时，铁基复合材料的磨损率达到最小值，为105×10
6 3
mm/Nm，及耐磨性能最优，之后，随着硼粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的磨损率逐渐增大，因此，从铁基复合材料的耐磨性能角度考虑硼粉的最优添加量为7份；
[0112] 对实施例21～25制备得到的铁基复合材料的密度进行测定，测定结果如表15所示；
[0113] 表15密度
[0114]
[0115] 由表15数据可知，随着铁基复合材料中硼粉添加量的增加，铁基复合材料的密度3
逐渐降低，直至硼粉的添加量为7份时，铁基复合材料的密度达到最低值，为6.2g/cm ，之后，随着硼粉添加量的进一步增加，铁基复合材料的密度逐渐增加，因此，从铁基复合材料的密度角度考虑硼粉的最优添加量为7份。
[0116] 综上，本发明通过对铁基合金混合粉末中各原料的用量进行调控，最终确定，以铁粉80份、镁粉16份、碳化钛粉末28份、碳化钨粉末8份和硼粉7份的用量进行添加，能够实现最低的密度以及最优的耐磨性能，从而提供了一种能够适用于飞行器等对材料重量以及耐磨性有特殊要求器材的制备的铁基复合材料。
[0117] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
