[发明专利]一种高韧高耐磨性的热作模具增材制造用丝材及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高韧高耐磨性的热作模具增材制造用丝材及其制备方法，所述丝材为药芯焊丝，药芯粉末采用Cr、Mo、V为主体合金，联合添加Co和Nb，添加使用静电自组装工艺制备的纳米陶瓷颗粒均匀负载的雾化铁粉，制备纳米WC均匀分散的热作模具钢增材制造用丝材，解决了纳米陶瓷颗粒在制备过程容易团聚长大的问题，在增材制造过程中，弥散分布的WC颗粒不仅增强热作模具钢基体的耐磨性能，还能提升热作模具钢基体的韧性，尤其，在增材制造过程中，还能起到抑制柱状晶生成的作用，并能诱导等轴晶生成，进一步增强增材制造组织的综合性能，使得电弧熔丝增材制造热作模具钢组织兼具高韧性和高耐磨性能。

技术领域：

本发明涉及热作模具修复用丝材，具体涉及一种高韧高耐磨性的热作模具增材制造用丝材及其制备方法。

背景技术：

随着先进制造技术产业的飞速发展，对使用材料的服役环境和对性能要求愈加严苛，传统金属材料性能已无法满足高技术产业发展的多重功能需求，使得服役过程中常出现磨损、腐蚀、疲劳和老化等失效现象，迫切需要开发兼具多种性能的特殊功能材料。一直以来，国内外学者采用多种技术来提升传统金属模具材料表面的综合性能，如渗氮、渗碳、气相沉积、等离子喷涂、超音速喷涂、激光熔覆、等离子堆焊等技术。相比使用传统的单一金属或合金对材料表面进行改性，采用陶瓷颗粒增强的金属基复合材料的表面涂层，可获得具有高硬度、高强度、高模量、高断裂韧性以及耐高温氧化和磨损性能优良的综合机械性能，是目前最有发展潜力的模具增强材料。

近年来，热作模具钢表面增强材料的研究热点为采用纳米陶瓷颗粒进行强化，可获得兼具高韧性和高耐磨性能的表面增强材料。基于Hall-Petch关系，纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料可兼具高强、高韧和高耐磨等其他综合性能。以广泛应用的高温耐磨材料WC/Co为例，研究表明，当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧性、强度、耐磨性能都得到了提高，尤其是纳米WC材料在提高硬度的前提下，还可显著提升材料韧性。然而，由于纳米陶瓷颗粒和金属基体的比重相差较大，难以将纳米颗粒均匀加入到金属基体中。同时，基于纳米颗粒较高的表面能，相邻的纳米颗粒在制备过程中容易团聚、长大，导致分散效果较差，降低材料的力学性能，无法达到理论预期的性能提升效果。

公布号CN 112680690 A的发明专利公开了一种采用纳米β-SiC改性的WC/Fe铁基复合熔覆层的制备方法，该专利首先通过等离子熔覆方式，将预处理后的铁基WC粉进行熔覆，再将纳米β-SiC颗粒粉末加入到水玻璃中，经充分搅拌混合后制成浓稠状，并均匀涂覆与等离子熔覆层表面，再采用激光重熔的方式将纳米β-SiC熔覆到铁基WC等离子熔覆层中，获得孔隙和裂纹少，耐磨性更好的熔覆层。CN 108103387 A公开了一种纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料，其通过高能球磨结合热压烧结技术制备由纳米WC颗粒增强的高性能粉末冶金高铬铁基复合材料。当烧结温度为1000℃时，可获得接近全致密的烧结态试样，试样的硬度、抗弯强度分别达到47.7HRC和1952MPa。CN 105861905 A公开了一种纳米颗粒改性的碳化钛基硬质合金及其制备方法，其中纳米碳化钛的添加量为2-8％，采用超声混合、热压成形及真空烧结的工艺制备，具有硬度高、耐磨性、耐腐蚀性好，孔隙度低且性价比高的优点。CN 107475548 A的发明专利公开了一种纳米增韧超细晶WC-Co硬质合金的制备方法，其中的纳米稀土金属混合添加剂采用真空电弧熔炼铸锭+快速-原位包装等离子体电弧法制备。纳米金属混合添加剂起到细化硬质合金晶粒、改善材料浸润性、减少空隙率以及增强合金局部晶界强度的作用，从而大大提高了合金的硬度、抗弯强度以及断裂韧性等宏观性能。CN 11471908A的发明专利公开了一种TiCx结合的纳米晶WC基硬质合金复合材料及其制备方法，制备复合材料的原料包括纳米级碳化钨粉和纳米级TiCx粉，采用热压烧结制备TiCx结合的纳米晶WC基硬质合金复合材料，克服陶瓷结合剂碳化钨硬质合金烧结温度高的问题，同时提高其硬度与断裂韧性。