一种制动盘修复或涂覆用高性能粉体材料以及钴基涂层的制作方法

本发明属于列车制动盘，涉及钴基涂层在修复制动盘和/或制动盘涂层方面的应用、一种制动盘用钴基涂层以及一种制动盘或修复后的制动盘，尤其涉及一种制动盘修复或涂覆用高性能粉体材料以及钴基涂层、应用。

背景技术：

1、制动盘是列车制动的关键零部件之一，其对列车制动环节的可靠性与安全性的起到关键作用。它通过摩擦将列车的动能转化为热能。频繁制动引起的热冲击和热应力诱发热疲劳裂纹的萌生和扩展，导致制动盘的提前失效，直接影响到铁路运行的安全。

2、制动盘材料表面强化技术是近年来制动盘发展的新趋势。高速列车制动盘既是耐磨件，需承受制动时的产生的高温冲击和摩擦磨损；又是结构件，需将摩擦力通过法兰和螺栓传递给车轴。因此制动盘既需要摩擦层具有良好的高温力学性能、以及抗热疲劳和抗磨损性能，又要求内部法兰处有优越的室温强度和塑性?？梢钥闯?，制动盘不同部位对材料性能的有着不同需求，表面强化技术是实现这一目标的有效途径。

3、国内外研究者根据不同的设计方案，采用不同的制备手段对制动盘进行了表面强化。如guérin等希望通过提高制动盘摩擦面的热扩散系数，降低制动时摩擦面温度，从而抑制热疲劳和热斑现象。他采用氧乙炔火焰喷涂的手段将钼制备在制动盘上，并进行了缩比台架制动试验以验证钼涂层制动盘的综合制动表现。但在试验中涂层与基体热膨胀系数相差较大，界面处开裂，涂层脱落。为提高涂层与基的结合力，bartys等采用等离子转移弧喷焊技术在c38钢基体上制备不同碳含量的镍基和钴基涂层，并进行了缩比台架制动试验，虽然制动后涂层与制动盘表现出良好的结合力，但碳含量较高的镍基和钴基涂层都发生了开裂现象。嵯峨信一等同样采用离子转移弧喷焊技术在全尺寸锻钢制动盘上沉积hastelloy镍基合金，并通过了初始速度为400km/h的全尺寸紧急制动耐久性试验。测试后制动盘上并未发现宏观裂纹，但涂层耐磨性却较铸钢制动盘差。herbst等为提升制动盘的摩擦磨损性能，采用粉材和丝材同步填充的气体?；の偌不『甘侄卧谥种贫躺现票赣仓士帕＜忧啃吞春贤坎?。然而该复合涂层在制备过程和1:4缩比台架耐久性制动试验中极易开裂。除上述以列车用涂层制动盘为应用背景的研究外，还开展了部分以汽车用涂层制动盘为背景的研究。alnaqi采用等离子体电解氧化(plasma?electrolytic?oxidation)的手段对6082铝合金表面进行氧化铝涂层制备，并进行了缩比台架制动试验。在常规制动条件下，该涂层铝基制动盘表现良好，而在极端制动条件下，制动盘发生断裂。blau在钛合金ti6al4v基体上采用热喷涂方法制备金属及陶瓷涂层，该涂层在拖磨制动试验中表现出较高的摩擦系数和较低的磨损率。然而汽车制动采用的制动能量远小于列车的制动能量，因此上述铝基和钛基涂层制动盘作为列车制动盘材料的参考价值较小。

4、综上，国外涂层制动盘的研究者会遵循一些简单的准则对制动盘涂层材料进行选择或设计，这些准则包括：提高热扩散系数以达到降低盘面温度；使涂层与基体冶金结合提高涂层与基体的结合力；在涂层中添加硬质相颗粒提高涂层的耐磨性。显然依循这些材料的制备准则及并采取相应措施能一定程度上提高涂层材料某单一性能，然而却不能确保涂层制动盘在制动过程中有良好的综合制动表现，如guérin等、bartys等和herbst等开发的涂层制动盘均在台架制动试验中发生涂层脱落和开裂等现象。

5、因此，如何找到一种更为适宜的方式，提高列车用制动盘的性能，解决现有的技术方案存在的上述问题，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供钴基涂层在修复制动盘和/或制动盘涂层方面的应用、一种制动盘用钴基涂层以及一种制动盘或修复后的制动盘，特别是一种制动盘修复或涂覆用高性能粉体材料。本发明提供的高性能粉体材料是一种解决时速400公里动车组制动盘耐磨损、耐热疲劳和耐热损伤制动盘涂层制备所需的高性能粉体材料。

2、本发明提供了钴基涂层在修复制动盘和/或制动盘涂层方面的应用；

3、所述钴基涂层的原料为cocrniwti系列合金；

4、所述cocrniwti系列合金中的镍含量为10wt％～20wt％。

5、优选的，所述制动盘具体为列车用制动盘；

6、所述涂层的厚度为1.5～3mm；

7、所述制动盘包括crnimo系铸钢制动盘；

8、所述cocrniwti系列合金具体为高镍中低碳型cocrniwti系列合金；

9、所述钴基涂层的形成方式包括激光熔覆和/或等离子喷焊。

10、优选的，所述制动盘涂层具体为耐磨损制动盘涂层、耐热疲劳制动盘涂层和耐热损伤制动盘涂层中的一种或多种；

11、所述修复具体包括降低热疲劳裂纹的产生和/或扩展方面的修复；

12、所述原料的具体形态为钴基合金球形粉体；

13、所述钴基合金粉体为以钴作为基体成分，以铬、钨、钛元素作为强化成分的球形粉体材料。

14、优选的，所述cocrniwti系列合金中的钴含量为65wt％～75wt％；

15、所述cocrniwti系列合金中的铬含量为10wt％～15wt％；

16、所述cocrniwti系列合金中的钨含量为2wt％～5wt％；

17、所述cocrniwti系列合金中的钛含量为2wt％～5wt％；

18、所述cocrniwti系列合金还包括cocrniwtial、cocrniwtife和cocrniwtita中的一种或多种。

19、本发明提供了一种制动盘用钴基涂层，所述原料具体为钴基合金球形粉体；

20、所述钴基合金，按元素百分含量计，包括：

21、钴?65wt％～75wt％；

22、铬?10wt％～15wt％；

23、钨?2wt％～5wt％；

24、镍?10wt％～20wt％；

25、钛?2wt％～5wt％。

26、优选的，所述钴基合金球形粉体为以钴作为基体成分，以铬、钨、钛元素作为强化成分的球形粉体材料；

27、所述钴基合金球形粉体的粒度为50～150μm；

28、所述钴基合金中还包括al、fe、mo、si和ta中的一种或多种。

29、优选的，所述钴基合金为cocrniwti系合金；

30、所述钴基合金中还包括碳元素；

31、所述cocrniwti系合金为中低碳型cocrniwti系合金；

32、所述cocrniwti系合金还包括cocrniwtial、cocrniwtife和cocrniwtita中的一种或多种。

33、优选的，所述钴基合金中钛元素与碳元素的摩尔比为1：1；

34、所述钴基合金中的碳含量为0.1wt％～0.8wt％；

35、所述中低碳型cocrniwti系列合金为高镍含量的中低碳型cocrniwti系列合金。

36、本发明提供了一种制动盘或修复后的制动盘，包括制动盘以及复合在制动盘上的涂层；

37、所述涂层包括上述技术方案任意一项所述的钴基涂层。

38、优选的，所述制动盘具体为列车用制动盘；

39、所述涂层的厚度为1.5～3mm；

40、所述制动盘包括crnimo系铸钢制动盘；

41、所述复合的方式包括激光熔覆和/或等离子喷焊。

42、本发明提供了钴基涂层在修复制动盘和/或制动盘涂层方面的应用；所述钴基涂层的原料为cocrniwti系列合金；所述cocrniwti系列合金中的镍含量为10wt％～20wt％。与现有技术中相比，本发明研究认为，涂层制动盘的设计准则需综合考虑制动盘的服役情况和材料的特性进行综合分析。而国内部分涂层制动盘的研究者大都只是以制动盘为研究背景，以摩擦性能作为研究点，着重研究涂层材料成分组织与其制备的工艺之间的关系，仅用小试件恒速摩擦试验对涂层材料进行性能评价。根据制动盘主要失效的形式的叙述可知，摩擦磨损性能并不是制动盘材料首要关注的问题，而材料抗热疲劳和热损伤的性能才是制动盘材料的关注重点。

43、基于此，本发明创造性提供了一种具有特定组成的钴基涂层用高性能粉体材料，并将其用于修复制动盘或制动盘强化涂层方面。本发明提供的高性能粉体材料采用面心立方晶系基体搭配弥散强化的碳化钛增强颗粒的钴基合金球形雾化粉末体系，提升制动盘涂层材料的抗磨损及热疲劳性能，是一种能够解决时速400公里动车组制动盘耐磨损、耐热疲劳和耐热损伤制动盘涂层制备所需的高性能粉体材料。

44、本发明创造性设计的原理是采用面心立方晶系基体搭配弥散强化的碳化钛增强颗粒的钴基合金球形雾化粉末体系提升制动盘涂层材料的抗磨损及热疲劳性能。关键点在于高含量镍成分比例稳定奥氏体面心立方基体相区提升材质制动温度循环中的稳定性及抗塑性应变能力，合理碳钛比例促进弥散型碳化钛颗粒以初生相析出提升耐磨性。

45、本发明提供的钴基合金粉体材料中，cocrniwti合金粉末中各元素合理比例范围使采用该粉末制备的合金涂层可避免多合金元素涂层中存在的金属间化合物硬脆相；而且cocrniwti合金中cr、w、ti三种强碳化物合金成分比例范围可使涂层中形成初生相弥散分布的碳化钛型硬质增强相，避免传统材料中低熔的网状低熔共晶碳化物。

46、本发明提供的粉体制备的钴基涂层，以稳定奥氏体面心立方基体存在，从而提升材质制动温度循环中的稳定性及抗塑性应变能力；进一步，由该粉体制备的钴基涂层能促进弥散型碳化钛颗粒以初生相析出提升耐磨性能，从而满足制时速400公里动车组制动盘使用要求。采用本发明提供的粉体材料制备的熔覆的涂层较同种制备方式的商用高碳cocrw粉体所制备涂层的断后延伸率提升和3.0倍，热疲劳裂纹扩展速率低于商用高碳cocrw粉体所制备涂层的10％。而且采用本发明提供的粉体材料制备的熔覆的涂层较同种制备方式的高碳cocrw粉体所制备涂层耐磨性能显著提高。