一種立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法

2023-06-18 03:38:51 1

專利名稱：一種立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法
技術領域：
本發明涉及利用大功率多模橫流(X)2雷射器雷射熔覆技術，特別涉及雷射熔覆表面改性技術。
背景技術：
近年來，隨著雷射熔覆技術的發展，已經取得了令人矚目的成果。但目前雷射熔覆中最棘手的問題就是塗層裂紋，這阻礙雷射熔覆技術快速實現工業化進程。國內外通過熔覆粉末成分調配、基體材料選擇、改變雷射熔覆工藝參數、熱處理等方法對雷射熔覆塗層裂紋形成機理、控制和處理手段展開大量研究。經過文獻檢索，例如譚文(參見譚文，劉文今，賈俊紅.金屬熱處理，2000， 1(1) 15-17)採用Fe-C-Si-B粉末預置在灰口鑄鐵基體上進行雷射熔覆，得出多道搭接熔覆層產生的裂紋機率比單道熔覆高。在狗-C-Si-B粉末加入少量的CaF2可以改善熔覆粉末的工藝性能。李勝(參見李勝，曾曉雁，胡乾午.中國表面工程，2007，20(4): 11-15)通過雷射熔覆專用鐵基合金特點分析，綜述了雷射熔覆專用鐵基合金的研究現象， 提出了現有雷射熔覆專用鐵基合金成分與組織設計思想，主要體現在「原位自生」和「高碳共晶」。而王宏宇(參見王宏宇，左敦穩，陸英豔，許鴻昊.航空材料學報，2008， 28 (6) 57-60)通過在鎳基合金基體上雷射熔覆MCrAlY塗層，展開裂紋的成因與控制的研究，提出緩冷處理措施來控制基體裂紋，但保溫隨爐緩冷處理會引起熔覆層組織粗大、枝晶特徵明顯等不良影響，而隨箱緩冷處理塗層對熔覆層組織並未產生不良影響。Chaofeng Wu (參見 Chaofeng Wuj Mingxing Maj Wenjin Liuj et al. Materials Letters, 2008， 62(17-18) 3077-3080)研究了雷射熔覆鐵基合金粉末塗層顯微結構，其中鐵基粉末加入 Ti、Zr、C等元素，實驗結果表明塗層與基體形成良好的緻密冶金結合。J. Radziejewska (J. Radziejewskaj S. J. Skrzypek. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(4) : 2047-2056)採用(X)2雷射器，通過鐵碳合金加入了鈷鎢鉻等合金元素進行多道雷射熔覆，結合微觀結構、顯微硬度和殘餘應力對熔覆塗層進行分析，實驗結果表明 距基體表面20-30// m塗層顯微硬度值明顯增加。X-射線衍射分析殘餘應力測量，合金化熔覆塗層受到拉應力，大約為 500MPa。Igor Smurov(參見 Igor Smurov. Surface & Coatings Technology, 2008，202(18) : 4496-4502)利用金屬沉積技術應用於製造功能梯度塗層， 研究了鎢鉻鈷合金塗層的滑動磨損性能，納米粉末增強相的存在，摩擦係數低於0. 12。然而，極少看到通過網狀添加物雷射熔覆，國內毛懷東(參見毛懷東，張大衛，劉澤福.2008，41 (5) :553-557)對Ni45和( 兩種粉末熔覆層中加入塑性好、屈服極限較低不鏽鋼網，降低了熔覆層中的應力值，控制了熔覆層中的裂紋雷射熔覆。現有雷射熔覆技術中網狀添加物材料單一，仍然存在裂紋、氣孔等缺陷
發明內容
針對現有的技術不足，本發明擬解決的技術問題是採用一種立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，將立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層和奧氏體不鏽鋼基材形成良好的冶金結合層，防止出現裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，改善熱影響區組織和性能，提高熔覆效率，並實現工業化應用。本發明解決所述技術問題是通過以下技術方案實現的，步驟具體包括如下
(1)立體空間堆垛網狀添加物製作將金屬粉末與水溶性粘結劑混合熔煉成混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓成直徑為0. 25^1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物，間距分別為0. 25,0. 5,1. 0mm。(2)奧氏體不鏽鋼基材表面前處理先對奧氏體不鏽鋼基材待熔覆表面進行打磨， 然後用無水乙醇清洗乾淨；
(3)雷射熔覆材料準備將金屬粉末放置烤箱烘乾，溫度為10(Γ150 ，時間為廣2h，自然冷卻後加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在的預置有立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2g/s，塗層的厚度達到1. 5^2. 5mm ；
(4)雷射熔覆工藝將奧氏體不鏽鋼基材預熱到10(Tl5(rC，採用高純氬氣作保護氣體，將雷射波長為10. 6//m大功率多模橫流CO2雷射器照射在步驟(3)中預置好的具有塗層的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面，製得立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。所述金屬粉末為狗55、鎳粉、鉻粉和陶瓷粉等，粒度為< 200目。其中狗55的霍爾流速為0. 50 s/g，松裝密度為3. 8g/cm3，硬度為23-27HRC，Cr質量百分數為18. 00%, Ni為 3. 00%, B 為 2. 60%, Si 為 3. 50%, C 為 1. 20%, Fe 為餘量。所述步驟(1)中金屬粉末與水溶性粘接劑的體積比為0. 3:1，水溶性粘接劑是將聚乙二醇(PEG)系粘結劑與聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)以體積比4:1配製而成。聚乙二醇 (PEG)系粘結劑和聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)為市售。所述的奧氏體不鏽鋼基材為lCrl8Ni9Ti。所述步驟(3)中預置的立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材是將步驟(1)中製得的三種網狀物以任意順序自上而下堆垛而成。所述雷射熔覆工藝參數為雷射功率為/^=3 4. 2kff,掃描速度為P45(T600mm/ min,光斑直徑為々=5 6mm，離焦量為i/=55mm。所述高純氬氣的流量為8 L/h。本發明具有以下優點和積極效果
1、本發明的製備方法簡單，鐵基粉末成本低，同步送粉方式的熔覆材料可以調配。2、採用大功率多模橫流(X)2雷射器加工工藝熔覆技術，能量密度高，
熱輸入小，且立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層與基體結合良好，不產生裂紋、 氣孔、夾雜等缺陷，且無環境汙染，可以得到大面積熔覆塗層。3、採用多軸聯動數控加工方法能解決三維複雜的表面改性處理問題。4、本發明可以廣泛應用於奧氏體不鏽鋼零部件的表面改性和修復。


圖1是立體空間堆垛網狀添加物製備方法流程圖。圖2是立體空間堆垛網狀添加物結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和本發明方法的內容提供實施例，對本發明作進一步的理解。實施例1
(1)立體空間堆垛網狀添加物製作鐵基粉末為狗55粉末與水溶性粘結齊IJ(聚乙二醇與聚甲基丙烯酸甲脂以體積比4:1配製)混煉而成的混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓而出，把具有0. 25 1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物， 間距分別為0. 25,0. 5,1. Omm0水溶性粘結劑與Fe55粉末以0. 3:1體積分數比進行混煉。 Fe55粉末霍爾流速為0. 50 s/g,松裝密度為3. 8g/cm3,硬度為23-27HRC，Cr質量百分數為 18. 00%, Ni 為 3. 00%, B 為 2. 60%, Si 為 3. 50%, C 為 1. 20%, Fe 為餘量。(2)奧氏體不鏽鋼基材表面前處理，工藝為將基材為lCrl8Ni9Ti奧氏體不鏽鋼首先採用180#金相砂紙對待熔覆表面進行打磨，然後用無水乙醇清洗。(3)雷射熔覆材料準備將狗55粉末熔覆材料放置烤箱烘乾，溫度為 10(T15(TC，時間為廣2h，後空冷加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在所述的放置有
立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2 g/s，塗層的厚度能達到 1. 5 2· 5mm。(4)雷射熔覆工藝採用雷射波長為10. 6// m大功率多模橫流(X)2雷射器
照射所述預置好的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面上的塗層，雷射熔覆工藝參數為雷射功率為/^=3 4. 2kW，掃描速度為P45(T600mm/min，光斑直徑為々=5飛mm，離焦量為i/=55mm，高純氬氣作保護氣體，流量為8 L/h。加工後可在lCrl8Ni9Ti不鏽鋼基材上獲得表面質量好，無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層， 並且具有高硬度、良好的耐蝕性。(如圖2所示)下面對本實施例得到的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法及過程進行進一步說明，說明其雷射熔覆塗層的優越性。1.立體空間堆垛網狀添加物結構分析
鐵基粉末狗55製成的網狀添加物，由下而上分為三層堆垛而成，第一層使用直徑為 1. Omm,孔間距為1. Omm網狀添加物，第二層為直徑為0. 5mm,孔間距為0. 5mm網狀添加物，第三層為直徑為0. 25mm，孔間距為0. 25mm網狀添加物，每層取同一面積大小IOOmmX 30mm堆躲而成。2.立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層熔覆過程分析
立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層採用多道雷射熔覆、同步方式送粉，添加粉末和網狀添加物材質一致，並採用多軸數位化加工技術。隨著網狀添加物堆垛層孔間距降低，有利於同步送粉過程中，粉末充滿立體空間，達到充分熔覆。實施例2
(1)立體空間堆垛網狀添加物製作將鎳粉與水溶性粘結劑混煉成混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓成直徑為0. 25^1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物，間距分別為 0. 25,0. 5,1. 0_。
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(2)奧氏體不鏽鋼基材表面前處理先對奧氏體不鏽鋼基材lCrl8Ni9Ti待熔覆表面進行打磨，然後用無水乙醇清洗乾淨；
(3)雷射熔覆材料準備將金屬粉末放置烤箱烘乾，溫度為10(Γ150 ，時間為廣2h，自然冷卻後加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在的預置有立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2g/s，塗層的厚度達到1. 5^2. 5mm ；
(4)雷射熔覆工藝將奧氏體不鏽鋼基材預熱到10(Γ150 ，採用流量為8L/h高純氬氣作保護氣體，將雷射波長為10. 6//m大功率多模橫流CO2雷射器照射在步驟(3)中預置好的具有塗層的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面，製得立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。雷射功率為/^=3、. 2kff,掃描速度為P45(T600mm/min，光斑直徑為汐=5 6mm，離焦量為i/=55mm。所述步驟(3)中預置的立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材是將步驟(1)中製得的三種網狀物以第一層直徑為0. Imm,間距為0. Imm,第二層為0. 5mm,間距為0. 5mm, 第三層直徑為0. 25mm,間距為0. 25mm的順序自上而下堆垛而成。經雷射多道熔覆，立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層與基體結合良好，不產生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，裂紋得到有效控制和消除。實施例3:
(1)立體空間堆垛網狀添加物製作將鉻粉與水溶性粘結劑混煉成混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓成直徑為0. 25^1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物，間距分別為 0. 25,0. 5,1. 0_。(2)奧氏體不鏽鋼基材表面前處理先對奧氏體不鏽鋼基材lCrl8Ni9Ti待熔覆表面進行打磨，然後用無水乙醇清洗乾淨；
(3)雷射熔覆材料準備將鉻粉放置烤箱烘乾，溫度為10(Γ150 ，時間為廣2h，自然冷卻後加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在的預置有立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2g/s，塗層的厚度達到1. 5^2. 5mm ；
(4)雷射熔覆工藝將奧氏體不鏽鋼基材預熱到10(Γ150 ，採用流量為流量為8L/ h的高純氬氣作保護氣體，將雷射波長為10. 6// m大功率多模橫流(X)2雷射器照射在步驟 (3)中預置好的具有塗層的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面，製得立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。雷射熔覆工藝參數為雷射功率為/^=3、. 2kW，掃描速度為 K=450"600mm/min,光斑直徑為々=5 6mm，離焦量為i/=55mm。所述步驟(3)中預置的立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材是將步驟(1)中製得的三種網狀物以第一層直徑為1. Omm,間距為1. Omm,第二層為0. 5mm,間距為0. 5mm, 第三層直徑為0. 25mm,間距為0. 25mm的順序自上而下堆垛而成。實施例4
(1)立體空間堆垛網狀添加物製作將鉻粉與水溶性粘結劑混煉成混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓成直徑為0. 25^1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物，間距分別為 0. 25,0. 5,1. 0_。(2)奧氏體不鏽鋼基材表面前處理先對奧氏體不鏽鋼基材lCrl8Ni9Ti待熔覆表面進行打磨，然後用無水乙醇清洗乾淨；
(3)雷射熔覆材料準備將鉻粉放置烤箱烘乾，溫度為10(Γ150 ，時間為廣2h，自然冷卻後加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在的預置有立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2g/s，塗層的厚度達到1. 5^2. 5mm ；
(4)雷射熔覆工藝將奧氏體不鏽鋼基材預熱到10(Γ150 ，採用流量為8 L/h高純氬氣作保護氣體，將雷射波長為10. 6//m大功率多模橫流CO2雷射器照射在步驟(3)中預置好的具有塗層的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面，製得立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。雷射熔覆工藝參數為雷射功率為/^=3、. 2kW，掃描速度為P45(T600mm/ min,光斑直徑為々=5 6mm，離焦量為i/=55mm。 所述步驟(3)中預置的立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材是將步驟(1)中製得的三種網狀物以第一層直徑為1. Omm,間距為1. Omm,第二層為0. 5mm,間距為0. 5mm, 第三層直徑為0. 25mm,間距為0. 25mm的順序自上而下堆垛而成。
權利要求
1.一種立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)立體空間堆垛網狀添加物製作將金屬粉末與水溶性粘結劑混合熔煉成混合物，將混合物通過紡絲用的噴嘴擠壓成直徑大小為0. 25^1. Omm的金屬絲，紡織成間距不等的三種網狀物，間距分別為0. 25,0. 5,1. Omm ；(2 )奧氏體不鏽鋼基材表面前處理先對奧氏體不鏽鋼基材待熔覆表面進行打磨，然後用無水乙醇清洗；(3)雷射熔覆材料準備將金屬粉末放置烤箱烘乾，溫度為10(Γ150 ，時間為廣2h，自然冷卻後加入送粉器中，以同步送粉方式塗覆在的預置有立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材表面上，送粉量為0. 2g/s，塗層的厚度達到1. 5^2. 5mm ；(4)雷射熔覆工藝將奧氏體不鏽鋼基材預熱到10(Tl5(rC，採用高純氬氣作保護氣體，將雷射波長為10. 6//m大功率多模橫流CO2雷射器照射在步驟(3)中預置好的具有塗層的立體空間堆垛網狀物奧氏體不鏽鋼基材表面，製得立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。
2.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述步驟(1)中金屬粉末與水溶性粘接劑的體積比為0. 3:1。
3.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述金屬粉末為Fe55、鎳粉、鉻粉和陶瓷粉，粒度為< 200目。
4.根據權利要求書1或3所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法， 其特徵在於水溶性粘接劑是將聚乙二醇系粘結劑與聚甲基丙烯酸甲脂以體積比4:1混合配製而成。
5.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述的奧氏體不鏽鋼基材為lCrl8Ni9Ti。
6.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述步驟(3)中預置的立體空間堆垛網狀物的奧氏體不鏽鋼基材是將步驟(1)中製得的三種網狀物以任意順序自上而下堆垛而成。
7.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述雷射熔覆工藝參數為雷射功率為/^=3、. 2kW，掃描速度為P45(T600mm/min， 光斑直徑為々=5飛mm，離焦量為i/=55mm。
8.根據權利要求書1所述的立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層製備方法，其特徵在於所述步驟(4)中高純氬氣的流量為8 L/h。
全文摘要
本發明涉及利用大功率多模橫流CO2雷射器雷射熔覆技術，特別涉及雷射熔覆表面改性技術。本發明通過鐵基粉末擠壓成型，後紡織製成的立體空間堆垛網狀物添加於基材表面展開雷射熔覆，形成立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層。目的在於降低熔覆層的應力值，充分控制熔覆層中的裂紋，屬於表面改性及材料加工技術領域。本發明中立體空間堆垛網狀添加物的雷射熔覆塗層與基體結合良好，且不產生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，且無環境汙染。
文檔編號B23K26/34GK102373467SQ20111032896
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者劉洪喜, 張忠, 曾維華, 紀升偉, 蔣業華 申請人:昆明理工大學