CN101158039A - 以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其关键点是采用压片法将粉末预置于待熔覆的基材表面上。本发明方法具有粉末利用率高、对粉末粒度等方面的适应性强、预置时不引入杂质元素、工艺简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械零件表面处理方法，尤其是一种利用粉末为原料进行激光重融得到表面涂层的方法，具体地说是一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法。
背景技术
自1974年Gnanamuthu提出申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利之后，激光熔覆技术在短短的30多年内发展非常迅速，已成为制备高性能涂层的主流技术之一。
激光熔覆材料通常是以单质元素或化合物制成的粉末(以下简称粉末)直接引入激光熔池，一般采用预置和送粉两种方式。其中，预置式激光熔覆是先将要添加的熔覆粉末置于基材被强化的表面部位，然后再用激光照射熔化，使其熔覆于基材表面形成涂层。激光熔覆技术常用的粉末预置方法主要包括热喷涂法和化学粘结法。其中，热喷涂法，主要有火焰喷涂和等离子喷涂；化学粘结法，则是采用粘结剂将粉末制成膏状涂覆于基材表面。
众所周知，热喷涂法在预置粉末的过程中除需要专用的喷涂设备外，其粉末的损失量很大(约为30％～40％)，此外该方法对粉末粒度等方面的要求较高，例如粉末若过细则会堵塞喷嘴等等；对于化学粘接法而言，由于使用了各种粘结剂，尽管采取了如干燥等一些措施，但在激光熔覆的过程中还是极易产生气孔等缺陷，同时粘结剂的加入对熔覆层成分也会产生不同程度的不利影响。由此可见，粉末预置处理对提高激光熔覆质量至关重要，它直接影响了最终涂层的性能和质量，而据申请人所知，目前人们对于提高激光熔覆涂层质量措施的原理大多侧重于温度场之类的研究方面而忽略了粉末预置对于提高涂层质量、降低制造成本的作用。到目前为止，尚未得到一种粉末利用率高、对粉末粒度等方面的适应性强、预置时不引入杂质元素的可用于激光熔覆的粉末预置方法可供推广，无法适应激光熔覆技术的快速发展，并在一定程度上制约了激光熔覆技术的进步。
发明内容
本发明的目的是针对现有的用于激光熔覆中因未重视粉末预置而造成浪费大、涂层质量不高的问题，发明一种可供推广的粉末利用率高、对粉末粒度适应性强、预置时不会引入杂质元素的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法。
本发明的技术方案之一是：
一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是它包括：
一、基材处理：即对需进行涂层的基材表面进行毛化处理并清洗干净，并将其作为粉末压片模具的一部分；
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，使粉末成片状或环状压置于基材需进行涂层处理的表面上；
三、熔融：将已粘连有粉末片或粉末环的基材从粉末压片模具中取出，置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。
所述的毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。
所述的基材毛化后的表面粗糙度为Ra50～12.5。
本发明的技术方案之二是：
一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是它包括：
一、基材处理：即将需进行涂层的基材表面清洗干净；
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，将粉末直接或间接压制成与基材表面形状相配的片状、环状或曲面状粉末片或粉末环；
三、机械粘结：采用机械固定方法将上述压制所得的粉末片或粉末环与基材相连接；
四、熔融：将上述经过机械固定后，连接有粉末环或粉末片的基材置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。
所述的间接制造与基材表面形状相配的粉末片或粉末环是指先将粉末压制成平板状，然后将平板状粉末片或粉末环置于基材表面上或模具中再压制出与基材表面形状相配的粉末片或粉末环。
所述的模具工作表面与待处理基材表面的形状相一致。
所述的机械固定法为压力固定法以及除化学粘结剂粘结以外的所有机械固定方法，如包边、卡接等。
本发明的有益效果：
(1)本发明的方法基本不存在粉末损失的情况，粉末利用率极高，这对于节约一般都较为昂贵的熔覆粉末、提高激光熔覆的经济性能具有非常积极的意义。
(2)本发明的方法对粉末粒度基本不限制，尤其是适用于不适宜用热喷涂等方法预置的超细粉体。
(3)本发明的方法不采用粘结剂，有效地避免了采用粘结剂所带来的如在熔覆层中引入杂质元素等不足。
(4)本发明的方法具有工艺简单、所用设备通用、过程容易控制等特点，具有很强的工程应用价值。
总之，本发明不仅有利于提高涂层粉末的利用率，而且不会在熔融过程中产生气孔等缺陷，有利于提高涂层质量，有利于激光熔覆技术的普及推广。
附图说明
图1是本发明的制作环状粉末片的模具结构示意图。
图2是本发明的粘连有平面状粉末片的待熔融基材结构示意图。
图3是本发明的曲面状粉末片的成形过程示意图。
图4是本发明的曲面状粉末片的成形过程及其与基材固定结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图中：101为上模，102为垫片，103为下模，104为基材(待处理表面为圆柱面)，105为粉末环，106为垫片；201为粉末片，202为基材；301为待成形的平面状粉末片，302为平面粉末片301压制成形后的与基材表面相匹配的曲面状粉末片，303为待处理表面为曲面的基材，304为成形模具上模；401为待成形的平面状粉末片，402为平面粉末片401压制成形后的与基材表面相匹配的曲面状粉末片，403为待处理表面为曲面的基材，404为固定用陶瓷片(三片或三片以上)。
实施例一。
如图1、2所示。
一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，它包括以下步骤：
一、基材处理：即对需进行涂层的基材表面进行毛化处理并清洗干净，并将其作为粉末压片模具的一部分；所述的毛化处理包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种，毛化处理后基材的表面粗糙度应控制在Ra50～12.5之间，过大则会影响重融效果，过小则会影响压制后的粉末片或粉末环与基材之间的结合力，甚至可能无法将基材连接粉末片一起从模具中取出。
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，使粉末成片状(如图2中的201)或环状(如图1中的105)粘结在基材(图1中的104或图2中的202)需进行涂层处理的表面上；粉末的量可根据待处理表面面积和涂层的厚度加上适当的损耗通过计算加以确定(可通过现有技术加以实现)。
三、熔融：将已粘连有粉末片或粉末环的基材从粉末压片模具中取出，置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。激光熔融过程所采用的设备和方法与现有技术相同。
实施例二。
如图1、2、3、4所示。
一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，它包括以下步骤：
一、基材处理：即将需进行涂层的基材表面清洗干净；
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，将粉末直接或间接压制成与基材表面形状相配的片状、环状或曲面状粉末片或粉末环；直接压制是指将下模设计成与待处理基材表面的形状相一致，直接压制出相匹配的粉末环或粉末片(粉末片可为图2所示的平面结构，也可为图3，4所示的曲面结构，还可为折面结构或各种复杂的型面，粉末环可为图1所示的圆环，也可为曲线环)，间接压制是指先压制出平面形粉末片，再将粉末片置于基材上，在压力设备上将平面形粉末片压制成与基材表面相匹配的形状，如图3、4所示。同理，粉末的量可根据待处理表面面积和涂层的厚度加上适当的损耗通过计算加以确定(可通过现有技术加以实现)。
三、机械粘结：采用机械固定方法将上述压制所得的粉末片或粉末环与基材相连接；机械固定法可采用压力固定法，也可采用陶瓷片固定法，如图4所示，图4中的404就是所说的陶瓷片，陶瓷片的下部可通过粘结的方法与基材相连，其上部超出基材的上表面，将粉末片包络在陶瓷片中即可。
四、熔融：将上述经过机械固定后，带有粉末环或粉末片的基材置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。激光熔融过程所采用的设备和方法与现有技术相同。
下面结合附图和实例，但不仅仅限于所列实例，对本发明关键点的粉末处理作进一步的说明，以帮助对本发明的理解。
实例1：基体材料为市购45钢，熔覆材料为市购Ni60喷涂粉末(粒度为150目)。首先将基材切削加工成尺寸为Φ30×20mm圆柱体，加工后基材的表面粗糙度为Ra12.5，用丙酮将基材清洗干净，置于压片模具内(压片模具由图1中101上模、102垫片、103下模、104基材、106垫片组成)；然后将粉末添加到模具中，在压力设备(如压片机)上进行压制；压制结束后，将压制好的粉末片(图1中的105)连同基材(图1中的104)一起从下模中取出，即可获得在基材上预置好粉末的待熔覆毛坯，完成粉末预置。
实例2：基体材料为市购GH4033，熔覆材料为市购平均粒径为75μm的NiCrAlY粉末。首先将基材线切割成30×6×4mm的四方体，对待熔覆强化表面进行喷砂处理，喷砂后基材的表面粗糙度为Ra50，用丙酮将基材清洗干净并置于压片模具内；然后将粉末添加到模具中，在压力设备(如压片机)上进行压制；压制结束后，将压制好的粉末片(图2中的201)连同基材(图2中的202)一起从下模中取出，即可获得在基材上预置好所需粉末厚度的待熔覆毛坯，完成粉末预置。
实例3：基体材料为市购GH4033，熔覆材料为市购平均粒径为75μm的NiCrAlY粉末，基材为30×6×10mm的四方体，用丙酮将基材清洗干净备用。首先将粉末置于压片模具内在压力设备(如压片机)上压制成30×6×1mm的粉末片；然后将压好后的粉末片置于清洗干净的基材表面上，四周用四块陶瓷片固定，即完成粉末预置。
实例4：基体材料为市购GH4033，熔覆材料为市购平均粒径为20nm的Al2O3粉末，基材为30×6×10mm的四方体，用丙酮将基材清洗干净备用。首先将粉末在压力设备(如压片机)上压制成30×6×0.4mm的粉末片；将压好后的粉末片置于清洗干净的基材表面上，四周用四块陶瓷片固定，即完成粉末预置。
实例5：基体材料为市购45钢，熔覆材料为市购Ni60喷涂粉末(粒度为150目)，基材表面为直线曲面(图3中的303和图4中的403)。首先将粉末添加到压片模具中，在压力设备(如压片机)上压制成平板状粉末片(图3中的301和图4中的401)；然后将压制好的平板状粉末片置于清洗干净后的基材表面上，在压力设备(如压片机)上利用模具(图3中的304)将粉末片压制成与基材表面一致的形状(图3中的302和图4中的402)；用四块陶瓷片(图4中的404)将粉末片和基材固定，即完成粉末预置。
本说明书未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是它包括：
一、基材处理：即对需进行涂层的基材表面进行毛化处理并清洗干净，并将其作为粉末压片模具的一部分；
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，使粉末成片状或环状压置于基材需进行涂层处理的表面上；
三、熔融：将已粘连有粉末片或粉末环的基材从粉末压片模具中取出，置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。
2.根据权利要求1所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的基材毛化后的表面粗糙度为Ra50～12.5。
4.一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是它包括：
一、基材处理：即将需进行涂层的基材表面清洗干净；
二、粉末处理：将待熔融粉末置于压片模具中，在压力设备上对所加粉末进行压制，将粉末直接或间接压制成与基材表面形状相配的片状、环状或曲面状粉末片或粉末环；
三、机械粘结：采用机械固定方法将上述压制所得的粉末片或粉末环与基材相连接；
四、熔融：将上述经过机械固定后，连接有粉末环或粉末片的基材置于激光加工设备中进行激光熔融，使所述的粉末片或粉末环与基材实现冶金结合，即得到所需的涂层。
5.根据权利要求4所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的间接制造与基材表面形状相配的粉末片或粉末环是指先将粉末压制成平板状，然后将平板状粉末片或粉末环置于基材表面上或模具中再压制出与基材表面形状相配的粉末片或粉末环。
6.根据权利要求5所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的粉末片为曲面片状结构，所述的粉末环为圆环或曲线环。
7.根据权利要求5所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的模具工作表面与待处理基材表面的形状相一致。
8.根据权利要求4所述的以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，其特征是所述的机械固定法为压力固定法以及除化学粘结剂粘结以外的所有机械固定方法，如包边、卡接等。
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