CN101838807A - 一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其涂层，属于材料技术领域。它解决了现有的激光熔覆材料不能满足发动机进、排气门耐高温要求的问题。本发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料由以下质量百分比的化学成分组成：Ni：15～30％；C：0.5～2.0％；Si：2.5～4.0％；Fe：5～15％；W：3.5～6.5％；Cr：12～20％；纳米Al：0.15～0.40％；Y2O3：0.5～2.0％；余量为Co。本发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料熔融在进、排气门基体表面，提高了发动机进、排气门的表面硬度，具有很强的耐磨性，使得发动机进、排气门能够适于高温环境。

Description

一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其涂层
技术领域
本发明涉及一种涂层材料及其涂层，尤其涉及一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其涂层，属于材料技术领域。
背景技术
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多门学科，是激光先进制造技术最重要的核心技术之一。由于该技术制备的熔覆层可以显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗高温氧化和抗疲劳等综合性能，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多等优点。
激光熔覆在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
激光熔覆与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
由于激光熔覆是一种新型的覆层技术，号称汽车心脏的发动机，多数零部件表面要求耐高温、耐磨损、耐腐蚀性，采用激光熔覆在发动机进、排气门上可形成具有优良的耐磨、耐热性合金涂层。但是目前应用广泛的激光熔覆材料(如：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料等)都不能满足发动机进、排气门耐高温的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的激光熔覆材料所存在的缺陷，提供一种不仅表面硬度高，耐磨性强，而且具有耐高温作用的发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料，该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：15～30％；C：0.5～2.0％；Si：2.5～4.0％；Fe：5～15％；W：3.5～6.5％；Cr：12～20％；纳米Al：0.15～0.40％；Y2O3：0.5～2.0％；余量为Co。
本发明与现有堆焊、喷涂、电镀和气相沉积等涂层技术不同，它采用激光熔覆技术在发动机进、排气门基体表面制备陶瓷颗粒增强涂层，在上述材料中采用的纳米Al的粒径是10-100nm。本发明的材料快速熔化后凝固在发动机进、排气门表面形成特定陶瓷颗粒增强复合涂层，在金相显微镜下观察，涂层的典型组织为细小的陶瓷相亚共晶介稳组织，陶瓷相颗粒≤2.8μm，细小弥散的陶瓷相颗粒使得发动机进、排气门能够始于高温环境。
在上述的发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料，作为优选，该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：18～25％；C：0.9～1.6％；Si：2.7～3.4％；Fe：8～11％；W：4.5～5.5％；Cr：13～18％；纳米Al：0.17～0.37％；Y2O3：0.6～1.2％；余量为Co。
进一步的优选，该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：18～25％；C：1.2～1.5％；Si：3.0～3.2％；Fe：9～10％；W：4.8～5.2％；Cr：14～16％；纳米Al：0.25～0.35％；Y2O3：0.8～1.0％；余量为Co。
此外本发明的另一个目的在于提供一种发动机的进、排气门用陶瓷相颗粒增强钴基涂层，该涂层在发动机的进、排气门基体上采用预置式激光熔覆或同步式激光熔覆上述的材料制成。
激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。其中预置式激光熔覆如图1所示，同步式激光熔覆如图2所示。
预置式激光熔覆是将本发明的激光熔覆涂层材料事先置于基体表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉末形式加入。
同步式激光熔覆则是将激光熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入。
其中预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。本发明采用的激光器为现有普通的CO2激光器，固体激光器。
本发明采用激光熔覆制备的发动机的进、排气门用陶瓷相颗粒增强钴基涂层厚度可以控制0.1-1.0mm，此钴基合金涂层与基体形成了界面冶金结合，起到增强基体的作用，提高表面硬度(≥320HV)，具有很强的耐磨性；陶瓷相颗粒≤2.8μm，细小弥散的陶瓷相颗粒使得进、排气门能够适于高温环境。由于这种发动机进、排气门的表面层是用激光熔覆处理，并通过高能激光束快速熔化，使发动机进、排气门外表面一定深度的基体快速熔化后凝固形成特定的陶瓷颗粒增强复合涂层。涂层与发动机进、排气门基体是冶金结构，在外力作用下不会发生脱落或剥离。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明的材料以Co为主体的涂层原材料中添加Ni、Cr、Y2O3和纳米Al粉等化学成分，配方合理，可以在涂层内部形成多种固溶强化相。
2、本发明的发动机的进、排气门用涂层采用激光熔覆技术将钴基合金涂层熔融在进、排气门基体表面，通过冶金结合起到增强基体的作用，提高表面硬度，具有很强的耐磨性；陶瓷相颗粒≤2.8μm，细小弥散的陶瓷相颗粒使得发动机进、排气门能够适于高温环境。
附图说明
图1是本发明预置式激光熔覆示意图。
图2是本发明同步式激光熔覆示意图。
图中，1、激光束；12、熔池；13、涂层材料粉末层；2、激光器；21、送粉器；3、发动机进、排气门基体。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并不限于这些实施例。
表1：实施例1-6中涂层材料化学成分的质量百分数(％)
Figure GDA0000020672860000041
Figure GDA0000020672860000051
其中纳米Al颗粒的粒径为10-100nm。
将实施例1-6材料的化学成分采用普通技术制成钴基合金粉末(具体参考CN101187022A)
应用实施例1
如图1所示：在发动机进、排气门基体3上用预置法添加由实施例1制备的钴基合金粉末形成涂层材料粉末层13，其中用聚乙稀醇水溶液作为粘结剂，将粉末与其混合均匀调成糊状涂覆于基体上，然后用激光束1熔覆涂层材料粉末层13于基体3上，在激光熔覆的同时，用氩气或氮气保护熔池。所得到的钴基合金涂层与基体形成了界面冶金结合，起到增强基体的作用，提高表面硬度(≥320HV)，具有很强的耐磨性；陶瓷相颗粒≤2.8μm，细小弥散的陶瓷相颗粒使得进、排气门能够适于高温环境。
应用实施例2
如图2所示：对发动机进、排气门基体基体3熔覆表面进行预处理，将由实施例1制备的钴基合金粉末装入送粉器21中，边送料边用激光器2激光熔覆成熔覆涂层，熔覆后进行热处理。所得到的钴基合金涂层与基体形成了界面冶金结合，起到增强基体的作用，提高表面硬度(≥320HV)，具有很强的耐磨性；陶瓷相颗粒≤2.8μm，细小弥散的陶瓷相颗粒使得进、排气门能够适于高温环境。
应用实施例3-6
采用的是实施例3-6制备的钴基合金粉末，其它过程同实施例1，不再赘述。
本发明采用的激光器为CO2激光器，激光器或激光束产生的激光功率为2.0KW，其它工艺过程采用现有普通技术。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (5)

1.一种发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料，该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：15～30％；C：0.5～2.0％；Si：2.5～4.0％；Fe：5～15％；W：3.5～6.5％；Cr：12～20％；纳米Al：0.15～0.40％；Y2O3：0.5～2.0％；余量为Co。
2.根据权利要求1所述的发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料，其特征在于：该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：18～25％；C：0.9～1.6％；Si：2.7～3.4％；Fe：8～11％；W：4.5～5.5％；Cr：13～18％；纳米Al：0.17～0.37％；Y2O3：0.6～1.2％；余量为Co。
3.根据权利要求1或2所述的发动机的进、排气门用激光熔覆涂层材料，其特征在于：该材料由以下质量百分比的化学成分组成：
Ni：20～22％；C：1.2～1.5％；Si：3.0～3.2％；Fe：9～10％；W：4.8～5.2％；Cr：14～16％；纳米Al：0.25～0.35％；Y2O3：0.8～1.0％；余量为Co。
4.一种发动机的进、排气门用涂层，其特征在于：该涂层在发动机的进、排气门基体上采用预置式激光熔覆或同步式激光熔覆如权利要求1或2所述的材料制成。
5.一种发动机的进、排气门用涂层，其特征在于：该涂层在发动机的进、排气门基体上采用预置式激光熔覆或同步式激光熔覆如权利要求3所述的材料制成。
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