CN102373467B - 一种立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用大功率多模横流CO2激光器激光熔覆技术，特别涉及激光熔覆表面改性技术。本发明通过铁基粉末挤压成型，后纺织制成的立体空间堆垛网状物添加于基材表面展开激光熔覆，形成立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。目的在于降低熔覆层的应力值，充分控制熔覆层中的裂纹，属于表面改性及材料加工技术领域。本发明中立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层与基体结合良好，且不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及利用大功率多模横流CO2激光器激光熔覆技术，特别涉及激光熔覆表面改性技术。
背景技术
近年来，随着激光熔覆技术的发展，已经取得了令人瞩目的成果。但目前激光熔覆中最棘手的问题就是涂层裂纹，这阻碍激光熔覆技术快速实现工业化进程。国内外通过熔覆粉末成分调配、基体材料选择、改变激光熔覆工艺参数、热处理等方法对激光熔覆涂层裂纹形成机理、控制和处理手段展开大量研究。
经过文献检索，例如：谭文（参见谭文, 刘文今, 贾俊红.金属热处理, 2000, 1(1): 15-17）采用Fe-C-Si-B粉末预置在灰口铸铁基体上进行激光熔覆，得出多道搭接熔覆层产生的裂纹机率比单道熔覆高。在Fe-C-Si-B粉末加入少量的CaF2可以改善熔覆粉末的工艺性能。李胜（参见李胜, 曾晓雁, 胡乾午.中国表面工程, 2007, 20(4): 11-15）通过激光熔覆专用铁基合金特点分析，综述了激光熔覆专用铁基合金的研究现象，提出了现有激光熔覆专用铁基合金成分与组织设计思想，主要体现在“原位自生”和“高碳共晶”。而王宏宇（参见王宏宇, 左敦稳, 陆英艳,许鸿昊.航空材料学报, 2008, 28(6): 57-60）通过在镍基合金基体上激光熔覆MCrAlY涂层，展开裂纹的成因与控制的研究，提出缓冷处理措施来控制基体裂纹，但保温随炉缓冷处理会引起熔覆层组织粗大、枝晶特征明显等不良影响，而随箱缓冷处理涂层对熔覆层组织并未产生不良影响。Chaofeng Wu（参见Chaofeng Wu, Mingxing Ma, Wenjin Liu, et al. Materials Letters, 2008, 62(17-18): 3077-3080）研究了激光熔覆铁基合金粉末涂层显微结构，其中铁基粉末加入Ti、Zr、C等元素，实验结果表明：涂层与基体形成良好的致密冶金结合。J. Radziejewska （J. Radziejewska, S. J. Skrzypek. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(4): 2047-2056）采用CO2激光器，通过铁碳合金加入了钴钨铬等合金元素进行多道激光熔覆，结合微观结构、显微硬度和残余应力对熔覆涂层进行分析，实验结果表明：距基体表面20-30μm涂层显微硬度值明显增加。X-射线衍射分析残余应力测量，合金化熔覆涂层受到拉应力，大约为500MPa。Igor Smurov（参见Igor Smurov. Surface & Coatings Technology, 2008, 202(18): 4496-4502）利用金属沉积技术应用于制造功能梯度涂层，研究了钨铬钴合金涂层的滑动磨损性能，纳米粉末增强相的存在，摩擦系数低于0.12。
然而，极少看到通过网状添加物激光熔覆，国内毛怀东（参见毛怀东，张大卫，刘泽福.2008,41(5):553-557）对Ni45和CoO2两种粉末熔覆层中加入塑性好、屈服极限较低不锈钢网，降低了熔覆层中的应力值，控制了熔覆层中的裂纹激光熔覆。现有激光熔覆技术中网状添加物材料单一，仍然存在裂纹、气孔等缺陷。
发明内容
针对现有的技术不足，本发明拟解决的技术问题是：采用一种立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，将立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层和奥氏体不锈钢基材形成良好的冶金结合层，防止出现裂纹、气孔、夹杂等缺陷，改善热影响区组织和性能，提高熔覆效率，并实现工业化应用。
本发明解决所述技术问题是通过以下技术方案实现的，步骤具体包括如下：
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：将金属粉末与水溶性粘结剂混合熔炼成混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压成直径为0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm。
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理：先对奥氏体不锈钢基材待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗干净；
（3）激光熔覆材料准备：将金属粉末放置烤箱烘干，温度为100~150℃，时间为1~2h，自然冷却后加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在的预置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2g/s，涂层的厚度达到1.5~2.5mm；
（4）激光熔覆工艺：将奥氏体不锈钢基材预热到100~150℃，采用高纯氩气作保护气体，将激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器照射在步骤（3）中预置好的具有涂层的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面，制得立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。
所述金属粉末为Fe55、镍粉、铬粉和陶瓷粉等，粒度为≤200目。其中Fe55的霍尔流速为0.50 s/g，松装密度为3.8g/cm3，硬度为23-27HRC，Cr质量百分数为18.00%，Ni为3.00%，B为2.60%，Si为3.50%，C为1.20%，Fe为余量。
所述步骤（1）中金属粉末与水溶性粘接剂的体积比为0.3:1，水溶性粘接剂是将聚乙二醇（PEG）系粘结剂与聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）以体积比4:1配制而成。聚乙二醇（PEG）系粘结剂和聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）为市售。
所述的奥氏体不锈钢基材为1Cr18Ni9Ti。
所述步骤（3）中预置的立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材是将步骤（1）中制得的三种网状物以任意顺序自上而下堆垛而成。
所述激光熔覆工艺参数为：激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm。
所述高纯氩气的流量为8 L/h。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明的制备方法简单，铁基粉末成本低，同步送粉方式的熔覆材料
可以调配。
2、采用大功率多模横流CO2激光器加工工艺熔覆技术，能量密度高，
热输入小，且立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层与基体结合良好，不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染，可以得到大面积熔覆涂层。
3、采用多轴联动数控加工方法能解决三维复杂的表面改性处理问题。
4、本发明可以广泛应用于奥氏体不锈钢零部件的表面改性和修复。
附图说明
图1是立体空间堆垛网状添加物制备方法流程图。
图2是立体空间堆垛网状添加物结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和本发明方法的内容提供实施例，对本发明作进一步的理解。
实施例1
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：铁基粉末为Fe55粉末与水溶性粘结
剂（聚乙二醇与聚甲基丙烯酸甲脂以体积比4:1配制）混炼而成的混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压而出，把具有0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm。水溶性粘结剂与Fe55粉末以0.3:1体积分数比进行混炼。Fe55粉末：霍尔流速为0.50 s/g，松装密度为3.8g/cm3，硬度为23-27HRC，Cr质量百分数为18.00%，Ni为3.00%，B为2.60%，Si为3.50%，C为1.20%，Fe为余量。
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理，工艺为：将基材为1Cr18Ni9Ti奥氏
体不锈钢首先采用180#金相砂纸对待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗。
（3）激光熔覆材料准备：将Fe55粉末熔覆材料放置烤箱烘干，温度为
100~150℃，时间为1~2h，后空冷加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在所述的放置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2 g/s，涂层的厚度能达到1.5~2.5mm。
（4）激光熔覆工艺：采用激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器
照射所述预置好的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面上的涂层，激光熔覆工艺参数为：激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm，高纯氩气作保护气体，流量为8 L/h。加工后可在1Cr18Ni9Ti不锈钢基材上获得表面质量好，无裂纹、气孔、夹杂等缺陷的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层，并且具有高硬度、良好的耐蚀性。（如图2所示）
下面对本实施例得到的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法及过程进行进一步说明，说明其激光熔覆涂层的优越性。
1．立体空间堆垛网状添加物结构分析
铁基粉末Fe55制成的网状添加物，由下而上分为三层堆垛而成，第一层使用直径为1.0mm，孔间距为1.0mm网状添加物，第二层为直径为0.5mm，孔间距为0.5mm网状添加物，第三层为直径为0.25mm，孔间距为0.25mm网状添加物，每层取同一面积大小100mm×30mm堆垛而成。
2．立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层熔覆过程分析
立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层采用多道激光熔覆、同步方式送粉，添加粉末和网状添加物材质一致，并采用多轴数字化加工技术。随着网状添加物堆垛层孔间距降低，有利于同步送粉过程中，粉末充满立体空间，达到充分熔覆。
实施例2
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：将镍粉与水溶性粘结剂混炼成混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压成直径为0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm。
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理：先对奥氏体不锈钢基材1Cr18Ni9Ti待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗干净；
（3）激光熔覆材料准备：将金属粉末放置烤箱烘干，温度为100~150℃，时间为1~2h，自然冷却后加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在的预置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2g/s，涂层的厚度达到1.5~2.5mm；
（4）激光熔覆工艺：将奥氏体不锈钢基材预热到100~150℃，采用流量为8 L/h高纯氩气作保护气体，将激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器照射在步骤（3）中预置好的具有涂层的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面，制得立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm。
所述步骤（3）中预置的立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材是将步骤（1）中制得的三种网状物以第一层直径为0.1mm，间距为0.1mm,第二层为0.5mm, 间距为0.5mm，第三层直径为0.25mm，间距为0.25mm的顺序自上而下堆垛而成。
经激光多道熔覆，立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层与基体结合良好，不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，裂纹得到有效控制和消除。
实施例3：
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：将铬粉与水溶性粘结剂混炼成混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压成直径为0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm。
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理：先对奥氏体不锈钢基材1Cr18Ni9Ti待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗干净；
（3）激光熔覆材料准备：将铬粉放置烤箱烘干，温度为100~150℃，时间为1~2h，自然冷却后加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在的预置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2g/s，涂层的厚度达到1.5~2.5mm；
（4）激光熔覆工艺：将奥氏体不锈钢基材预热到100~150℃，采用流量为流量为8 L/h的高纯氩气作保护气体，将激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器照射在步骤（3）中预置好的具有涂层的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面，制得立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。激光熔覆工艺参数为：激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm。
所述步骤（3）中预置的立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材是将步骤（1）中制得的三种网状物以第一层直径为1.0mm，间距为1.0mm,第二层为0.5mm,间距为0.5mm，第三层直径为0.25mm，间距为0.25mm的顺序自上而下堆垛而成。
实施例4：
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：将铬粉与水溶性粘结剂混炼成混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压成直径为0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm。
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理：先对奥氏体不锈钢基材1Cr18Ni9Ti待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗干净；
（3）激光熔覆材料准备：将铬粉放置烤箱烘干，温度为100~150℃，时间为1~2h，自然冷却后加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在的预置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2g/s，涂层的厚度达到1.5~2.5mm；
（4）激光熔覆工艺：将奥氏体不锈钢基材预热到100~150℃，采用流量为8 L/h高纯氩气作保护气体，将激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器照射在步骤（3）中预置好的具有涂层的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面，制得立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。激光熔覆工艺参数为：激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm。
所述步骤（3）中预置的立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材是将步骤（1）中制得的三种网状物以第一层直径为1.0mm，间距为1.0mm,第二层为0.5mm,间距为0.5mm，第三层直径为0.25mm，间距为0.25mm的顺序自上而下堆垛而成。
Claims (5)
1. 一种立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）立体空间堆垛网状添加物制作：将金属粉末与水溶性粘结剂按照体积比0.3:1混炼成混合物，将混合物通过纺丝用的喷嘴挤压成直径大小为0.25~1.0mm的金属丝，纺织成间距不等的三种网状物，间距分别为0.25、0.5、1.0mm，将三种网状物以任意顺序自上而下堆垛制成预置的立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材；上述金属粉末为Fe55、镍粉或铬粉，粒度为≤200目；上述水溶性粘接剂是将聚乙二醇系粘结剂与聚甲基丙烯酸甲脂以体积比4:1配制而成；
（2）奥氏体不锈钢基材表面前处理：先对奥氏体不锈钢基材待熔覆表面进行打磨，然后用无水乙醇清洗；
（3）激光熔覆材料准备：将金属粉末放置烤箱烘干，温度为100~150℃，时间为1~2h，自然冷却后加入送粉器中，以同步送粉方式涂覆在预置有立体空间堆垛网状物的奥氏体不锈钢基材表面上，送粉量为0.2g/s，涂层的厚度达到1.5~2.5mm；
（4）激光熔覆工艺：将奥氏体不锈钢基材预热到100~150℃，采用高纯氩气作保护气体，将激光波长为10.6μm大功率多模横流CO2激光器照射在步骤（3）中预置好的具有涂层的立体空间堆垛网状物奥氏体不锈钢基材表面，制得立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层。
2.根据权利要求1所述的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，其特征在于：所述聚乙二醇系粘结剂和聚甲基丙烯酸甲脂均为市售。
3.根据权利要求1所述的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，其特征在于：所述的奥氏体不锈钢基材为1Cr18Ni9Ti。
4.根据权利要求1所述的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，其特征在于：所述激光熔覆工艺参数为：激光功率为P=3~4.2kW，扫描速度为V=450~600mm/min，光斑直径为D=5~6mm，离焦量为d=55mm。
5.根据权利要求1所述的立体空间堆垛网状添加物的激光熔覆涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中高纯氩气的流量为8 L/h。
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