CN102453909B - 一种具有双金属的复合板材的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有双金属的复合板材的制造方法，其特点是在基材表面采用激光熔覆成型的方法制造所需功能层，并通过在工装下部加冷却水箱来防止变形，其工艺步骤为：1)按照设计图要求制备工装，通过普通的机械加工对以选定的基体材料加工；2)对选定基体材料探伤和清理；3)激光熔覆成型；4)通过机械加工对熔覆层表面进行处理；5)检验，不允许有裂纹、气孔、夹杂。本发明为双金属复合板材制造提供了一种新的方法，并解决了传统方法制造金属复合板材的复合层组织不致密，厚度小，结合强度差，生产率低，对生产技术和设备要求高等问题。

Description

一种具有双金属的复合板材的制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合板材的制造，特别是涉及一种具有双金属的复合板材的制造方法，本发明适用于石油、化工、冶金、航空、医疗等各行各业。

背景技术

目前金属板材的使用广泛，而且大部分金属板材在工业使用时更注重板材的表明性能，如抗高温，抗磨损、抗腐蚀等，而对其基材内部没有太多的限制。但制造时往往又需要整体制造，而某些应用于科技领域的高质量，高性能的金属板材我国还不具备生产的实力，多从国外进口，从而使某些具有高性能或特殊性能的板材价格较昂贵，同时也是资源的一种浪费。

鉴于此种情况，目前一种方法主要是采用电镀，喷涂等方法改变材料的表面性能，提高材料的利用率，而电镀，喷涂等方法属于分子间的结合，无法形成冶金结合，结合强度差，且涂层厚度较薄，而且由气孔率，涂层不致密；另一种方法是制造复合板材，它既具有复层材料的耐腐蚀、耐热、耐磨损等特殊性能，基层又具有结构要求的强度和刚度。

目前复合板材的制造主要方法有，高温烧结复合、爆炸复合、轧制复合、爆炸轧制复合等。高温烧结主要是在基材金属板上覆盖一层功能材料粉末，在高温下进行烧结，这中方法生产效率较低，浪费能源；爆炸复合及爆炸成型工艺是复合技术中最重要的技术，主要采用炸药作能源进行金属间焊接复合。该技术是以门介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的边缘学科，对于不同金属材料的物理和化学性能，以及炸药的配置技术要求由非常深入的了解，因此技术门槛较高；轧制复合是采用压力加工工艺生产金属复合板的方法，由冷轧复合和热轧复合两种，其基本原理是将需要复合的两种金属按一定的配比和要求，送入轧机进行轧制，在轧机强大压力作用下，或与热作用相结合，使复合的两种金属板在整个截面上发生塑性变形，促使待复合表面变形、结晶、活化，随之形成平面状的冶金复合。但该方法要求具有强大压力的轧制设备及生产复合板的专业技术。

因此，选择适当的制造多金属复合板材的工艺，是所属领域亟待解决的课题。

激光熔覆是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基材相互熔合。形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。利用该表面强化新技术可以有效提高金属材料的屈服强度、硬度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力及微动磨损疲劳寿命等性能。

激光成型就是利用激光反复熔覆，在基材表面制备一种新的材料，并与基体形成冶金结合的再制造技术。

目前，关于利用激光熔覆成型工艺制备设备部件的专利和报道很多：例如，

公开号为CN101205598的中国发明专利申请给出的《一种沉没辊轴套及其制造方法》，由不锈钢基体1和钴基激光熔覆层2两部分组成，钴基激光熔覆层2覆盖在不锈钢基体1之上，其制造方法，如下：1.加工不锈钢基体1；2.机械加工；3.激光熔覆，在不锈钢基体1外圆上，先熔覆打底层，再熔覆功能层；激光熔覆工艺参数为：激光功率3000～5000W，光斑直径为2～5MM，扫描速度2～10MM/S；4.机械加工至设计尺寸。

公开号为CN 1932079的中国发明专利申请给出的《一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺》，其特征在于它包括以下工艺过程：(1)机加工轧辊去掉表面疲劳层，得到所需尺寸和形状，然后对激光将要辐照处理的一面进行研磨，去油污和适当的清洗；(2)用酚醛树脂粘接剂将纳米碳化物陶瓷涂料混合均匀，然后均匀地涂在预处理后的轧辊表面，预涂厚度为0.01～0.05MM，然后风干；(3)选用高功率CO2激光器对轧辊外表面预涂的纳米陶瓷涂料层进行快速扫描；工艺参数如下：激光功率P＝1000～10000W，扫描速度V＝1.5～20M/MIN，搭接率为15～35％，光斑直径为D＝0.6～5MM。

公开号为CN101457378的中国发明专利申请给出的《一种激光成型电镀锌线导电辊及其制造方法》，包括基体，基体表面上覆盖有激光熔覆层，激光熔覆层的厚度为3～10MM，激光熔覆层与基体为冶金结合，所述的激光熔覆层为镍基合金粉末层或钴基合金粉末层或镍基合金粉末层与钴基合金粉末层的结合体。其的制造方法工序如下：A.制作导电辊基体；B.激光熔覆中间过渡层：先用横流连续CO2激光器在导电辊基体上熔覆一层镍基合金或钴基合金粉末打底，作为中间过渡层；经机械加工去除表面激光熔覆氧化皮后，再用横流连接CO2激光器在中间过渡层上熔覆耐磨性和耐蚀性能较好的镍基合金或钴基合金粉末作为表面功能层。

公开号为CN101204757的中国发明专利申请给出的《一种薄壁圆筒件的激光熔覆工艺》，其工艺参数是：熔池尺寸直径为2～5MM、扫描速度是15～40MM/S，功率：2000～5000W；按螺旋线进行熔覆；其特征在于：每条螺旋线的始点按圆周分区交替进行，区域顺序保持尽量大的夹角。这样，熔覆过程中加热时间极短，热量输入分布相对分散，而冷却时间长，因此零件的变形较小。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆成型工艺对部分设备部件进行制备处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像双层金属的复合板材这样的特定结构，现有激光熔覆成型工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆成型工艺制备双层金属的复合管材，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆制备双层金属的复合板材的工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究实验，给出了一种使用大功率激光熔覆制造双层金属复合板的方法。

本发明给出的技术方案是：这种具有双金属的复合板材的制造方法，其特点是在复合板材的基材表面采用激光熔覆成型的方法制造所需功能层，并通过在工装下部加一个冷却水箱来防止可能出现的变形，其工艺步骤如下：

1)按照设计图要求制备工装，通过普通的机械加工对以选定的基体材料加工，所述工装主要包括有熔覆工作台和冷却水箱；

2)对选定基体材料探伤(着色探伤、X光探伤、超声波探伤、荧光探伤等无损探伤)不允许有裂纹，气孔等缺陷。对基材表面进行清理，使基材处于调制状态，无油污、氧化皮等污物。

3)激光熔覆，将选定基体材料放在工作台上，将选定基体材料通过压力装置平整地固定在工作台上，使用水泵通过冷却水箱的入水口注入冷却水直到注满，冷却水箱的出水口关闭，采用熔覆性能稳定的大功率(5000W以上)CO2激光器在基材表面熔覆所需性能的高温合金粉末，在熔覆过程中保持冷却水保持循环，直到熔覆层厚度达到0.5mm-5mm，熔覆完成后取下双金属复合板材，通过出水口更换冷却水，其中

工艺参数为：

功率(3000W-10000W)、速度(5-20mm/s)、搭接(1-5mm)、光斑大小：4-5mm送粉量可根据设计需要调试送粉器；

高温合金粉末化学组成(质量百分数)：

Wc：10-20％、C：0.3-0.8％、B：0.5-.8％、Cr：20-28％、Ni：1.5％、Si：1-3％、Mo：5-8％、Co：1-2％、Mn：0.4％、Fe余量。

4)通过机械加工对熔覆层表面进行处理以达到使用要求，如表面光洁度等。

5)检验，包括硬度检验，尺寸检验，无损探伤检验，要求不允许由裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

本发明通过使用熔覆性能稳定的大功率(5000W以上)CO2激光器生产双金属复合板，并可根据需要和工况的使用条件选择基材材料，并令基材的主表面朝上，通过熔覆性能稳定的大功率(5000W以上)CO2激光器的数控装置和送粉器在选定基材的主面上预置或同步送成分合适且适合熔覆的高温合金粉末，并且选择合适所选熔覆金属粉末的工艺参数进行激光熔覆，熔覆层以与基材一起形成一种所述的符合设计要求的双金属复合板。该板材的作用面(及溶覆层)具有高标准的使用性能，例如抗磨损、抗高温、耐腐蚀、抗疲劳等性能，其中对耐高温磨损和耐冲击性能效果最为明显提高，能满足更复杂工况的使用需要。

本发明由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的过程，激光熔覆引起的变形小。在激光熔覆之前，使所述主表面基材上没有氧化物并用适当的加入保护气体防止溶覆金属粉末在溶覆过程中氧化；对于使用条件双金属板的大小和厚薄可能不一样，对于很容易变形形状的板材，采用在工装下部加一个冷却水箱的办法来防止可能出现的变形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)为双金属板复合板材的制造提供了一种全新的制造方法。

(2)降低生产成本：维修成本，减少磨耗使设备产能降低及耗电增加的损失，减少工人数量，一次投资长期受益，性价比高。

(3)采用激光熔覆成型工艺制造的双金属复合板材解决了现有方法制造金属复合板材的复合层组织不致密，厚度小，结合强度差，生产率低，变形量大，对生产技术和设备要求高等问题。

(4)社会效益显著：大大减少普通钢板材料使用，科技进步带来综合社会效益。

(5)溶覆耐磨钢板耐磨层厚度0.5-15mm，耐磨层硬度可以达到HRC55-65，耐磨性能是普通钢板的13-20倍以上，是低合金钢板性能6-12倍以上，是高铬铸铁耐磨性能5-8倍以上，耐磨性远远高于喷焊和热喷涂等方法。

附图说明

图1为激光熔覆成型用工装的结构示意图

具体实施方式

实施例1双金属复合板的制造

滑板基材为Q235号钢

滑板基材表面熔覆合金粉末的化学成分为(质量百分数)：

Wc：15％、C：0.5％、B：0.8％、Cr：25％、Ni：1.5％、Si：2％、Mo：6％、Co：1.5％、Mn：0.4％、Fe余量。

工艺步骤如下：

1)按照合计图要求制备工装，通过普通的机械加工对以选定的基体材料加工。

2)对选定基体材料探伤(着色探伤、X光探伤、超声波探伤、荧光探伤等无损探伤)不允许有裂纹，气孔等缺陷。对基材表面进行清理，使基材处于调制状态，无油污、氧化皮等污物。

3)采用熔覆性能稳定的DL-HL-5000型CO2激光器在基材表面熔覆所需性能的高温合金粉末。采用工艺为：功率：3000W、扫描速度：8mm/s、光斑大小：4mm、预置高温合金粉末厚度：1.5mm。通过机械加工对熔覆层表面进行处理以达到使用要求，如表面光洁度等。

4)检验，包括硬度检验，尺寸检验，无损探伤检验，要求不允许由裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

激光熔覆成型过程中使用的工装，主要包括熔覆工作台(1)，冷却水箱(5)组成

将金属板(3)放在工作台上，将金属板(3)平整地通过安装空或压力装置固定在工作台(1)上，使用水泵通过入水口(2)箱水箱内注入冷却水直到注满，出水(4)处与关闭状态，激光熔覆主作用面。熔覆完成后取下双金属复合板材，通过出水口(4)更换冷却水。

Claims (2)

1.一种具有双金属的复合板材的制造方法，其特征在于在复合板材的基材表面采用激光熔覆成型的方法制造所需功能层金属板，并通过在工装下部加一个冷却水箱来防止可能出现的变形，其工艺步骤如下：

1）按照设计图要求制备工装，通过普通的机械加工对已选定的基体材料加工，所述工装主要包括有熔覆工作台和冷却水箱；

2）对选定基体材料探伤，不允许有裂纹，气孔缺陷，对基材表面进行清理，使基材处于调制状态，无油污、氧化皮污物；

3）激光熔覆，将选定基体材料放在工作台上，将选定基体材料通过压力装置平整地固定在工作台上，使用水泵通过冷却水箱的入水口注入冷却水直到注满，冷却水箱的出水口关闭，采用熔覆性能稳定的大功率5000W以上CO₂激光器在基材表面熔覆所需性能的高温合金粉末，直到熔覆层厚度达到0.5mm-15mm，熔覆完成后取下双金属复合板材，通过出水口更换冷却水，其中

工艺参数为：

功率5000W-10000W、速度5-20mm/s、搭接1-5mm，高温合金粉末化学组成：

WC:10-20%、C:0.3-0.8%、B：0.5-0.8%、Cr :20-28%、Ni :1.5%、Si:1-3%、Mo :5-8%、Co :1-2%、Mn: 0.4%、Fe余量；

4）通过机械加工对熔覆层表面进行处理以达到使用要求；

5）检验，包括硬度检验，尺寸检验，无损探伤检验，要求不允许由裂纹、气孔、夹杂缺陷。

2.根据权利要求1所述的具有双金属的复合板材的制造方法，其特征在于较好的高温合金粉末化学组成为：

WC:15%、C:0.5%、B：0.8%、Cr :25%、Ni :1.5%、Si:2%、Mo :6%、Co :1.5%、Mn: 0.4%、Fe余量。