CN103194750A

CN103194750A - 一种模具表面激光熔注局部仿生强化方法

Info

Publication number: CN103194750A
Application number: CN2013101267956A
Authority: CN
Inventors: 刘立君; 王义强; 杨文浩; 李继强; 贾志欣; 张伟杰; 张红兴
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Donghao Die Casting Co., Ltd.; Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: CN103194750B

Abstract

本发明提出一种模具表面激光熔注局部仿生强化方法，激光熔注通过控制激光束对注入颗粒的加热，降低颗粒的分解，控制颗粒与金属基体之间反应层的尺寸及基体中反应物的数量和增强颗粒/金属基体反应层的厚度，在模具功能表面制备陶瓷梯度熔注层中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm；在模具表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生纹理，仿生纹理宽度W1和W2为0.1~10mm，纹理间距L1和L2为1.0~40mm，强化点直径d为0.1~20mm；将激光熔注技术和仿生技术相结合，用于模具表面局部填加陶瓷颗粒和仿生强化，具有良好发展前景。

Description

一种模具表面激光熔注局部仿生强化方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

虽然我国模具生产发展很快，但与国外先进水平相比还有很大差距，主要表现在制造周期长、制造精度低、模具寿命短等方面，其中模具寿命短的问题尤为突出，直接导致资源浪费和生产成本的上升。因此，利用现代高技术手段制备高性能的新型模具，延长模具的服役时间，避免发生过早失效，从而挽回生产中不必要的损失，将会大大推动工业和国民经济的发展，具有显著的经济效益和社会意义。

在模具材料选定的情况下，对模具表面进行强化处理是提高模具寿命的有效方法，如模具表面渗碳、氮化、仿生强化等。自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，如蜣螂、穿山甲等与硬物接触部位的体表是由凹坑、凸包或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性，由此有学者提出激光表面仿生强化提高模具使用寿命、改善使用性能的方法。从仿生角度出发，通过研究耐磨损生物原型、抗疲劳生物原型，将生物原型抗磨损、耐疲劳的结构在模具表面加以“复制”，通过激光实施仿生强化，可显著提高模具的耐磨性与热疲劳性，将这种方法应用到模具表面会提高模具寿命，会给企业带来巨大经济效益。

激光熔注技术目前已经被认为是制备金属基复合材料层最为理想的方法之一，是高功率激光局部熔化金属基体，同时将陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被冻结，实现了基体上层颗粒增强，提高金属表面耐磨性和硬度。如在不同金属基体表面（304不锈钢、镍基合金、铜合金、铝合金、钛合金）激光熔注陶瓷颗粒（TiC、WC、SiC）制备金属基复合材料层，金属表面得到了强化，耐磨性能得到了明显的改善，显示了激光熔注技术在金属基体表面制备颗粒增强复合材料层的优势。如果将该技术和仿生技术相结合，用于模具表面局部仿生强化，具有良好发展前景。

专利200610016699.6提出了一种通过在金属表面涂覆金属粉末，添加化学元素，利用激光加热实现仿生强化的工艺方法和制备装置。专利201110369559针对金属工件表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架，根据设计的曲线骨架，利用激光加热的方法对金属工件表面进行熔凝仿生强化方法及装置。专利201210089286利用激光加热的方法对机床导轨表面进行熔凝仿生强化方法及装置。本发明工艺方法与之不同之处在于利用激光熔注技术，通过激光熔注陶瓷颗粒，在模具表面局部制备生物结构金属基复合材料层，提高模具耐磨、抗裂性能。

通过激光熔凝或激光熔覆在模具表面加工出具有一定几何形状、组织结构优化或化学成分有区别于基体的仿生结构耐磨层，是当前制备模具表面仿生结构层传统加工手段。激光熔凝是利用激光快速加热并熔化模具表层，因不添加焊丝或合金粉末，仿生层组织结构或化学成分优化受到一定限制，由此降低仿生层抗热疲劳和耐磨性能，影响模具寿命提高幅度。激光熔注由于将增强颗粒注入到基体的熔池中，熔注层和基体的化学成分呈平缓梯度过渡，两者之间无明显的界面，因此，激光熔注有利于解决激光熔覆由于熔覆层与基体之间化学成分存在较大梯度而导致的熔覆层易开裂的问题。另外，激光熔注通过控制激光束对注入颗粒的加热，能够降低激光熔注层中脆性相的数量和降低颗粒的分解，进而控制颗粒与金属基体之间反应层的尺寸及基体中反应物的数量和增强颗粒/金属基体反应层的厚度，由于激光熔注过程中熔凝速度快，可以获得一些在平衡态所无法得到的组织和物相，与激光熔覆比较，有利于模具表面耐磨抗裂仿生结构层制备。因此将激光熔注技术和仿生技术相结合，用于模具表面局部仿生强化，具有良好发展前景。

发明内容：

本发明是通过如下方式来解决上述技术问题的：

模具表面激光熔注局部仿生强化流程如图1所示，其中五轴模具表面激光熔注局部仿生强化试验平台由控制单元、精密送粉器、激光器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与激光器、精密送粉器、和五自由度数控工作台的通讯接口系统相连。根据耐磨、抗裂和抗热疲劳生物原型，建立模具表面耐磨、抗裂和抗热疲劳仿生结构模型，同时建立激光熔注多尺度陶瓷颗粒（TiC、WC、SiC）复合材料层耐磨、抗裂和抗热疲劳性能数据库；其次确定激光熔注陶瓷颗粒仿生单元体几何形态、化学成分、组织形态和单元体构成宏观仿生纹理形态对模具寿命的影响规律；在上述技术基础上，利用激光熔注制备模具表面局部仿生强化层，制备过程如图2所示，多条仿生强化层构成宏观仿生纹理，如图3所示。

附图说明

图1模具表面激光熔注局部仿生强化流程图。

图2 激光熔注制备仿生强化层过程示意图。

图3 模具表面激光熔注陶瓷颗粒纹理示意图：

其中： W1和W2纹理宽度 L1和L2纹理间距 d强化点直径。

图4激光熔注陶瓷颗粒增强复合材料。

图5 激光熔注陶瓷颗粒阻断裂纹原理图。

具体实施方式

压铸模具表面激光熔注陶瓷仿生强化复合材料层，根据海螺表面生物原型特点，利用激光熔注技术在模具表面制备颗粒增强复合材料层如图4所示，其阻断裂纹机理如图5所示。激光熔注实验采用铸造WC陶瓷粉末作为注入材料,平均尺寸为100μm,呈不规则多边形状,由WC和W2C两相组成，模具材料为H13，激光器为2kW光纤激光器、五轴CNC数控系统和精密送粉器，WC粉末由熔池中后部注入,注入方向与激光扫描方向相同，与基体表面的角度为45°，实验采用负离焦，激光束加工斑点尺寸为4.0mm，激光功率密度P=320 W/mm2,扫描速度v=0.5m/min,送粉速度m=90 mg/s。在模具表面加工成一定纹理网格，如图3所示，该网格在宏观模仿了贝壳外观条纹，在每个网格条纹中，弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒，在微观上模仿贝壳上小颗粒单元。试验表明，具有激光熔注仿生表面的模具使用寿命比强化前提高了50%以上。

本发明首次提出一种模具表面激光熔注局部仿生强化方法，将激光熔注技术和仿生技术相结合，用于模具表面局部仿生强化，具有良好发展前景。激光熔注由于将增强颗粒注入到基体的熔池中，熔注层和基体的化学成分呈平缓梯度过渡，两者之间无明显的界面，有利于解决激光熔覆由于熔覆层与基体之间化学成分存在较大梯度而导致的熔覆层易开裂的问题。激光熔注通过控制激光束对注入颗粒的加热，能够降低颗粒的分解，进而控制颗粒与金属基体之间反应层的尺寸及基体中反应物的数量和增强颗粒/金属基体反应层的厚度；由于激光熔注过程中熔凝速度快，可以获得一些在平衡态所无法得到的组织和物相，与激光熔覆比较，有利于模具表面耐磨抗裂仿生结构层制备。

Claims

1.一种模具表面激光熔注局部仿生强化方法，其特征在于：在模具功能表面利用激光熔注加工的方法，对表面进行局部填加陶瓷颗粒和仿生强化。

2.按权利要求1所述的模具表面激光熔注局部仿生强化方法，其特征在于所述激光熔注是将增强颗粒注入到基体的熔池中，熔注层和基体的化学成分呈平缓梯度过渡，两者之间无明显的界面；激光熔注通过控制激光束对注入颗粒的加热，降低颗粒的分解，进而控制颗粒与金属基体之间反应层的尺寸及基体中反应物的数量和增强颗粒/金属基体反应层的厚度；所述仿生强化是按模具表面耐磨、抗裂和抗热疲劳仿生结构模型，在模具表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生纹理，仿生纹理宽度W1和W2为0.1~10mm，纹理间距L1和L2为1.0~40mm，强化点直径d为0.1~20mm。

3.按权利要求1所述的模具表面激光熔注局部仿生强化方法，其特征在于所述陶瓷包括TiC、WC和SiC，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在模具功能表面制备陶瓷梯度熔注层中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。