CN103498147A - 一种用于活塞表面的激光熔覆方法 - Google Patents

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季永清
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Abstract

本发明公开了一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其步骤包括：a）对活塞表面进行预处理；b）预制合金粉末；c）通过对活塞套运动方向的研究，判断其受力方向，采用同轴送粉的方式使用激光器按照其受力方向进行激光熔覆，并对激光熔覆区域进行惰性气体保护；d）后续处理，对激光熔覆后的活塞进行后期机加工。本发明通过使粉末与基体材料的均匀混合，使活塞表面具有较强的强度、耐热性、耐磨性、硬度以及抗腐蚀性能，大大增加了活塞的使用寿命。

Description

一种用于活塞表面的激光熔覆方法
技术领域
 一种用于活塞表面的激光熔覆方法，属于通过添加合金粉末，使用激光熔覆增加金属表面性能的领域。
背景技术
激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，现在正被越来越多的领域所使用，激光熔覆就是表面处理技术中的一种。概括的说，激光熔覆的原理就是利用高能激光束照射金属材料表面，基材表面被迅速融化，液态的金属形成一个小规模的熔池，同时填注新的粉末材料，在这个熔池中，原本的金属材料与被添加的粉末相互混合，形成一层新的液态金属层。待激光光束经过以后，液态金属层迅速冷却由此在金属表面形成一层固态的熔覆层。激光熔覆可及大的改变该关键部位的金属性能，如硬度、耐磨性、耐热性、抗腐蚀性等。
活塞由于在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作，与高温气体直接接触。所以受热严重，但其散热条件差，所以活塞功过是温度很高，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使得活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于活塞表面的激光熔覆方法，通过使粉末与基体材料的均匀混合，使活塞表面具有较强的强度、耐热性、耐磨性、硬度以及抗腐蚀性能，大大增加了活塞的使用寿命。
为了解决上述问题，本发明提供的技术方案是：一种用于活塞表面的激光熔覆方法，包括：
a．  对活塞表面进行预处理；
b．  预制合金粉末；
c．  通过对活塞运动方向的研究，发现活塞外壁与缸套内壁不断摩擦，产生巨大的摩擦力，其摩擦力方向与运动方向相同，采用同轴送粉的方式使用激光器按照其受力方向对活塞外壁进行激光熔覆，激光行走方式采用往复直线运行方式并在熔覆过程中对激光熔覆区域进行惰性气体保护；
d．  后续处理，对熔覆后的活塞表面进行后期机加工。
上述的步骤b方法中所用到的粉末为钴基合金粉末，其成分按重量百分比为10-11%碳化硅，0.1-0.3%碳，3-4%氟化钙，4-6%氮化硅，4-5%硼，3-5%硅，1-1.3%钒，3-6%铁，16-20%钼，15-17%铬，余量为钴基，以上材料均为100-200目的金属合金粉末。
上述的激光器为光纤激光器，激光波长为1.06μm，输出功率3000W，运行速度为5-12mm/s，扫描宽度为3-5mm，送粉速度为40-50g/min，激光与活塞表面的交角为82°-86°。
上述的激光器为二氧化碳激光器，激光波长为10.6μm，输出功率4000W，运行速度为5-12mm/s，扫描宽度为3-5mm，送粉速度为40-50g/min，激光与活塞表面的交角为82°-86°。
上述的熔覆层厚度为0.5-5mm。
上述的步骤c中的惰性气体为氮气、氩气或者氦气。
上述的步骤d中后续处理包括对工件尺寸或者表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
上述的步骤a中的预处理包括除去活塞表面锈迹、油污及杂质等。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1）通过本发明激光熔覆后的熔覆层，具有良好的内部组织结构，无缩孔、气泡、裂纹等缺陷。
2）使活塞表面具有较强的强度、耐热性、耐磨性、硬度以及抗腐蚀性能，使用寿命大大增加，是之前的2-3倍。
3）通过本发明，大大降低了生产成本，提高工作效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为活塞运动方向图；
图2为激光熔覆激光光速行走方式图；
图中标号为A活塞运动方向。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
一种用于活塞表面的激光熔覆方法，包括：
a.     对活塞表面进行预处理，包括除去活塞表面的锈迹、油污及杂质。其中，除去锈迹的方式可以采用化学方式进行消除；
b．预制金属合金粉末，粉末为钴基合金粉末，其成分按重量百分比为：10%碳化硅，0.1%碳，3%氟化钙，4%氮化硅，4%硼，3%硅，1%钒，3%铁，16%钼，15%铬，余量为钴基，以上材料均为100-200目的金属合金粉末；
c．通过对活塞运动方向的研究，发现活塞外壁与缸套内壁不断摩擦，其受力方向与运动方向相同（如图1），采用同轴送粉方式使用光纤激光器按照其受力方向对活塞外壁进行激光熔覆，激光行走方式采用往复直线运行方式（如图2），激光波长为1.06μm，输出功率为3000W，运行速度为5mm/s，扫描宽度为3mm，送粉速度为40g/min，激光与活塞表面的交角为82°。并在熔覆过程中对激光熔覆区域进行氮气保护，熔覆层的厚度为0.5mm；
d．后续处理，对熔覆后的活塞进行后期机加工，包括对工件尺寸外形或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
通过金相分析，发现熔覆之后的活塞表面，其硬度值明显提高，耐热性能好，内部组织结构致密，无气孔、气泡、裂纹等缺陷。
通过与熔覆之前的活塞进行比对：
活塞熔覆前，硬度（HRC）为30，耐热性一般；
活塞熔覆后，硬度（HRC）为44，耐热性好。
实施例2
一种用于活塞表面的激光熔覆方法，包括：
a、              对活塞表面进行预处理，包括除去活塞表面的锈迹、油污及杂质。其中，除去锈迹的方式可以采用化学方式进行消除；
b．预制金属合金粉末，粉末为钴基合金粉末，其成分按重量百分比为：11%碳化硅， 0.3%碳，4%氟化钙，6%氮化硅，5%硼，5%硅，1.3%钒，6%铁，20%钼，17%铬，余量为钴基，以上材料均为100-200目的金属合金粉末；
c．通过对活塞运动方向的研究，发现活塞外壁与缸套内壁不断摩擦，其受力方向与运动方向相同（如图1），采用同轴送粉方式使用二氧化碳激光器按照其受力方向对活塞外壁进行激光熔覆，激光行走方式采用往复直线运行方式（如图2），激光波长为10.6μm，输出功率为4000W，运行速度为12mm/s，扫描宽度为5mm，送粉速度为50g/min，激光与活塞表面的交角为86°。并在熔覆过程中对激光熔覆区域进行氮气保护，熔覆层的厚度为5mm；
d．后续处理，对熔覆后的活塞进行后期机加工，包括对工件尺寸外形或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
通过金相分析，发现熔覆之后的活塞表面，其硬度值明显提高，耐热性能好，内部组织结构致密，无气孔、气泡、裂纹等缺陷。
任何技术人员在本发明披露的技术范围之内，根据本发明的技术方案和发明构思加以等同替换或改变的技术方案都应该落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于活塞表面的激光熔覆方法，包括：
a、对活塞表面进行预处理；
b、预制合金粉末；
c、通过对活塞运动方向的研究，发现活塞外壁与缸套内壁不断摩擦，产生巨大的摩擦力，其摩擦力方向与运动方向相同，采用同轴送粉的方式使用激光器按照其受力方向对活塞外壁进行激光熔覆，激光行走方式采用往复直线运行方式并在熔覆过程中对激光熔覆区域进行惰性气体保护；
d、后续处理，对熔覆后的活塞表面进行后期机加工。
2.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法,其特征在于:所述的步骤b方法中所用到的粉末为钴基合金粉末，其成分按重量百分比为10-11%碳化硅，0.1-0.3%碳，3-4%氟化钙，4-6%氮化硅，4-5%硼，3-5%硅，1-1.3%钒，3-6%铁，16-20%钼，15-17%铬，余量为钴基，以上材料均为100-200目的金属合金粉末。
3.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的激光器为光纤激光器，激光波长为1.06μm，输出功率3000W，运行速度为5-12mm/s，扫描宽度为3-5mm，送粉速度为40-50g/min，激光与活塞表面的交角为82°-86°。
4.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的激光器为二氧化碳激光器，激光波长为10.6μm，输出功率4000W，运行速度为5-12mm/s，扫描宽度为3-5mm，送粉速度为40-50g/min，激光与活塞表面的交角为82°-86°。
5.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的熔覆层厚度为0.5-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的步骤c中的惰性气体为氮气、氩气或者氦气。
7.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的步骤d中后续处理包括对工件尺寸或者表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
8.根据权利要求1所述的一种用于活塞表面的激光熔覆方法，其特征在于：所述的步骤a中的预处理包括除去活塞表面锈迹、油污及杂质等。
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