CN104789921A - 一种金属表面喷涂复合涂层的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面喷涂复合涂层的工艺，其步骤包括：金属表面净化处理；对金属表面进行激光烧灼处理；对金属表面进行爆炸喷涂处理，制备复合涂层；采用半导体激光器对金属表面由爆炸喷涂工艺制备的复合涂层进行激光重熔处理。本发明的金属表面喷涂复合涂层的组合工艺，通过将爆炸喷涂工艺与两种激光热处理工艺复合起来，即能有效地提高涂层与基体的结合力，又可进一步提高涂层的耐腐蚀耐磨损等性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料热处理工艺，尤其涉及一种金属材料表面强化处理工艺。
背景技术
爆炸喷涂技术诞生于上世纪50年代，由美国普莱克斯表面技术公司(原美国联合碳化物公司林德分公司)的科研人员发明了该技术，简称为D-GUN。爆炸喷涂技术属于热喷涂技术中的一种。在爆炸喷涂技术发明之前，由于传统热喷涂工艺制备的涂层结合强度低、孔隙率过高，导致航空发动机制造企业并没有采用热喷涂工艺制备相关的涂层。正是由于爆炸喷涂技术的出现，极大的促进了包括等离子喷涂等其他热喷涂工艺在航空航天及核工业等领域的应用。爆炸喷涂工艺流程包括工件表面预处理、工件预热、喷涂以及涂层后处理。工件表面预处理包括净化处理以及粗化处理。工件表面粗化处理最常采用的方法是喷砂。喷砂处理的目的主要包括：1.使工件表面得到净化，从而提高涂层结合强度；2.使工件表面粗化，增大涂层与基体间的接触面积，有助于提高基体与涂层颗粒间的机械铆合力，从而提高涂层结合强度；3.在工件表面产生压应力，可以改善涂层残余应力的分布，有助于提高涂层基体间结合强度。然而喷砂处理过程中，砂粒可能会嵌入工件基体表面，对涂层与基体间的结合强度造成不利影响。此外，喷砂粗化处理可能造成表面尖锐性缺口导致基材的疲劳性能显著下降。
激光烧蚀技术通常采用短脉冲的Nd:YAG激光器产生的脉冲激光辐照在基体表面上，使基体表面的浅层迅速气化，通过控制激光烧蚀处理的工艺参数可以获得大量有利于提高涂层与基体机械铆合力的锥形尖峰形貌。同时可有效避免由于喷砂粗化处理所造成基体表面尖锐性缺口并最终导致基材疲劳性能显著下降的现象。此外，短脉冲激光辐照过程中产生的等离子体对基体施加了类似机械喷丸的效果，在基体表面产生对提高涂层结合强度有利的残余压应力。另外，相关研究表明激光烧蚀对基材表面存在有益的物理改性之外还存在有益的化学改性作用，物理和化学改性作用共同使得涂层结合力进一步提升。
激光重熔技术是一种采用近于聚焦的激光束辐照在材料表面使之熔化，然后依靠热传导快速冷却凝固，在材料表面形成与基体相互熔合的、具有相同或不同成分，但性能完全不同的改性层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种金属表面喷涂复合涂层的组合工艺，通过将爆炸喷涂工艺与两种激光热处理工艺复合起来，即能有效地提高涂层与基体的结合力，又可进一步提高涂层的耐腐蚀耐磨损等性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种金属表面喷涂复合涂层的工艺，其步骤包括：
a、金属表面净化处理；
b、对金属表面进行激光烧灼处理；
c、对金属表面进行爆炸喷涂处理，制备复合涂层；
d、采用半导体激光器对金属表面由爆炸喷涂工艺制备的复合涂层进行激光重熔处理。
进一步的，所述的激光烧灼处理采用短脉冲Nd:YAG，激光波长为1064nm，功率80W，频率为10Hz，激光脉冲数量为10-250个；
所述的激光重熔处理的工艺参数为：激光光斑：3mm直径的圆形光斑，激光功率：800W-2500W，激光扫描速度：400-1000mm/min，多道次激光扫描搭接率：10％-30％。
所述的爆炸喷涂处理的材料选用平均粒径为30-100微米的金属强化复合材料混合粉，氧气流量：42L/min，乙炔气流量：38L/min,氮气流量：30L/min，氧气乙炔气比例为1.1,爆炸频率：5次/s,喷涂距离：150mm，涂层厚度为0.05～0.3mm；所述的金属强化复合材料混合粉为平均粒径为30-60微米WC-12％Co机械混合粉或平均粒径为30-60微米的Cr3C2和NiCr机械混合粉或平均粒径约为40-80微米的Al2O3粉和80-100微米的Ni60粉的机械混合粉。
本发明中将爆炸喷涂工艺与两种激光热处理工艺(激光烧蚀、激光重熔)复合起来，采用激光烧蚀替代传统喷砂预处理工艺，可以有效减少涂层基体间夹杂物，获得大量有利于提高涂层与基体机械铆合力的锥形尖峰形貌，有效避免由于喷砂粗化处理所造成基体表面尖锐性缺口并最终导致基材疲劳性能显著下降的现象，可以对基体表面产生有助提高涂层结合力的化学改性作用。
爆炸喷涂制备所得涂层存在一定的孔隙，且涂层与基体间的界面结合以机械结合为主。通过对爆炸喷涂涂层进行激光重熔，可以有效降低涂层的孔隙率，改善涂层微观组织，提高涂层的显微硬度，有效提高涂层致密度，减少涂层中的微裂纹；促使涂层与基体的界面结合由机械结合转为冶金结合，从而进一步提高涂层的耐磨耐腐蚀等性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明金属表面喷涂复合涂层工艺的流程示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明的金属表面喷涂复合涂层的工艺，步骤包括：
a、金属表面净化处理；
b、对金属表面进行激光烧灼处理；
c、对金属表面进行爆炸喷涂处理，制备复合涂层；
d、采用半导体激光器对金属表面由爆炸喷涂工艺制备的复合涂层进行激光重熔处理。
通过具体实施例的参数详细介绍如下：
实施例1：
(1)将待喷涂45#钢试样表面用丙酮清晰净化处理后，采用短脉冲Nd:YAG对45#钢表面进行激光烧蚀处理。其中激光波长为1064nm，功率80W，频率为10HZ，激光脉冲数量为10-250个。
(2)将45#钢试样预热后，在试样表面进行爆炸喷涂制备WC-12％Co涂层。爆炸喷涂工艺参数为：喷涂材料选用平均粒径为30-60微米WC-12％Co机械混合粉，氧气流量：42L/min，乙炔气流量：38L/min,氮气流量：30L/min，氧气乙炔气比例为1.1,爆炸频率：5次/s,喷涂距离：150mm，涂层厚度为0.05～0.3mm。
(3)采用半导体激光器对45#钢试样表面由爆炸喷涂工艺制备的WC-12％Co涂层进行激光重熔处理。激光重熔工艺参数为：激光光斑：3mm直径的圆形光斑，激光功率：800W-2500W，激光扫描速度：400-1000mm/min，多道次激光扫描搭接率：10％-30％。
通过检测对比，所得涂层主要性能如下：相比传统爆炸喷涂工艺制备涂层的结合强度提高约2倍，涂层硬度增加了约10％，孔隙率降低约50％，涂层的耐腐蚀耐磨损性能显著提高。
实施例2：
(1)将待喷涂316不锈钢试样表面用丙酮清晰净化处理后，采用短脉冲Nd:YAG对316不锈钢表面进行激光烧蚀处理。其中激光波长为1064nm，功率80W，频率为10Hz，激光脉冲数量为10-250个。
(2)将316不锈钢试样预热后，在试样表面进行爆炸喷涂制备Cr3C2-NiCr涂层。爆炸喷涂工艺参数为：喷涂材料选用平均粒径为30-60微米的Cr3C2和NiCr机械混合粉，Cr3C2粉占75％，NiCr粉占25％，氧气流量：42L/min，乙炔气流量：38L/min,氮气流量：30L/min，氧气乙炔气比例为1.1,爆炸频率：5次/s,喷涂距离：150mm，涂层厚度为0.05～0.3mm。
(3)采用半导体激光器对45#钢试样表面由爆炸喷涂工艺制备的Cr3C2-NiCr涂层进行激光重熔处理。激光重熔工艺参数为：激光光斑：3mm直径的圆形光斑，激光功率：800W-2500W，激光扫描速度：400-1000mm/min，多道次激光扫描搭接率：10％-30％。
通过检测对比，所得涂层主要性能：相比传统爆炸喷涂工艺制备涂层的结合强度提高约2倍，涂层硬度提高了约10％，孔隙率降低约50％，涂层的耐腐蚀耐磨损性能显著提高。
实施例3：
(1)将待喷涂45#钢试样表面用丙酮清晰净化处理后，采用短脉冲Nd:YAG对45#钢表面进行激光烧蚀处理。其中激光波长为1064nm，功率80W，频率为10HZ，激光脉冲数量为10-250个。
(2)将45#钢试样预热后，在试样表面进行爆炸喷涂制备Al2O3-Ni60涂层。爆炸喷涂工艺参数为：喷涂材料选用平均粒径约为40-80微米的Al2O3粉和80-100微米的Ni60粉机械混合粉，其中Al2O3粉占75％，Ni60粉占25％，氧气流量：42L/min，乙炔气流量：38L/min,氮气流量：30L/min，氧气乙炔气比例为1.1,爆炸频率：5次/s,喷涂距离：150mm，涂层厚度为0.05～0.3mm。
(3)采用半导体激光器对45#钢试样表面由爆炸喷涂工艺制备的Al2O3-Ni60涂层进行激光重熔处理。激光重熔工艺参数为：激光光斑：3mm直径的圆形光斑，激光功率：800W-2500W，激光扫描速度：400-1000mm/min，多道次激光扫描搭接率：10％-30％。
通过检测对比，所得涂层主要性能：相比传统爆炸喷涂工艺制备涂层的结合强度提高约2倍，涂层硬度提高了约10％，孔隙率降低约50％，涂层的耐腐蚀耐磨损性能显著提高。
当然所述的激光烧灼处理也可以采用其它形式及参数的激光处理，只要通过该激光烧灼处理后能获得大量有利于提高涂层与基体机械铆合力的锥形尖峰形貌，可以对基体表面产生有助提高涂层结合力的化学改性作用即可；所述的激光重熔处理的参数也可以根据不同的处理对象作适当的调整，只要通过该激光重熔处理可以有效降低涂层因爆炸喷涂而产生孔隙的孔隙率，改善涂层微观组织，提高涂层的显微硬度即可。而爆炸喷涂工艺本身金属强化复合材料混合粉的选择和各参数选择也可以按照常规的需求调整，只要是通过将爆炸喷涂工艺与激光烧灼处理、激光重熔处理工艺复合起来，能有效地提高涂层与基体的结合力、改善涂层微观组织进一步提高涂层的耐腐蚀耐磨损等性能，从而显著改善金属表面喷涂复合涂层的综合性能即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种金属表面喷涂复合涂层的工艺，其特征在于步骤包括：
a、金属表面净化处理；
b、对金属表面进行激光烧灼处理；
c、对金属表面进行爆炸喷涂处理，制备复合涂层；
d、采用半导体激光器对金属表面由爆炸喷涂工艺制备的复合涂层进行激光重熔处理。
2.根据权利要求1所述的金属表面喷涂复合涂层的工艺，其特征在于：
所述的激光烧灼处理采用短脉冲Nd:YAG，激光波长为1064nm，功率80W，频率为10Hz，激光脉冲数量为10-250个；
所述的激光重熔处理的工艺参数为：激光光斑：3mm直径的圆形光斑，激光功率：800W-2500W，激光扫描速度：400-1000mm/min，多道次激光扫描搭接率：10％-30％。
3.根据权利要求1或2所述的金属表面喷涂复合涂层的工艺，其特征在于：
所述的爆炸喷涂处理的材料选用平均粒径为30-100微米的金属强化复合材料混合粉，氧气流量：42L/min，乙炔气流量：38L/min,氮气流量：30L/min，氧气乙炔气比例为1.1,爆炸频率：5次/s,喷涂距离：150mm，涂层厚度为0.05～0.3mm；所述的金属强化复合材料混合粉为平均粒径为30-60微米WC-12％Co机械混合粉或平均粒径为30-60微米的Cr3C2和NiCr机械混合粉或平均粒径约为40-80微米的Al2O3粉和80-100微米的Ni60粉的机械混合粉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150722 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |