CN105779925B - 超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法 - Google Patents

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Abstract

一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，包括：对待熔覆材料表面进行前处理：清洁、喷砂、烘干；用超音速火焰喷涂设备将多元复合金粉末对材料表面进行喷涂，所述超音速火焰喷涂设备的喷枪枪口与工件之间距离为17‑23cm，喷枪移动速度27‑35m/min，甲烷流量为35‑45l/min，氧气流量为35‑45l/min，氮气流量为24‑34l/min，合金粉末流量为35‑45g/min；激光照射。本发明既可以有利于细化和均匀激光熔覆层组织，又可以达到消除激光熔覆层的裂纹、气孔等缺陷，提高激光熔覆层质量。

Description

超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法
【技术领域】
本发明涉及一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法。
【背景技术】
激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。然而在多元复合合金如自熔性合金粉末、碳化物复合粉末、自粘结复合粉末及氧化物陶瓷粉末等的激光熔覆过程中，熔池中各组分元素密度不一致及其它物性差别使激光熔覆层出现硬质分布不均及粗大造成熔覆层中裂纹缺陷和气孔。
目前按涂层材料的添加方式，激光熔覆的工艺方法主要有预置粉末法和同步送粉法两种。预置粉末法是将要涂覆的材料通过电镀、化学镀、等离子喷涂和手工粘结等方法预置于金属表面，然后经激光照射熔覆；同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性形成。
激光熔覆金属基陶瓷层的裂纹缺陷从上世纪80年代一直到现在研究工作从没有停止过。尽管也在不同程度上取得了进展，但始终未能得到有效的解决。因而限制了激光熔覆金属陶瓷层的实际应用。激光熔覆在航空、航天、化工、机械、钢铁等行业具有广泛的应用前景。但直至目前为止，激光熔覆层特别是激光熔覆金属基陶瓷层仍存在一些问题，其中一个主要问题是熔覆层内的裂纹问题。总之裂纹问题是激光熔覆中最棘手的问题，也是目前制约激光熔覆走向实用化的最大障碍。目前文献上有着各式各样的激光熔覆的工艺方法，但是激光熔覆处理功能单一，激光熔覆是一个动态熔化过程，熔池尺寸小，不仅存在着传热现象，而且也存在着对流、质量传递等，它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成分的均匀性及其他物理冶金性能。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，既可以有利于细化和均匀激光熔覆层组织，又可以达到消除激光熔覆层的裂纹、气孔等缺陷，提高激光熔覆层质量。
本发明是这样实现的：
一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，包括如下步骤：
步骤一：对待熔覆材料表面进行前处理：清洁、喷砂、烘干；
步骤二：用超音速火焰喷涂设备将多元复合金粉末对材料表面进行喷涂，所述超音速火焰喷涂设备的喷枪枪口与工件之间距离为17-23cm，喷枪移动速度27-35m/min，甲烷流量为35-45l/min，氧气流量为35-45l/min，氮气流量为24-34l/min，合金粉末流量为35-45g/min；
步骤三：激光照射。
所述多元复合金粉末为金属合金、陶瓷合金粉末、碳化钨、或氧化锆中的其中一种或多种。
所述步骤一中的清洁，具体包括：将工件置于丙酮中在超音波震荡器中清洁30min，酒精清洗、然后60℃烘烤。
所述步骤一中的喷砂，具体包括：选用番号#36的氧化铝砂作喷砂处理。
所述步骤一中的烘干，具体包括：采用火焰烘烤方法预热，持续时间为60秒。
本发明的优点在于：本发明应用超音速火焰喷涂技术预置粉末法预置于金属表面，然后经激光照射熔覆。工艺简单、操作灵活，易控制基体熔深，粉末分布均匀，计量精确的送粉装置，能明显细化熔覆层组织；并对熔覆层中的裂纹和气孔有一定的抑制作用，改善熔覆质量，更能体现激光熔覆工艺的发展趋势。本发明预置粉末法是加速冶金反应，促进金属熔体成份和温度均匀化的重要手段，同时对排除金属熔体中的气体、夹杂物以及细化晶粒和提高合金冶金质量并有松弛和缓解激光熔覆层的热应力的重要作用。本发明能实现在技术要求高的材料零件表面，难于激光熔覆的复合涂层精密工程领域，例如：大型薄壁件、蜂窝状复杂结构部件、钛合金等难加工、易热成形零件钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件。经过本发明的方法处理后的材料表面具有抗磨损、抗腐蚀、耐高温及耐腐蚀的特性。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明中用超音速火焰喷涂设备将多元复合金粉末对材料表面进行喷涂结构示意图。
图2是本发明中激光熔覆工艺结构示意图。
图3是本发明中激光熔覆工艺步骤示意图。
图4是本发明的预置粉末于激光熔覆前后对比照片示意图。
图5是经本发明处理后的材料剖面金相照片。
【具体实施方式】
一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，包括如下步骤：
步骤一：对待熔覆材料表面进行前处理：清洁、喷砂、烘干；
喷涂前必须将金属基底材表面做前处理。前处理的主要目的是提供底材表面和被覆层之间良好的接触表面，使熔射被覆层可以在底材上附着良好以提高被覆层与底材间的黏着力。首先进行清洁处理，主要目的是为了除去底材的不洁物，例如：水气、灰尘、杂质、油脂、锈膜或油漆等，避免被覆层因为污染物之影响，使得被覆层和底材间黏着力降低，采用的方式为：将试件置于丙酮中在超音波震荡器中清洁30min，酒精清洗、60℃烘烤等步骤。其次进行表面粗化处理，目的是增加底材表面的接触面积，以及提供底材表面的不规则形状，使熔融粉末冲击到母材表面时，因母材凹凸不平的表面而有较佳的机械咬合，利用SiC喷砂法来制作粗糙面。进行熔射之前都须先经过喷砂处理，以提高母材表面之粗糙度。此次试验选用番号#36之氧化铝砂作喷砂处理，所得到之表面粗糙度为5μm。最后进行预热处理，预热处理是将底材表面的水气烘干，且提供良好的表面润湿效果，以提高被覆层和底材间的键结，采用火焰烘烤方法预热，持续时间为60秒。完成上述准备动作后，即可开始进行被覆层之喷涂。
步骤二：用超音速火焰喷涂设备将多元复合金粉末对材料表面进行喷涂；
如图1所示，超音速火焰喷涂设备1将多元复合金粉末2喷涂至基材3表面。
其中超音速火焰喷涂设备1采用Sluzer Metco CDS-100；
经过前处理的基材3表面温度为200℃，基材3表面粗度为10Ra，所述超音速火焰喷涂设备1的喷枪枪口与工件之间距离为20cm，喷枪移动速度31m/min，甲烷流量为40l/min，氧气流量为45l/min，氮气流量为34l/min，合金粉末流量为35g/min。
以上参数并非限定特定数值，实践中可按表1中的数值进行选取。
表1：
步骤三：激光照射。
图2显示为激光束4照射基材3上面的超音速预置粉末，即多元复合金粉末2的结构示意图，图3为激光覆盖区域5逐渐覆盖材料表面工艺步骤示意图。
激光照射各参数及条件如表2所示。
表2：
编号 参数 条件
A 氩气吹气角度 600
B 尖峰功率(W) 900
C 脉冲频率(Hz) 50
D 脉冲宽度(MS) 2.0
E 聚焦位置(mm) 0
F 焊接速度(mm/min) 4
G 气体压力(Mpa) 2.0
H 脉冲重复率 10
本发明中多元复合金粉末为金属合金、陶瓷合金粉末、碳化钨、或氧化锆中的可一种或多种。多种复合金粉末可制作复合式功能涂层结构，因应多种耐磨耗、耐腐蚀、耐高温等环境领域。
图4是本发明的预置粉末于激光熔覆前后对比照片示意图。图5是经本发明处理后的材料剖面金相照片。
本发明适用于金属、合金、陶瓷、瓷金等种类的材料表面。金属基材质如铁锰铝碳合金钢材、中碳钢底材。瓷金如传统WC/Co、WC/CoCr、WC/Ni粉末熔射涂层(WC/Co cermetcoatings)其具备了抗磨损、抗腐蚀、耐高温及腐蚀…等长处，广泛地应用于抗磨耗的环境中。其中尤以WC/Co最多，可制成奈米粉末。当碳化钨涂层任一维(Dimension)尺寸降至100奈米以下，其特性相对传统碳化钨涂层具有显著之差异，诸如硬度、韧性等机械性质均有相当的提升热熔射喷涂技术之一大优势为，经由调配不同比例之各式粉末，有绝大之机会，可以获得期待之成分比例合金，这是传统冶金方法所无法达到的。其中之一个应用为添加硬陶瓷(如WC、碳化钛(TiC)等)于金属中，以增加金属基底之硬度与抗磨耗性；可藉由调整硬相与基底相之比例，进行优化后，解决各式不同工程应用之问题。本发明适用于航天航空(航空引擎、涡轮叶片)、3D打印材料等领域。3D打印技术在航空领域的应用主要集中在三类：外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造等。多样的3D打印涂层材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成形技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。
本发明应用超音速火焰喷涂技术预置粉末法预置于金属表面，然后经激光照射熔覆。工艺简单、操作灵活，易控制基体熔深，粉末分布均匀，计量精确的送粉装置，能明显细化熔覆层组织；并对熔覆层中的裂纹和气孔有一定的抑制作用，改善熔覆质量，更能体现激光熔覆工艺的发展趋势。本发明预置粉末法是加速冶金反应，促进金属熔体成份和温度均匀化的重要手段，同时对排除金属熔体中的气体、夹杂物以及细化晶粒和提高合金冶金质量并有松弛和缓解激光熔覆层的热应力的重要作用。本发明能实现在技术要求高的材料零件表面，难于激光熔覆的复合涂层精密工程领域，例如：大型薄壁件、蜂窝状复杂结构部件、钛合金等难加工、易热成形零件钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件。经过本发明的方法处理后的材料表面具有抗磨损、抗腐蚀、耐高温及耐腐蚀的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对待熔覆材料表面进行前处理：清洁、喷砂、烘干；
步骤二：用超音速火焰喷涂设备将多元复合合金粉末对材料表面进行喷涂；
所述超音速火焰喷涂设备的工艺参数为：
喷枪枪口与工件之间距离为20cm，喷枪移动速度27m/min，甲烷流量为45 l/min，氧气流量为45 l/min，氮气流量为29 l/min，多元复合合金粉末流量为35g/min；经过前处理的基材表面温度为25°C，基材表面粗度为8Ra；
所述多元复合合金粉末为陶瓷合金粉末、碳化钨复合合金粉末、或氧化锆复合合金粉末；
步骤三：激光照射；
所述激光照射的工艺参数为：
尖峰功率为900W，脉冲频率为50Hz，脉冲宽度为2.0ms，聚焦位置为0mm，焊接速度为4mm/min，气体压力为2.0MPa，脉冲重复率为10。
2.如权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，其特征在在于：所述步骤一中的清洁，具体包括：将工件置于丙酮中在超音波震荡器中清洁 30 min，酒精清洗、然后60°C 烘烤。
3.如权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，其特征在在于：所述步骤一中的喷砂，具体包括：选用番号 #36 的氧化铝砂作喷砂处理。
4.如权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光熔覆的方法，其特征在在于：所述步骤一中的烘干，具体包括：采用火焰烘烤方法预热，持续时间为 60 秒。
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