CN106283034A

CN106283034A - 活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法

Info

Publication number: CN106283034A
Application number: CN201510303409.5A
Authority: CN
Inventors: 虞钢; 朱天辉; 郑彩云; 何秀丽; 李少霞; 宁伟健
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: CN106283034B

Abstract

本发明公开一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，包括：对活塞毛坯件顶面进行机械加工预处理；根据活塞顶面结构设定激光的行走轨迹；采用Co-Cr-W合金粉末作为熔覆材料，在激光行走的同时向活塞顶面同步添加Co-Cr-W合金粉末；对活塞顶面进行激光熔覆，在活塞顶面形成的抗热疲劳合金涂层即熔覆层。本发明提供的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，通过选择合适的熔覆材料，将激光熔覆技术嵌入活塞制造工艺流程之中，在活塞顶面制备与基体冶金结合、厚度可控、无裂纹缺陷的抗热疲劳合金涂层，显著提高活塞使用寿命。

Description

活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术，尤其是一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法方法。

背景技术

目前，随着各国对柴油机排放要求的提高，柴油机正向着不断提高功率密度、高紧奏性的方向发展，燃烧室部件承受更高的热负荷和机械负荷。活塞顶面在工作过程中直接与高温高压燃气接触，工作环境极为恶劣，易发生热损伤，亟需提高其抗热疲劳性能。

激光熔覆具有功率密度高、快速熔凝的特点，可以在低成本基体材料表面制备组织致密、稀释率可控、冶金结合的高性能表面涂层，最大限度发挥材料性能，并有效的降低成本，成为提高活塞顶面抗热疲劳性能的有效技术途径。

活塞用38MnVS6属亚共析钢，具有很宽的奥氏体化温度区间，在激光熔覆快速冷却过程中易产生裂纹，对获得无裂纹缺陷、冶金结合的熔覆层带来一定影响，另外对于活塞顶面大面积熔覆，随着熔覆的进行热量不断积累，熔覆层冷凝过程不断变化，难以获得均匀、稳定的熔覆层。

发明内容

本发明提供一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，用于克服现有技术中的缺陷，能够在活塞顶面获得均匀、稳定、厚度可控的坑热疲劳合金涂层，显著提高活塞的使用寿命。

本发明提供一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，包括以下步骤：

步骤1，对活塞毛坯件顶面进行机械加工预处理；

步骤2，根据活塞顶面结构设定激光的行走轨迹；

步骤3，采用Co-Cr-W合金粉末作为熔覆材料，在激光行走的同时向活塞顶面同步添加Co-Cr-W合金粉末；设定熔覆工艺参数，对活塞顶面进行激光熔覆，在活塞顶面形成抗热疲劳合金涂层即熔覆层；以所述激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为控制信号，通过调整激光功率实现熔覆过程中的闭环控制。

优选地，所述步骤3中，所述激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为一恒定温度范围。

优选地，所述恒定温度范围在1500℃～2500℃之间。

优选地，采用红外测温仪实时监测熔池温度，以熔覆开始5s～10s时段平均温度作为后续熔覆的目标温度，通过调节激光功率，实现熔覆过程中稳定的熔池温度。

优选地，所述步骤1中：根据设定的熔覆层的厚度，对活塞毛坯顶面进行切削加工，使得切削后的活塞厚度与活塞成品厚度上尺寸差值为设定的熔覆层厚度，误差≤0.5mm。

优选地，所述步骤2中：所述激光的行走轨迹为针对活塞顶面形状、尺寸、熔覆层厚度要求，设置多道多层同心圆或多道多层圆心在同一轴线上的圆作为激光熔覆运动轨迹。

优选地，所述步骤2中，所述活塞顶面结构为平顶，所述激光的行走轨迹为多道多层同心圆；所述活塞顶面结构为凸顶或凹顶，所述激光的行走轨迹为多道多层圆心在同一轴线上的圆。

优选地，所述的Co-Cr-W合金粉末，其成分按照重量百分比为C：0.3％，Si：1.6％，B：2.3％，W：5.0％，Ni：8.0％，Cr：25.0％，Co：57.8％,所述的Co-Cr-W合金粉末的粒度40μm～150μm。

优选地，所述激光为连续固体激光器发出；所述Co-Cr-W合金粉采用同轴送粉的方式进行粉末输送；所述熔覆工艺参数包括激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、搭接率；

熔覆工艺参数如下：

激光功率：P＝600～1000W；

光斑直径：D＝2.0mm；

扫描速度：V＝3～5mm/s；

送粉速率：F＝1.8～3.9g/min；

搭接率：η＝30％～40％。

优选地，所述熔覆层的厚度为1mm～3mm。

本发明提供的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，通过选择合适的熔覆材料，将激光熔覆技术嵌入活塞制造工艺流程之中，在活塞顶面制备与基体冶金结合、厚度可控、无裂纹缺陷的抗热疲劳合金涂层，显著提高活塞使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法中活塞的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法中平顶活塞顶面熔覆轨迹示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，包括以下步骤：

步骤1，对活塞毛坯件顶面进行机械加工预处理；根据设定的熔覆层的厚度，对活塞毛坯顶面进行切削加工，除去氧化层，露出活塞毛坯基体材料，使得切削后的活塞厚度与活塞成品厚度上尺寸差值为设定的熔覆层厚度，误差≤0.5mm。

步骤2，根据活塞顶面结构设定激光的行走轨迹；

激光的行走轨迹可针对活塞顶面形状、尺寸、熔覆层厚度要求，设置多道多层同心圆或多道多层圆心在同一轴线上的圆作为激光熔覆运动轨迹；

参见图1、图2，活塞顶面1结构为平顶，激光的行走轨迹为多道多层同心圆2；从顶面中心开始，向外围逐渐搭接，最终覆盖整个顶面，如图2所示，重复这一过程，实现多层熔覆。

本实施例中待熔覆活塞为平顶活塞，顶面直径为113mm，如图1所示。设计熔覆层厚度为1.5mm，切削量为1.5mm。

活塞顶面结构为凸顶(图中未示)或凹顶(图中未示)，激光的行走轨迹为多道多层圆心在同一轴线上的圆；也是从顶面中心开始，向外围逐渐搭接，并同时改变激光头高度，保持激光头与熔池中心点距离不变，最终覆盖整个顶面，重复这一过程，实现多层熔覆(本实施例中为5层熔覆，即步骤3的动作重复5次，形成5层熔覆最终形成熔覆层)。熔覆层的厚度可通过熔覆工艺中的具体熔覆层数进行控制。

步骤3，采用Co-Cr-W合金粉末作为熔覆材料，在激光行走的同时向活塞顶面按照激光的行走轨迹同步添加Co-Cr-W合金粉末；设定熔覆工艺参数，对活塞顶面进行激光熔覆，在活塞顶面形成抗热疲劳合金涂层即熔覆层。

本实施例中：活塞材料为38MnVS6，显微组织为层片状的珠光体和白色的铁素体组织，其主要化学成分(wt.％)为C:0.38％，Si：0.65％，Mn：1.4％，V：0.10％，Ti：0.02％，Cr：0.16％，Ni：0.04％，N：0.012％，S：0.04％，Fe：余量。熔覆材料为自熔性Co-Cr-W合金粉末，粉末粒度40μm～150μm，主要化学成分(wt.％)为C：0.35％，Si：1.6％，B：2.3％，W：5％，Ni：8％，Cr：25.0％，Co：余量。

为了保证形成后的熔覆层的抗热疲劳性能，激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为一恒定温度范围，通常在1500℃～2500℃之间。以激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为控制信号，通过调整激光功率实现熔覆过程中的闭环控制。采用红外测温仪实时监测熔池温度，以熔覆开始5s～10s时段平均温度作为后续熔覆的目标温度，温度高于此目标温度则降低激光功率，温度低于此目标温度则提高激光功率。通过调节激光功率，实现熔覆过程中稳定的熔池温度。本实施例中的目标温度为2000℃，当熔池当前温度超过2000℃时，就自动降低激光功率，当熔池当前温度低于2000℃时，就自动提高激光功率，这样形成的熔覆层的稳定性更好。

激光为连续Nd:YAG固体激光器发出；Co-Cr-W合金粉采用同轴送粉的方式进行输送，即粉末通过与激光束同轴的锥形喷嘴后汇聚于激光作用点，在激光行走的同时，同步添加粉末；载粉气体为氩气，控制的工艺参数包括激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、搭接率等；

熔覆工艺参数如下：

初始10s激光功率：P＝800W；

光斑直径：D＝2.0mm；

扫描速度：V＝3mm/s；

送粉速率：F＝1.8g/min；

搭接率：η＝37.5％；

本发明提供的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，通过选择合适的熔覆材料，将激光熔覆技术嵌入活塞制造工艺流程之中，在活塞顶面制备与活塞基体冶金结合、均匀、稳定、厚度可控、无裂纹缺陷的抗热疲劳合金涂层，显著提高了活塞的使用寿命。

Claims

1.一种活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对活塞毛坯件顶面进行机械加工预处理；

步骤2，根据活塞顶面结构设定激光的行走轨迹；

步骤3，采用Co-Cr-W合金粉末作为熔覆材料，在激光行走的同时向活塞顶面同步添加Co-Cr-W合金粉末；设定熔覆工艺参数，对活塞顶面进行激光熔覆，在活塞顶面形成的抗热疲劳合金涂层即熔覆层；以所述激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为控制信号，通过调整激光功率实现熔覆过程中的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤3中，所述激光在活塞顶面照射形成的熔池温度为一恒定温度范围。

3.根据权利要求2所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述恒定温度范围在1500℃～2500℃之间。

4.根据权利要求3所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，采用红外测温仪实时监测熔池温度，以熔覆开始5s～10s时段平均温度作为后续熔覆的目标温度，通过调节激光功率，实现熔覆过程中稳定的熔池温度。

5.根据权利要求1所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤1中：根据设定的熔覆层的厚度，对活塞毛坯顶面进行切削加工，使得切削后的活塞厚度与活塞成品厚度上尺寸差值为设定的熔覆层厚度，误差≤0.5mm。

6.根据权利要求1所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤2中：所述激光的行走轨迹为针对活塞顶面形状、尺寸、熔覆层厚度要求，设置多道多层同心圆或多道多层圆心在同一轴线上的圆作为激光熔覆运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤2中，所述活塞顶面结构为平顶，所述激光的行走轨迹为多道多层同心圆；所述活塞顶面结构为凸顶或凹顶，所述激光的行走轨迹为多道多层圆心在同一轴线上的圆。

8.根据权利要求6所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述的Co-Cr-W合金粉末，其成分按照重量百分比为C：0.3％，Si：1.6％，B：2.3％，W：5.0％，Ni：8.0％，Cr：25.0％，Co：57.8％,所述的Co-Cr-W合金粉末的粒度40μm～150μm。

9.根据权利要求1所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述激光为连续固体激光器发出；所述Co-Cr-W合金粉采用同轴送粉的方式进行粉末输送；所述熔覆工艺参数包括激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、搭接率；

熔覆工艺参数如下：

激光功率：P＝600～1000W；

光斑直径：D＝2.0mm；

扫描速度：V＝3～5mm/s；

送粉速率：F＝1.8～3.9g/min；

搭接率：η＝30％～40％。

10.根据权利要求1-9任一所述的活塞顶面抗热疲劳合金涂层激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆层的厚度为1mm～3mm。