CN107058999A - 一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法 - Google Patents

一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光熔覆高性能涂层技术领域，特别涉及一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法。该以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法包括如下步骤：A、对待基材表面进行预处理，清洗掉工件表面的锈蚀、油垢及灰尘，并干燥；B、粉末处理：将待制成预置片的粉末置于真空干燥箱中，在80℃下烘干24h，平铺在铺有平整T300斜纹碳纤维布的夹具凹槽平板内，均匀喷洒粘结剂溶液形成均匀水层；C、将步骤B中预处理的预置片连同凹槽平板平稳放置在真空干燥箱中，在75‑90℃下真空加热硬化4h；D、激光熔覆：将步骤C中制备的预置片放置于基材设定位置，在保护气氛下进行多层熔覆，使其与基材结合形成一定厚度的熔覆层。

Description

一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法
技术领域
本发明属于激光熔覆高性能涂层技术领域，特别涉及一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法。
背景技术
激光熔覆是一种新型的覆层技术，涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多门学科，是激光先进制造技术最重要的核心技术之一。由于该技术制备的熔覆层可以显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗高温氧化和抗疲劳等综合性能，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多等优点。很多国家的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，并已取得了重大的进展。
目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性和耐腐蚀性，即在材料表面熔覆一层具有特殊性能的合金层，以改变母材表面性能。但以往对激光熔覆的研究，大多注重单道熔覆层的性能和工艺，很少有多层激光熔覆研究的报道.随着激光熔覆技术在工业化生产中的应用，单道熔覆层已经不能满足工业化生产的要求，迫切需要多层大厚度熔覆层。
激光多层熔覆是指在原熔覆层上预涂覆合金粉末，或直接送粉，再重复一次或多次熔覆的工艺过程。由于激光单道熔覆层对于确定的激光工艺参数，只能达到一定的极限厚度，所以，通过需多次熔覆来增加熔覆层的厚度、快速零件制造或制备梯度功能新材料，到目前为止，多层激光熔覆的技术开发与应用还未制备实质进展。
发明内容
针对现有激光熔覆方法在熔覆过程中不能连续制备多层的熔覆层，试验效率低，不能控制预置粉末厚度以及不能解决上一层熔覆缺陷“遗传”到下一层等缺陷，本发明提供了一种可以推广的制备多层熔覆层的方法。所述的预置片法进行激光多层熔覆的方法可控制预置层厚度、对粉末种类和粉末粒度适应性强、试验生产中可形成多层的熔覆层，效率高，可以解决熔覆缺陷“遗传”到下一层的问题。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，包括如下步骤：
A、对待基材表面进行预处理，清洗掉工件表面的锈蚀、油垢及灰尘，并干燥；
B、粉末处理：将待制成预置片的粉末置于真空干燥箱中，在80℃下烘干24h，平铺在铺有平整T300斜纹碳纤维布的夹具凹槽平板内，均匀喷洒粘结剂溶液形成均匀水层；
C、将步骤B中预处理的预置片连同凹槽平板平稳放置在真空干燥箱中，在75-90℃下真空加热硬化4h，去除凹槽平板，即得到所需的预置片，并放置在真空干燥环境下保存；
D、激光熔覆：将步骤C中制备的预置片放置于基材设定位置，并用胶带固定，在保护气氛下熔融，使其与基材结合，待其熔覆结束后，用氮气喷枪清理熔覆层表面，再将下一块预置片放置在原先设定位置，重复上述步骤，制备所需的功能材料。
进一步的，在步骤D中激光熔覆层的表面不平整时，对基材通过补粉装置进行补粉处理，将基材放置在补粉装置上，补粉装置包括补粉台和蜗杆结构，补粉台外部设有外圈，通过蜗杆结构调整补粉台与外圈的垂直距离使放置在补粉台中熔覆层最高处与外圈平齐，将粉末填充至基材的凹陷处，使粉末与外圈平齐，再用平整的T300斜纹碳纤维布覆盖在基材的表面后，进行激光熔覆。
所述步骤A中的预处理是传统的打磨处理或者特种加工处理。
所述步骤B中待制成预置片的粉末是由两种或两种以上单质元素或者化合物粉末组成的混合粉末，两种及两种以上的粉末，通过行星式球磨机中使其充分混合后。
所述步骤B中两种及两种以上的粉末在行星式球磨机混合时间8h-10h，球料比3:1-5:1。
所述步骤B中的夹具采用45号钢或者玻璃板制成。
所述步骤C中使用的粘结剂是有机粘结剂。
所述步骤D中的胶带为普通透明胶带。
所述步骤D中的保护气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
所述步骤D中，每一层预置片熔覆后都用直尺测量熔覆层的厚度，调节激光头与熔覆层的垂直高度，保持每次熔覆激光头与熔覆层垂直距离不变。
本发明所带来的有益效果是：
(1)本发明中的粉末可以是金属粉末，也可以是陶瓷粉末，也可以是多种混合粉末，粉末粒度要求不高，在很大程度上提高了该技术的可适用性；
(2)本发明得到的预置片厚度、长度和宽度可设计，并且可以切割成一些简单平面形状，对进行多层熔覆技术的研究奠定了工艺基础；
(3)本发明可以设计不同层粉末的配比，对于梯度功能材料的研究具有可操作性；
(4)本发明工艺简单、成本低且效率高。因此，本发明所述的方法不仅适用于梯度功能材料的实验室研究，还在工业应用中具有广泛的应用前景。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明制作预制片的夹具的三视图。
图2是本发明的补粉装置的结构示意图。
图3是图2中A-A的剖视图。
图4是石墨/铜复合材料基体SEM图。
图5是图4中spectrum1处的成分分析图。
图6是石墨/铜复合材料中富铜颗粒SEM图。
图7是图6中spectrum1处的成分分析图。
图中部件名称对应的标号如下：
1、基材；2、预置片；3、凹槽平板；4、补粉台；5、外圈；6、T300斜纹碳纤维布；7、熔覆层；8、粉末；9、激光头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详述：
实施例一：
实施例中制作预置片的夹具示意图如图1所示。
实施例中补粉示意图如图2、图3所示。
一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，包括如下步骤：
A、对待基材1表面进行预处理，清洗掉工件表面的锈蚀、油垢及灰尘，并干燥；首先，利用砂纸打磨基材1表面，以除去基材1表面的氧化或锈斑；然后，用酒精清洗基材1表面，以除去表面的灰尘。经过以上两部预处理后，即可获得清洁、干净的基材1表面。
B、粉末处理：将待制成预置片的粉末置于真空干燥箱中，在80℃下烘干24h，平铺在铺有平整T300斜纹碳纤维布的夹具凹槽平板3内，均匀喷洒粘结剂溶液形成均匀水层；
C、将步骤B中预处理的预置片2连同凹槽平板3平稳放置在真空干燥箱中，在75-90℃下真空加热硬化4h，去除凹槽平板3，即得到所需的预置片2，并放置在真空干燥环境下保存；
D、激光熔覆：将步骤C中制备的预置片2放置于基材1设定位置，并用胶带固定，在保护气氛下熔融，使其与基材1结合，待其熔覆结束后，用氮气喷枪清理熔覆层7表面，再将下一块预置片2放置在原先设定位置，重复上述步骤，制备所需的功能材料。
本实施例中，在步骤D中激光熔覆层7的表面不平整时，对基材1通过补粉装置进行补粉处理，将基材1放置在补粉装置上，补粉装置包括补粉台4和蜗杆结构(图中未示出)，补粉台4外部设有外圈5，通过蜗杆结构调整补粉台4与外圈5的垂直距离使放置在补粉台中熔覆层7最高处与外圈5平齐，将粉末8填充至基材1的凹陷处，使粉末8与外圈5平齐，再用平整的T300斜纹碳纤维布6覆盖在基材1的表面后，进行激光熔覆。
本实施例中，所述步骤A中的预处理是传统的打磨处理或者特种加工处理。
本实施例中，所述步骤B中待制成预置片的粉末是由两种混合粉末，通过行星式球磨机中使其充分混合后。
本实施例中，所述步骤B中两种的粉末在行星式球磨机混合时间8h-10h，球料比3:1-5:1。
本实施例中，所述步骤B中的夹具采用45号钢或者玻璃板制成。
本实施例中，所述步骤C中使用的粘结剂是有机粘结剂。
本实施例中，所述步骤D中的胶带为普通透明胶带。
本实施例中，所述步骤D中的保护气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
本实施例中，所述步骤D中，每一层预置片熔覆后都用直尺测量熔覆层的厚度，调节激光头9与熔覆层7的垂直高度，保持每次熔覆激光头9与熔覆层7垂直距离不变。熔覆层7厚度通过最小刻度为1mm的直尺测量，通过扫描电镜观察复合材料微观结构，通过XRD和EDS定性和定量分析材料的组成情况。
本实施例中，所用熔覆粉末纯度大于99％。
本实施例中，所述步骤B中待制成预置片的粉末为体积分数90％、200目的锡青铜粉和体积分数10％、200目的球形石墨粉共100g，制备1mm厚的预置片；然后，将熔覆基材1表面进行预处理，获得干净且清洁的表面；最后，将预置片2放置在基材1上进行激光熔覆，每次熔覆保持熔覆层7与激光头9垂直距离不变，如遇某层熔覆层7不平整，对其进行补粉使其平整后再进行下一层熔覆。激光头选用半导体激光头，每一层进行8道熔覆，熔覆10层，激光功率1000W，光斑直径2.2mm，搭接率50％，扫描速率500mm/min。所获得涂层表面平整，涂层厚度8.0mm,石墨在复合材料内部能够均匀分散，气孔数低。
Processing option:All elements analyzed(Normalised)
Number of iterations＝3
Standard:
C CaCO3 1-Jun-1999 12:00AM
Fe Fe 1-Jun-1999 12:00AM
Cu Cu 1-Jun-1999 12:00AM
Processing option:All elements analyzed(Normalised)
Number of iterations＝1
Standard:
C CaCO3 1-Jun-1999 12:00AM
实施例二：
一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，包括如下步骤：
将体积分数85％、400目的锡青铜粉和体积分数15％、200目的球形石墨粉共100g均匀混合，制备2mm厚的预置片；然后，将熔覆基材1表面进行预处理，获得干净且清洁的表面；最后，将预置片2放置在基材1上进行激光熔覆，每次熔覆保持熔覆层7与激光头9垂直距离不变，如遇某层熔覆层不平整，对其进行补粉使其平整后再进行下一层熔覆。激光头选用半导体激光头，每一层进行8道熔覆，熔覆12层，激光功率1100W，光斑直径2.2mm，搭接率50％，扫描速率500mm/min。所获得涂层表面平整，涂层厚度18mm,石墨在复合材料内部能够均匀分散，气孔数低。
实施例三：
一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，包括如下步骤：
将5g碳纤维，200目20g碳化硅粉末，200目80g镍粉制备1mm厚的预置片；然后，将熔覆基材1表面进行预处理，获得干净且清洁的表面；最后，将预置片2放置在基材1上进行激光熔覆，每次熔覆保持熔覆层7与激光头9垂直距离不变，如遇某层熔覆层7不平整，对其进行补粉使其平整后再进行下一层熔覆。激光头选用半导体激光头，每一层进行8道熔覆，熔覆10层，激光功率1000W，光斑直径2.2mm，搭接率50％，扫描速率500mm/min。所获得涂层表面平整，涂层厚度8.5mm,碳纤维和碳化硅在复合材料内部能够均匀分散，气孔数低。

Claims (10)

1.一种以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
A、对待基材表面进行预处理，清洗掉工件表面的锈蚀、油垢及灰尘，并干燥；
B、粉末处理：将待制成预置片的粉末置于真空干燥箱中，在80℃下烘干24h，平铺在铺有平整T300斜纹碳纤维布的夹具凹槽平板内，均匀喷洒粘结剂溶液形成均匀水层；
C、将步骤B中预处理的预置片连同凹槽平板平稳放置在真空干燥箱中，在75-90℃下真空加热硬化4h，去除凹槽平板，即得到所需的预置片，并放置在真空干燥环境下保存；
D、激光熔覆：将步骤C中制备的预置片放置于基材设定位置，并用胶带固定，在保护气氛下熔融，使其与基材结合，待其熔覆结束后，用氮气喷枪清理熔覆层表面，再将下一块预置片放置在原先设定位置，重复上述步骤，制备所需的功能材料。
2.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于在步骤D中激光熔覆层的表面不平整时，对基材通过补粉装置进行补粉处理，将基材放置在补粉装置上，补粉装置包括补粉台和蜗杆结构，补粉台外部设有外圈，通过蜗杆结构调整补粉台与外圈的垂直距离使放置在补粉台中熔覆层最高处与外圈平齐，将粉末填充至基材的凹陷处，使粉末与外圈平齐，再用平整的T300斜纹碳纤维布覆盖在基材的表面后，进行激光熔覆。
3.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤A中的预处理是传统的打磨处理或者特种加工处理。
4.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B中待制成预置片的粉末是由两种或两种以上单质元素或者化合物粉末组成的混合粉末，两种及两种以上的粉末，通过行星式球磨机中使其充分混合后。
5.根据权利要求4所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B中两种及两种以上的粉末在行星式球磨机混合时间8h-10h，球料比3:1-5:1。
6.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B中的夹具采用45号钢或者玻璃板制成。
7.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤C中使用的粘结剂是有机粘结剂。
8.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤D中的胶带为普通透明胶带。
9.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤D中的保护气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
10.根据权利要求1所述的以预置片法进行激光多层熔覆制备复合涂层的方法，其特征在于所述步骤D中，每一层预置片熔覆后都用直尺测量熔覆层的厚度，调节激光头与熔覆层的垂直高度，保持每次熔覆激光头与熔覆层垂直距离不变。
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