CN107447214A - 一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法 - Google Patents

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赵树森
赵钊
陈�峰
段韧
徐陈
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Abstract

本发明公开了一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：(1)将表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将增强相粉末装入送粉装置中；(2)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出激光，送粉装置同步送粉，激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成微熔池，微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹，形成合金强化微区域。本发明可保持旋挖齿基材韧性的同时，提高齿体表面耐磨性。

Description

一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法
技术领域
本发明涉及属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法。
背景技术
旋挖齿是旋挖钻机钻头部件的关键作业部分，其根部与钻头连接，锥形面和硬质合金头作为旋挖作业面。由于作业过程中，旋挖齿与被旋挖物的强烈相互作用。使得旋挖齿锥形面易被磨损，最终失效。
目前提高旋挖齿锥形面耐磨的常用方法是，在锥形面表面熔覆耐磨层，提高其耐磨性。但此类方法的缺点是，熔覆过程带来的大量热输入导致基材内部的热应力积累，基材韧性降低，因此旋挖齿在作业过程中易产生脆断，熔覆层也容易剥落。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可保持基材韧性，同时提高旋挖齿齿体表面耐磨性的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：
(1)将表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将增强相粉末装入送粉装置中；
(2)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出激光，送粉装置同步送粉，激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成微熔池，微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹，形成合金强化微区域。
优选地，所述合金强化微区域为点状、环状、螺旋状中的一种或多种。
优选地，点状的合金强化微区域弥散分布于齿体表面；单个点状分布的合金强化微区域的直径为100～5000μm；点状分布的合金强化微区域由脉冲激光束形成。
优选地，脉冲激光功率密度为103～108W/mm2，激光输出波长为177nm～15000nm；扫描速度2～5mm/s，送粉速度10～30g/min，保护气体速度10～30L/min。
优选地，环状合金强化微区域沿齿体高度方向等间隔分布于齿体表面，单个环状合金强化微区域的熔宽为2～5mm。
优选地，螺旋状合金强化微区域沿齿体高度方向呈螺旋状分布于齿体表面，螺旋状合金强化微区域的熔宽为2～5mm。
优选地，环状分布的合金强化微区域和螺旋状合金强化微区域由连续激光束形成。
优选地，连续激光功率为1500～3000W，扫描速度2～5mm/s，送粉速度10～30g/min，保护气体速度10～30L/min。
优选地，所述增强相粉末为SiC、B4C、TiC、ZrC、VC、WC、Mo2C、ZrB2、TiB2中的一种或多种。
优选地，所述表面处理具体为：对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明利用高能量密度激光束，在旋挖齿齿体表面形成微熔池，并用同步送粉装置将增强相粉末送入微熔池内，微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹，形成合金强化微区域。该合金强化微区域在形貌上为微凸起结构，相比齿体基材具有更高的硬度与耐磨性。
2、该合金化微区域呈点状、环状和/或螺旋状弥散分布于韧性良好的齿体基材中，也即拥有良好韧性的基材与拥有高硬度和耐磨性的合金化微区域相间分布，既保证了锥形齿体表面的整体耐磨性，同时还保持了旋挖齿基材的整体韧性。
3、本发明操作简单，无后续处理，节能环保，在尽可能减少加工成本的前提下能保证旋挖齿的综合性能。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：
(1)室温下，对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处理，除油处理为酒精清洗+超声清洗，除锈处理为火焰清洁。
(2)将经步骤(1)表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将WC增强相粉末装入送粉装置中，WC粉末粒度50～100μm之间；
(3)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出脉冲激光，送粉装置同步送粉，脉冲激光功率密度为105W/mm2，激光输出波长为5000nm；扫描速度5mm/s，送粉速度30g/min，保护气体速度30L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成点状微熔池，点状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹，形成点状弥散分布于齿体表面的合金强化微区域，单个点状合金强化微区域的直径为1000μm。
实施例2：
一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：
(1)室温下，对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处理，除油处理为酒精清洗+超声清洗，除锈处理为火焰清洁。
(2)将经步骤(1)表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将WC增强相粉末装入送粉装置中，WC粉末粒度50～100μm之间；
(3)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出连续激光，送粉装置同步送粉，连续激光功率为2500W，扫描速度3mm/s，送粉速度25g/min，保护气体速度25L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成沿旋挖齿齿体高度方向呈螺旋状的微熔池，螺旋状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹，形成螺旋状分布于齿体表面的合金强化微区域，螺旋状合金强化微区域的熔宽为3mm。
实施例3：
一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：
(1)室温下，对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处理，除油处理为酒精清洗+超声清洗，除锈处理为火焰清洁。
(2)将经步骤(1)表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将WC增强相粉末装入送粉装置中，WC粉末粒度50～100μm之间；
(3)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出连续激光，送粉装置同步送粉，连续激光功率为2500W，扫描速度3mm/s，送粉速度25g/min，保护气体速度25L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成螺旋状微熔池，螺旋状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹，形成螺旋状分布于齿体表面的合金强化微区域，螺旋状合金强化微区域的熔宽为3mm；
(4)换脉冲激光头，预设的运动轨迹与与螺旋状合金强化微区域错开。以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出脉冲激光，送粉装置同步送粉，脉冲激光功率密度为105W/mm2，激光输出波长为5000nm；扫描速度5mm/s，送粉速度30g/min，保护气体速度30L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成点状微熔池，点状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹，形成点状弥散分布于齿体表面的合金强化微区域，单个点状合金强化微区域的直径为1000μm。
经测试，较之齿体表面熔覆耐磨层的方式，经实施例1～3处理的旋挖齿齿体在作业过程不易产生崩断，开裂，说明本发明形成合金强化微区域过程中齿体基材的韧性下降小；并且增强相不易剥落，说明齿体基材与增强相结合更牢固，以上测试结果表明本发明能在保证旋挖齿耐磨性的同时，保持旋挖齿基材的整体韧性。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，包括以下步骤：
(1)将表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中，并将增强相粉末装入送粉装置中；
(2)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向，激光头发出激光，送粉装置同步送粉，激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合，根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成微熔池，微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹，形成合金强化微区域。
2.根据权利要求1所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，所述合金强化微区域为点状、环状、螺旋状中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，点状的合金强化微区域弥散分布于齿体表面；单个点状分布的合金强化微区域的直径为100～5000μm；点状分布的合金强化微区域由脉冲激光束形成。
4.根据权利要求3所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，脉冲激光功率密度为103～108W/mm2，激光输出波长为177nm～15000nm；扫描速度2～5mm/s，送粉速度10～30g/min，保护气体速度10～30L/min。
5.根据权利要求2所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，环状合金强化微区域沿齿体高度方向等间隔分布于齿体表面，单个环状合金强化微区域的熔宽为2～5mm。
6.根据权利要求2所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，螺旋状合金强化微区域沿齿体高度方向呈螺旋状分布于齿体表面，螺旋状合金强化微区域的熔宽为2～5mm。
7.根据权利要求5或6所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，环状分布的合金强化微区域和螺旋状合金强化微区域均由连续激光束形成。
8.根据权利要求7所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，连续激光功率为1500～3000W，扫描速度2～5mm/s，送粉速度10～30g/min，保护气体速度10～30L/min。
9.根据权利要求1～6、8任一项所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，所述增强相粉末为SiC、B4C、TiC、ZrC、VC、WC、Mo2C、ZrB2、TiB2中的一种或多种。
10.根据权利要求1～6、8任一项所述的旋挖齿齿体表面强化的激光弥散合金化方法，其特征在于，所述表面处理具体为：对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处理。
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