CN108624878A - 制造包覆层的方法和用于制造包覆层的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造包覆层的方法和用于制造包覆层的装置。将第一金属粉末供给至基材以形成包覆层的始端部。在所述始端部形成之后，将第二金属粉末供给至所述基材。所述第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于其在所述第二金属粉末中的浓度。

Description

制造包覆层的方法和用于制造包覆层的装置
技术领域
本发明涉及一种制造包覆层(clad layer)的方法和一种制造包覆层的装置。
背景技术
例如，为了改善发动机用气缸盖的阀座的耐久性并增加其设计的自由度，已知激光加工，其中使激光束照射到阀座，同时例如供给粉末包覆材料，使阀座和激光束以相对的方式旋转，由此形成包覆层。该激光加工为如下技术，其中执行发动机的燃烧室所需的机械加工，例如，对于在其上执行阀孔形成加工等的气缸盖，在供给由铜合金等制成且具有耐磨性的粉末包覆材料的同时，向将变成阀座的区域照射激光束，且形成最终将成为阀座的环状包覆层，即包覆珠部，并且通常将该技术称为激光包覆加工或包覆加工。
顺便指出，在形成上述环状包覆层时，需要确保用于使终端部叠加在充当包覆层的包覆操作起始部的始端部上并形成重叠部的包覆量。然而，在该重叠部，存在出现例如未焊接部和裂纹的缺陷的问题。
为了解决这一问题，在日本专利3409631(JP 3409631B)中提出了如下技术：其中，当通过使充当包覆操作终端部的终端部叠加在充当包覆层的包覆操作起始部的始端部上而形成包覆层时，将始端部的表面相对于金属基材的表面的倾斜角度调节到预定范围内。
发明内容
然而，如JP 3409631 B中所述的所提出的技术那样，精确地调节包覆层的始端部的表面的倾斜角度是非常困难的。此外，与吸气侧相比，在高温环境下需要确保排气侧的耐磨性。当将硬质粒子的面积比高、基质(matrix)(除硬质粒子外的基体的部分)的硬度高且防止在阀和阀座表面之间发生附着磨损的材料(例如，包含大量的Ni、Si、Mo和Al的材料)用作适合于在排气侧上的阀座用的包覆材料从而形成包覆层时，仍然存在在上述始端部出现许多裂纹的问题。
更具体地讲，当Ni和Si含量增加时，易于形成Cu-Ni-Si的网眼状结构，并且改善基质的硬度。此外，当Mo含量增加时，包含Mo-Si-Fe和Mo-Ni-Si的硬质粒子的面积比增加。此外，当Al含量增加时，易于形成Cu-Ni-Al的固溶强化结构，并且改善基质的硬度。
然而，在激光包覆加工中，由于Cu基粉末包覆材料被熔化并焊接到由Al制成的气缸盖上，Al成分不可避免地混入包覆结构中(该现象被称为Al稀释)。当混入的Al成分的量超过规定值(Cu的Al固溶限)时，形成金属间化合物(AlNi、CuAl等)，导致材料伸长减小且导致残余拉伸应力增加。当第二层(终端部)被包覆时，如果对该部施加热收缩，则由于该负载可能出现裂纹。特别地讲，由于包覆层的始端部具有小体积或小截面积(cross-sectionalarea)，所以Al稀释成分比其它部位更高(例如，一般部(general part)的Al稀释成分为约0％至1％，而始端部的Al稀释成分为约3％至5％)，并且材料伸长的减小和残余拉伸应力的增加变得更大，因此更易于出现裂纹。
也就是说，当形成上述环状包覆层时，由于作为包覆层的操作起始部的始端部具有比作为在始端部形成之后的部分的一般部小的包覆层体积或截面积，因此容易受到来自Al基材的Al稀释的影响。当Al浓度高时，由于易于形成金属间化合物(例如CuAl)，且在包覆层中易于出现裂纹，因此阀座的耐久性劣化。
本发明提供了一种制造包覆层的方法以及一种用于制造包覆层的装置，通过该方法可以降低在上述包覆层的始端部中的开裂。
本发明的第一方面涉及一种制造包覆层的方法，所述方法包括将铜基金属粉末供给至由铝或铝合金制成的基材的表面，向所供给的金属粉末照射激光束而熔化所述金属粉末，且沿着基材的表面在预定方向上移动金属粉末的供给位置和激光束的照射位置，在基材的表面上在预定方向上形成包覆层。金属粉末包含第一金属粉末和第二金属粉末。在所述制造方法中，将第一金属粉末供给至基材以形成包覆层的始端部，并且在始端部形成之后，将第二金属粉末供给至基材。第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于其在第二金属粉末中的浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al的浓度可以低于第二金属粉末中Si、Ni、Mo和Al的浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Si浓度可以低于第二金属粉末中的Si浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Mo浓度可以低于第二金属粉末中的Mo浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Al浓度可以低于第二金属粉末中的Al浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Si和Mo浓度可以低于第二金属粉末中的Si和Mo浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Si和Ni浓度可以低于第二金属粉末中的Si和Ni浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末中的Si、Ni和Mo浓度可以低于第二金属粉末中的Si、Ni和Mo浓度。
在所述制造包覆层的方法中，第一金属粉末的Al固溶限可以高于第二金属粉末的Al固溶限。
在所述制造包覆层的方法中，对第一金属粉末的激光输出可以设定成低于对第二金属粉末的激光输出。
在所述制造包覆层的方法中，可以将第二金属粉末供给至包覆层的始端部上以形成包覆层的终端部。
此外，本发明的第二方面涉及一种用于制造包覆层的装置，包含：粉末供给单元，所述粉末供给单元被构造成将铜基金属粉末供给至由铝或铝合金制成的基材的表面；和激光照射单元，所述激光照射单元被构造成对从粉末供给单元供给的金属粉末照射激光束。所述金属粉末包含第一金属粉末和第二金属粉末。激光照射单元对金属粉末照射激光束，使得所述金属粉末熔化。所述制造装置包含被构造成将第一金属粉末供给至粉末供给单元的第一供给单元和被构造成将第二金属粉末供给至粉末供给单元的第二供给单元。第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于其在第二金属粉末中的浓度。所述制造装置包含：切换单元，所述切换单元被构造成在对粉末供给单元供给第一金属粉末和供给第二金属粉末之间切换；以及控制单元，所述控制单元被构造成控制该切换单元，使得当形成包覆层的始端部时，将第一金属粉末从第一供给单元供给至粉末供给单元，且在始端部形成之后，将第二金属粉末从第二供给单元供给至粉末供给单元。所述制造装置使得金属粉末的供给位置和激光束的照射位置沿着基材的表面在预定方向上移动，在基材的表面上在预定方向上形成包覆层。
在所述用于制造包覆层的装置中，所述控制单元可以控制激光束的激光输出，使得当形成包覆层的始端部时对第一金属粉末的激光输出低于在始端部形成之后对第二金属粉末的激光输出。
根据本发明，由于供给至包覆层的始端部的第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于其在始端部形成之后供给至一般部的第二金属粉末中的浓度，因此可能增加始端部的Al固溶限。因此，由于可以降低始端部中由于来自基材的Al稀释而引起的金属间化合物的形成，因此可以降低在上述包覆层的始端部中的开裂。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的要素，并且其中：
图1是示意性地示出应用本发明的制造包覆层的方法的激光包覆加工装置的主要构造的透视图；
图2是示意性地示出使用图1中所示的激光包覆加工装置制造包覆层的方法的主要部放大图；
图3A是示意性地示出图2中所示的同轴喷嘴的内部结构和金属粉末的供给路径(在加工始端部时)的图；
图3B是示意性地示出图2中所示的同轴喷嘴的内部结构和金属粉末的供给路径(在加工一般部和终端部时)的图；
图4A是示意性地示出图2中所示的同轴喷嘴的内部结构和金属粉末的供给路径的另一实例(在加工始端部时)的图；
图4B是示意性地示出图2中所示的同轴喷嘴的内部结构和金属粉末的供给路径的另一实例(在加工一般部和终端部时)的图；
图5是示意性地示出气缸盖的阀座部的俯视图；
图6是沿着图5中的线VI-VI截取的截面(cross-sectional)图；
图7是沿着图6中的线VII-VII截取的截面图；
图8是示出在第一金属粉末的供给量、第二金属粉末的供给量、激光输出和包覆高度之间的关系的图；
图9是示出在Al浓度与拉伸强度之间的关系的图；
图10是示出在Al浓度与断裂应变之间的关系的图；
图11是示出实施例1和比较例1的金属粉末的粉末合金成分的图；
图12A是示出实施例1中的包覆层中与加工方向垂直的截面的截面观察结果的结构照片图；
图12B是示出在实施例1中的包覆层中根据加工方法的截面的截面观察结果的结构照片图；
图12C是示出在比较例1中的包覆层中与加工方向垂直的截面的截面观察结果的结构照片图；
图12D是示出在比较例1中的包覆层中在加工方向上的截面的截面观察结果的结构照片图；
图13是示出实施例2和比较例1中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点(function features)和品质特点(quality feature)的实验结果的图；
图14是示出实施例2和比较例2中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；
图15是示出实施例3和比较例3中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；
图16是示出实施例4和比较例4中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；
图17是示出实施例5和比较例5中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；
图18是示出实施例6和比较例6中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；
图19是示出实施例7和比较例7中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图；以及
图20是示出实施例8和比较例8中金属粉末的粉末合金成分以及功能特点和品质特点的实验结果的图。
具体实施方式
下文将参考附图描述本发明的实施方式。
首先，通常将参考图1至图3A和3B描述应用本发明的制造包覆层的方法的激光包覆加工装置的一个实例。
图1是示意性地示出应用本发明的制造包覆层的方法的激光包覆加工装置的主要构造的透视图，且图2是示意性地示出使用图1中所示的激光包覆加工装置制造包覆层的方法的主要部放大图。此外，图3A和3B是示意性地示出图2中所示的同轴喷嘴的内部结构和金属粉末的供给路径的图，图3A示出在加工始端部时的图，且图3B示出在始端部加工之后加工一般部和终端部时的图。
图1中所示的激光包覆加工装置1是构造成对由例如铝(Al)或铝合金制成的气缸盖H的阀座部S(下文称为基材或Al基材)执行激光包覆加工(包覆加工)的装置。该装置主要包含：气缸盖保持装置9，其使气缸盖H倾斜并保持气缸盖H；激光加工头(激光照射单元和粉末供给单元)2，通过其在对加工部位(基材表面)照射激光束的同时排出金属粉末(含有铜作为主要成分的金属材料)；旋转装置3，被构造成保持激光加工头2在垂直方向上倾斜并使其围绕垂直轴旋转，并且在周方向(旋转方向)上移动在加工部位中从激光加工头2供给金属粉末的位置和照射激光束的位置；两个供给装置(第一供给单元和第二供给单元)10和14，被构造成将金属粉末供给至激光加工头2；以及控制装置(控制单元)20，被构造成控制将金属粉末从供给装置10和14供给至激光加工头2的状态。
气缸盖保持装置9使气缸盖H倾斜使得阀座部S的中心轴处于垂直方向，并且在水平方向上二维移动气缸盖H使得阀座部S的中心轴与激光加工头2的旋转轴一致。
激光加工头2主要包含：激光振荡单元5，被构造成产生作为金属粉末的加热源的激光束；光学系统单元6，其中包含用于聚焦激光束的聚焦透镜；以及具有双管道结构的同轴喷嘴7，激光束通过同轴喷嘴7且金属粉末从激光束周围排出。
此外，供给装置10和14主要包含将供给至激光加工头2的金属粉末进行储存的进料器11和15。进料器11和15以及激光加工头2的同轴喷嘴7通过供给管18和设置在供给管18上的切换阀(切换单元)19连接(详细结构将在下文描述)。
在激光包覆加工装置1中，将对应于在加工部位中形成的包覆层的量的金属粉末从进料器11和15通过供给管18等供给至同轴喷嘴7，通过激光振荡单元5产生具有根据金属粉末的输出的激光束，在将激光束通过同轴喷嘴7照射到加工部位的同时，金属粉末从激光束周围朝向激光束排出，由此可以在气缸盖H的阀座部S上形成环状包覆层(参考图2)。
在此，为了形成环状包覆层，旋转装置3使激光加工头2旋转360°以上(例如，约450°)，且在加工部位的起点和终点之间形成重叠部(例如，约90°的重叠部)。
更具体地讲，如图3A和3B中所示，同轴喷嘴7主要包含大致圆管形的内喷嘴构件7a和外喷嘴构件7b，内喷嘴构件7a包含激光束穿过的激光通路，外喷嘴构件7b外部配合到内喷嘴构件7a。外喷嘴构件7b的内周面与内喷嘴构件7a的外周面形状互补。内喷嘴构件7a和外喷嘴构件7b同轴安置。金属粉末穿过的大致环形的排出空间8限定在内喷嘴构件7a和外喷嘴构件7b之间。在此，内喷嘴构件7a和外喷嘴构件7b的直径朝向其前端侧减小。
在排出空间8中，多个供给管道8a至8d在周方向上以大致相等的间隔连续设置(在所示的实例中，以90°间隔的四条供给管道)。供给管道8a至8d通过连接管4与切换阀19连接。
在此，在所示的实例中，排出空间8形成为一个空间。然而，例如排出空间8可以通过在周方向上以大致相等的间隔(例如，90°的间隔)设置的分隔壁而分隔成多个小空间(例如，四个小空间)，并且用于将金属粉末供给至小空间的供给管道可以连续地设置在小空间中。
另一方面，供给装置(第一供给单元)10的进料器11通过连接管12连接到切换阀19，并且供给装置(第二供给单元)14的进料器15通过连接管16连接到切换阀19。
因此，当控制装置20与旋转装置3等结合控制切换阀19的切换时，例如，产生以下连通状态，且将金属粉末的供给路径从进料器11和15切换到同轴喷嘴7的供给管道8a至8d。[第一连通状态]如下状态(图3A中所示的状态)，其中，当加工包覆层的始端部时(即，当激光加工头2(的同轴喷嘴7)的加工起点的旋转角度为预定角度(例如，约45°)以下时)，进料器11(与其连接的连接管12)和供给管道8a至8d(与其连接的连接管4)彼此连通，储存在进料器11中的金属粉末通过供给管道8a至8d供给至排出空间8，并且在进料器15(与其连接的连接管16)与供给管道8a至8d(与其连接的连接管4)的连通被阻断。[第二连通状态]如下状态(图3B中所示的状态)，其中，当在加工包覆层的始端部之后加工一般部和终端部时(即，当激光加工头2(的同轴喷嘴7)的旋转角度大于预定角度(例如，约45°)时)，在进料器11(与其连接的连接管12)和供给管道8a至8d(与其连接的连接管4)之间的连通被阻断，且进料器15(与其连接的连接管16)和供给管道8a至8d(与其连接的连接管4)彼此连通，并且储存在进料器15中的金属粉末通过供给管道8a至8d供给至排出空间8。
在此，在图3A和3B中所示的实例中，使用一个切换阀19切换其中将金属粉末从进料器11和15供给至同轴喷嘴7的供给管道8a至8d的状态(供给路径)。然而，例如，如图4A和4B中所示，连接到供给管道8a至8d的供给管可以单独地连接到进料器11和15，并且切换阀19a和19b可以设置在供给管中，并且所述两个切换阀19a和19b可以用于切换其中将金属粉末从进料器11和15供给至同轴喷嘴7的供给管道8a至8d的状态(供给路径)(即，控制装置20同时控制所述两个切换阀19a和19b)。此外，可以省略切换阀，并且可以使用设置在进料器11和15上的用于流量控制的开关阀来切换将金属粉末从进料器11和15供给至同轴喷嘴7的供给管道8a至8d的状态(供给路径)(即，控制装置20同时控制进料器11和15的开关阀)。
此外，包含惰性气体如氮气的载气穿过的载气管道(未图示)设置在进料器11和15中，且使用该载气，金属粉末可以与载气一起从进料器11和15通过供给管18(例如，连接管12和16)加压供给至同轴喷嘴7。
在此，例如氮气的惰性气体穿过的气体供给路径设置在外喷嘴构件7b中。通过气体供给路径供给的惰性气体通过限定在内喷嘴构件7a和外喷嘴构件7b之间的气体填充空间、以及与气体填充空间连通的形成于内喷嘴构件7a中的多个气体排放通路供给至内喷嘴构件7a的激光通路。
如果在气缸盖H的阀座部S上形成包覆层，则当将金属粉末从进料器11和15供给至同轴喷嘴7时，设置在载气管道上的开关阀被打开，且储存在进料器11和15中的金属粉末由于从载气管道供给的载气的压力而与载气一起被发送到构成供给管18的连接管12和16，并通过上述切换阀19和连接管4供给至同轴喷嘴7的供给管道8a至8d。供给至供给管道8a至8d的金属粉末被引入排出空间8中并在周方向扩散或分散，并且从排出空间8的前端侧的排出口排到外部。
通过排出口排出的金属粉末由于从激光加工头2的激光振荡单元5照射并且穿过内喷嘴构件7a的激光通路的激光束而熔化，熔化的金属粉末被焊接到作为加工部位的气缸盖H的阀座部S上，将焊接的金属粉末冷却并固化，在加工部位上形成具有预定厚度和外部形状的包覆层。在此，如上所述，内喷嘴构件7a的激光通路也用作通过气体供给路径等等供给的惰性气体的通路，并且，惰性气体在激光包覆加工期间通过激光通路喷射到工件的加工部位。
在此，从进料器11和15送到连接管12和16(即，同轴喷嘴7)的金属粉末的量和载气的流量及压力(进料器内部压力)由进料器11和15管理。
接着，将更详细地描述使用图1中所示的激光包覆加工装置来制造(形成)包覆层的方法以及相应地形成的包覆层的内部结构。
在本实施方式中，将具有相对低浓度(换句话说，添加剂量)的Ni、Si、Mo和Al中的至少一种(优选地，Ni、Si、Mo和Al全体)的铜基金属粉末(第一金属粉末)储存在上述供给装置(第一供给单元)10的进料器11中，并且将具有相对高浓度的Ni、Si、Mo和Al中的至少一种(优选地，Ni、Si、Mo和Al全体)的铜基金属粉末(第二金属粉末)储存在供给装置(第二供给单元)14的进料器15中。
如上所述，控制装置20根据激光加工头2的同轴喷嘴7的旋转角度切换切换阀19。因此，当在气缸盖H的阀座部S中加工包覆层的始端部时，同轴喷嘴7的供给管道8a至8d与进料器11连通，并且第一金属粉末从进料器11供给至同轴喷嘴7(的排出空间8)(也参见图3A)。此外，当加工包覆层的一般部和终端部时，同轴喷嘴7的供给管道8a至8d与进料器15连通，并且第二金属粉末从进料器15供给至同轴喷嘴7(的排出空间8)(也参见图3B)。
因此，当使用本实施方式的激光包覆加工装置1形成包覆层时，如图5至7、图8中所示，首先(在图8中所示的实例中，从0°的旋转角度(作为加工起点)到约45°的旋转角度)，从进料器11供给至同轴喷嘴7的第一金属粉末(具有相对低浓度的Ni、Si、Mo和Al的金属粉末)由于通过同轴喷嘴7(的内喷嘴构件7a)的激光束而熔化，并且焊接和包覆至气缸盖H的阀座部S上，从而形成始端部。然后，(在图8中所示的实例中，从约45°的旋转角度到450°的旋转角度)，切换从进料器11和15到同轴喷嘴7的供给路径，从进料器15供给至同轴喷嘴7的第二金属粉末(具有相对高浓度的Ni、Si、Mo和Al的金属粉末)由于激光束而熔化，并且焊接和包覆到气缸盖H的阀座部S上，从而形成一般部和终端部。
在此，在本实例中，如图8中所示，在形成始端部时对第一金属粉末的激光输出被设定成小于在始端部形成之后对第二金属粉末的激光输出。换句话说，控制装置20根据激光加工头2的同轴喷嘴7的旋转角度同时控制激光加工头2(的激光振荡单元5)的激光输出。
在此，在本实施方式中，包覆层的“始端部”是指从加工起点(包覆层的加工起始位置)到包覆层的高度小于在制造期间片材表面的高度的区域(特别地讲，参考图7)。此外，包覆层的“一般部”是指在始端部形成之后包覆层的高度等于或大于在制造期间片材表面的高度的区域。此外，包覆层的“终端部”是指在至少与始端部重叠的部分之后的区域(特别地讲，参考图7和图8)。
在此，基于以下考虑来确定第一金属粉末(用于形成始端部的金属材料)和第二金属粉末(用于形成一般部和终端部的金属材料)的粉末合金成分的组成。
Ni成分
当Ni的含量(比例)增加时，易于形成Cu-Ni-Si的网眼状结构，并且基质的强度改善。然而，当Ni的含量(比例)超过20％，则容易出现裂纹，并且焊接性降低。另一方面，当Ni的含量(比例)减小时，防止NiSi(镍硅化物)的形成和由于Al固溶限的增加而导致的AlNi化合物的形成，并且可以防止出现裂纹。然而，当Ni的含量(比例)小于5％时，由于基质强化不充分，因此不可能承受住例如燃烧压力的发动机负荷。因此，在5.0％至20.0％的范围内，第一金属粉末中的Ni量相对较小，并且第二金属粉末中的Ni量相对较大。
Si成分
当Si的含量(比例)增加时，易于形成Cu-Ni-Si的网眼状结构，并且基质的强度改善，且对Al的焊接性改善。当Si的含量(比例)过大时，由于在具有Cu-Ni-Si结构的Cu-Ni晶粒的晶界处形成的镍硅化物(例如，Ni3Si)的量增加，因此延展性减小，并且当混入超过Cu的Al固溶限的量的稀释的基材成分(Al成分)时，在晶界处形成金属间化合物(例如，AlNi)，并且伸长显著降低。此外，即使Al浓度低，由于产生高的残余拉伸应力，因此容易出现裂纹。更具体地讲，在当Si的含量为2.4％以下时，易于形成未焊接的部位，并且当Si的含量为4.0％以上时，由于上述原因在包覆层的一般部中易于出现裂纹。因此，在2.4％至4.0％的范围内，第一金属粉末中的Si量小于第二金属粉末中的Si量。
Mo成分
当Mo的含量(比率)增加时，由于包含Mo-Si-Fe和Mo-Ni-Si的硬质粒子的面积比增加，并且许多硬质粒子结晶，因此耐磨性改善。然而，由于韧性比不上基质的韧性，因此断裂应变减小并且易于出现裂纹。更具体地讲，当Mo的含量超过40.0％时，由于硬质粒子的量过多，因此韧性减小并且易于出现裂纹。因此，在0％至40.0％的范围内，第一金属粉末中的Mo量小于第二金属粉末中的Mo量。
Al成分
当Al的含量(比例)增加时，易于形成Cu-Ni-Al的固溶强化结构，并且基质的强度改善。然而，当Al的含量(比例)过大时，由于稀释的基材成分(Al成分)而存在更多具有低延展性的金属间化合物相如AlNi和CuAl，并且易于出现裂纹。也就是说，即使添加少量的Al成分，拉伸强度也改善(参考图9)，当Al的含量超过12％时，断裂应变(当其低时，易于出现裂纹)比Al浓度为0％时低(参考图10)。因此，在0％至12.0％的范围内，第一金属粉末中的Al量相对较小，并且第二金属粉末中的Al量相对较大。
也就是说，当使用如上所述的本实施方式的激光包覆加工装置1形成包覆层时，由从进料器11供给至同轴喷嘴7的第一金属粉末形成的包覆层的始端部具有Al固溶限相对高的结构。
此外，由从进料器15供给至同轴喷嘴7的第二金属粉末形成的包覆层的一般部和终端部具有耐磨性优异的结构。具体地讲，当制造使用本实施方式的激光包覆加工装置1形成的包覆层时，片材(sheet)表面具有由第二金属粉末形成的结构，并且该结构包含更多的Ni和Si。因此，易于形成Cu-Ni-Si的网眼状结构，基质的硬度改善，并且预期防止了在基质剥离并附着到阀上时发生的附着磨损。此外，由于该结构包含更多的Mo，因此包含Mo-Si-Fe和Mo-Ni-Si的硬质粒子的面积比增加，并且预期耐磨性得到改善。此外，由于该结构包含更多的Al，易于形成Cu-Ni-Al的固溶强化结构，基质的硬度改善，并且预期防止了在基质剥离并附着到阀上时发生的附着磨损。
如上所述，根据本实施方式，由于供给至包覆层的始端部的第一金属粉末具有比在始端部形成之后供给至一般部的第二金属粉末相对低的Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度，因此可以增加在始端部中的Al固溶限。因此，由于可以降低由来自基材的Al稀释而引起的金属间化合物的形成，因此可以可靠地降低在上述包覆层的始端部中的开裂。
此外，在本实施方式中，由于在加工包覆层时通过切换阀19(或设置在进料器11和15上的用于流量控制的开关阀)的切换而对从供给装置10和14的进料器11和15向同轴喷嘴7的金属粉末的供给路径进行切换，因此还存在可以确保生产率的效果。
在此，虽然在上述实施方式中已经使用了具有激光束通过并且金属粉末从激光束的周围排出的双管道结构的同轴喷嘴7，但是，例如，激光束和金属粉末可以使用单独的喷嘴供给至基材(气缸盖H的阀座部S)的表面。换句话说，虽然在上述实施方式中已经使用了充当构造成将金属粉末供给至基材表面的粉末供给单元、并且还充当构造成对从粉末供给单元供给的金属粉末照射激光束并熔化金属粉末的激光照射单元的激光加工头2(的同轴喷嘴7)，但是，例如，所述粉末供给单元和激光照射单元可以被构造成单独的装置。此外，虽然在上述实施方式中，从供给装置10和14供给的具有不同成分的金属粉末从一个同轴喷嘴7中依次排出(供给)，但是，例如，从供给装置10和14供给的具有不同成分的金属粉末可以使用(两个)单独的喷嘴依次供给至基材(气缸盖H的阀座部S)的表面。
此外，应该指出的是，可以适当地改变向同轴喷嘴7的排出空间8供给金属粉末的供给管道的数目、其位置等等。
此外，在上述实施方式中，为了使构造明确，在预定的时间(图8所示的实例中，约45°的旋转角度)，完全切换第一金属粉末从进料器11向同轴喷嘴7的供给和第二金属粉末从进料器15的供给，仅从进料器11供给第一金属粉末以形成始端部，并且仅从进料器15供给第二金属粉末以形成一般部和终端部。然而，应该指出的是，当用于加工包覆层的始端部的金属粉末的Al固溶限高于用于加工一般部和终端部的金属粉末的Al固溶限、并且能够确保在制造期间片材表面等的耐磨性时，从进料器11供给的第一金属粉末和从进料器15供给的第二金属粉末可以在规定的时间宽度内(在预定的旋转角度范围内)混合并使用。
用于评价包覆层的功能特点和品质特点的实验及其结果
发明人执行了以下实验，其中使用具有不同粉末合金成分的金属粉末(实施例1至8和比较例1至8)，使用上述激光包覆加工装置1(对于加工条件，参考例如图8)在Al基材(Al制成的气缸盖的阀座部)上形成包覆层，并且评价包覆层的功能特点和品质特点。
实施例1中包覆层的截面的观察实验及其结果
首先，发明人执行了以下实验，其中使用具有不同粉末合金成分的金属粉末(实施例1和比较例1)在Al基材(由Al制成的气缸盖的阀座部)上形成包覆层，并且观察包覆层的截面。
实施例1和比较例1的比较
图11示出实施例1和比较例1的金属粉末的粉末合金成分。如从图11可以理解的，在实施例1中，第一金属粉末中Ni、Si、Mo和Al的浓度全部被设定成比第二金属粉末中的那些低。此外，比较例1中的金属粉末被设定成具有与实施例1中的第二金属粉末基本相同的粉末合金成分(Al量略微不同)。也就是说，在比较例1中，使用具有与实施例1中的第二金属粉末基本相同的粉末合金成分的单一金属粉末来加工包覆层。
图12A是示出在本实验中制备的实施例1中的包覆层中与加工方向垂直的截面(对应于沿图5中的线VI-VI截取的截面)的截面观察结果的结构照片图。图12B是示出在实施例1中的包覆层中在加工方向上的截面(对应于沿图6中的线VII-VII截取的截面)的截面观察结果的结构照片图。此外，图12C是示出在比较例1中的包覆层中与加工方向垂直的截面的截面观察结果的结构照片图。图12D是示出在比较例1中的包覆层中在加工方向上的截面的截面观察结果的结构照片图。
在图12C和12D中所示的比较例1中，由于更多的金属间化合物相在始端部中析出，所以确认出现看起来比一般部和终端部稍微更白的裂纹。
在此，可以理解，当检查放大结构以比较在比较例1中的结构中出现裂纹的部分的结构与无裂纹部分的结构时，Al稀释度为10％，并且作为结果，存在较少的延展性(抗开裂性)Cu-Ni金属相，且由于Al浓度增加而形成其中组合了Al和Ni的具有低延展性的金属间化合物相AlN。
另一方面，在图12A和12B中所示的实施例1中，确认始端部的颜色接近于一般部和终端部的颜色，并且不是白色，并且易于出现裂纹的金属间化合物相的析出几乎没有。
实施例2至8中的包覆层的基质的硬度、硬质粒子的面积比以及裂纹的出现的测量实验及其结果
接着，发明人执行了以下实验，其中使用具有不同粉末合金成分的金属粉末(实施例2至8和比较例1至8)在Al基材(由Al制成的气缸盖的阀座部)上形成包覆层，并且测量包覆层的基质的硬度、硬质粒子的面积比和裂纹的出现(出现次数)。
已经发现，考虑到具有上述比较例1中的结构的出现裂纹的部分(参考图12C和12D)，当混入Cu中的Al成分的量超过规定值(固溶限)时，形成金属间化合物(AlNi和CuAl)，并且引起伸长减小且在该结构中易于出现裂纹。因此，在本实验中，定义Cu的Al固溶限，将第一金属粉末和第二金属粉末的粉末合金成分组合物的Si量、Ni量、Mo量和Al量之间的大小关系设定为控制因素，并且将防止附着磨损的基质的硬度(Hv 0.1)、改善耐磨性的硬质粒子的面积比以及裂纹的出现(裂纹的出现次数)设定为结果指标，从而进行评价。在此，作为功能特点的基质硬度和硬质粒子面积比越高对于附着磨损是有益的，并且在始端部中呈现的裂纹出现次数越少(即，零)产生更好的品质特点。
在此，“Cu的Al固溶限”是如下极限值，当混入Cu中的Al成分的量超过该值时，在Cu中形成金属间化合物(AlNi和CuAl)，并且导致伸长减小且易于出现裂纹，并且“Cu的Al固溶限”是由金属粉末中的Ni、Si、Mo成分的值确定的值。
实施例2和比较例1的比较
图13示出实施例2和比较例1的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图13可以理解的，在实施例2中，第一金属粉末中Ni、Si、Mo和Al的浓度全部被设定成比第二金属粉末中的那些低。此外，在充当基准(reference)的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例1中的金属粉末被设定成具有与实施例2中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。也就是说，在比较例1中，使用具有与实施例2中的第二金属粉末相同的粉末合金成分的单一金属粉末来执行包覆加工。
确认了在实施例2中没有裂纹而可以实现与比较例1中相同的功能，但是在比较例1中出现了19条裂纹。
实施例2和比较例2的比较
图14示出实施例2和比较例2的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图14可以理解的，在比较例2中，金属粉末被设定成具有与实施例2中的第一金属粉末相同的粉末合金成分。也就是说，在比较例2中，使用具有与实施例2中的第一金属粉末相同的粉末合金成分的单一金属粉末来执行包覆加工。
在比较例2中，确认了由于Si量、Ni量、Mo量和Al量小(小于实施例2中的第二金属粉末中的那些，并且等于第一金属粉末中的那些)，因此没有出现裂纹，但基质硬度和硬质粒子的面积比均低于实施例2中的那些，并且功能特点不如实施例2中的那些。
实施例3和比较例3的比较
图15示出实施例3和比较例3的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图15可以理解的，在实施例3中，第一金属粉末中仅Si浓度(Si量)被设定成比第二金属粉末中的Si浓度低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例3中的金属粉末被设定成具有与实施例3中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例3中的第二金属粉末和比较例3中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例3和比较例3具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例3中的第一金属粉末中Si浓度(Si量)相对低，因此在实施例3中没有出现裂纹，但在比较例3中出现两条裂纹。
实施例4和比较例4的比较
图16示出实施例4和比较例4的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图16可以理解的，在实施例4中，第一金属粉末中仅Mo浓度(Mo量)被设定成比第二金属粉末中的Mo浓度低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例4中的金属粉末被设定成具有与实施例4中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例4中的第二金属粉末和比较例4中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例4和比较例4具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例4中的第一金属粉末中Mo浓度(Mo量)相对低，因此在实施例4中没有出现裂纹，但在比较例4中出现一条裂纹。
实施例5和比较例5的比较
图17示出实施例5和比较例5的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图17可以理解的，在实施例5中，第一金属粉末中仅Al浓度(Al量)被设定成比第二金属粉末中的Al浓度低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例5中的金属粉末被设定成具有与实施例5中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例5中的第二金属粉末和比较例5中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例5和比较例5具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例5中的第一金属粉末中Al浓度(Al量)相对低，因此在实施例5中没有出现裂纹，但在比较例5中出现15条裂纹。
实施例6和比较例6的比较
图18示出实施例6和比较例6的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图18可以理解的，在实施例6中，第一金属粉末中Si和Mo浓度(Si量和Mo量)被设定成比第二金属粉末中的那些低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例6中的金属粉末被设定成具有与实施例6中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例6中的第二金属粉末和比较例6中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例6和比较例6具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例6中的第一金属粉末中Si浓度和Mo浓度(Si量和Mo量)相对低，因此在实施例6中没有出现裂纹，但在比较例6中出现五条裂纹。
实施例7和比较例7的比较
图19示出实施例7和比较例7的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图19可以理解的，在实施例7中，第一金属粉末中Si和Ni浓度(Si量和Ni量)被设定成比第二金属粉末中的那些低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例7中的金属粉末被设定成具有与实施例7中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例7中的第二金属粉末和比较例7中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例7和比较例7具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例7中的第一金属粉末中Si浓度和Ni浓度(Si量和Ni量)相对低，因此在实施例7中没有出现裂纹，但在比较例7中出现五条裂纹。
实施例8和比较例8的比较
图20示出实施例8和比较例8的金属粉末的粉末合金成分以及其功能特点和品质特点的实验结果。如从图20可以理解的，实施例8中的第一金属粉末中Si、Ni和Mo浓度(Si量、Ni量和Mo量)被设定成比第二金属粉末中的那些低。此外，在充当基准的第一金属粉末中Cu的Al固溶限高于第二金属粉末中Cu的Al成分固溶限。此外，比较例8中的金属粉末被设定成具有与实施例8中的第二金属粉末相同的粉末合金成分。
由于实施例8中的第二金属粉末和比较例8中的金属粉末具有相同的粉末合金成分，因此实施例8和比较例8具有相同的功能特点(即，基质硬度和硬质粒子的面积比均相同)。另一方面，确认了由于实施例8中的第一金属粉末中Si浓度、Ni浓度和Mo浓度(Si量、Ni量和Mo量)相对低，因此在实施例8中没有出现裂纹，但在比较例8中出现四条裂纹。
也就是说，基于实验结果，证实了当形成包覆层的第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度被设定成比第二金属粉末中低时，可以可靠地降低在包覆层的始端部中与品质有关的开裂，同时维持功能(基质硬度和硬质粒子的面积比)。
尽管上文参考附图详细地描述了本发明的实施方式，但具体的构造并不限于上述实施方式，并且本发明包括在不脱离本发明的范围和主旨的情况下在该范围内的各种设计修改。

Claims (13)

1.一种制造包覆层的方法，其特征在于包括：
将金属粉末供给至由铝或铝合金制成的基材的表面，对所述金属粉末照射激光束而熔化所述金属粉末，所述金属粉末为铜基金属粉末，且所述金属粉末包含第一金属粉末和第二金属粉末；且
沿着所述基材的表面在预定方向上移动所述金属粉末的供给位置和所述激光束的照射位置，在所述基材的表面上在所述预定方向上形成所述包覆层，
其中，将所述第一金属粉末供给至所述基材以形成所述包覆层的始端部，并且在所述始端部形成之后，将所述第二金属粉末供给至所述基材，并且在所述第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于在所述第二金属粉末中所述Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al的浓度分别低于在所述第二金属粉末中Si、Ni、Mo和Al的浓度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Si浓度低于在所述第二金属粉末中的Si浓度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Mo浓度低于在所述第二金属粉末中的Mo浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Al浓度低于在所述第二金属粉末中的Al浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Si和Mo浓度分别低于在所述第二金属粉末中的Si和Mo浓度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Si和Ni浓度分别低于在所述第二金属粉末中的Si和Ni浓度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一金属粉末中的Si、Ni和Mo浓度分别低于在所述第二金属粉末中的Si、Ni和Mo浓度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一金属粉末的Al固溶限高于所述第二金属粉末的Al固溶限。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述第一金属粉末的激光输出被设定成低于对所述第二金属粉末的激光输出。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述第二金属粉末供给至所述包覆层的所述始端部上以形成所述包覆层的终端部。
12.一种用于制造包覆层的装置，其特征在于包含：
粉末供给单元，所述粉末供给单元被构造成将金属粉末供给至由铝或铝合金制成的基材的表面，所述金属粉末为铜基金属粉末，且所述金属粉末包含第一金属粉末和第二金属粉末；
激光照射单元，所述激光照射单元被构造成对从所述粉末供给单元供给的所述金属粉末照射激光束，所述激光照射单元对所述金属粉末照射所述激光束使得所述金属粉末熔化；
第一供给单元，所述第一供给单元被构造成将所述第一金属粉末供给至所述粉末供给单元，在所述第一金属粉末中Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度低于在所述第二金属粉末中所述Si、Ni、Mo和Al中的至少一种的浓度；
第二供给单元，所述第二供给单元被构造成将所述第二金属粉末供给至所述粉末供给单元；
切换单元，所述切换单元被构造成在对所述粉末供给单元供给所述第一金属粉末和供给所述第二金属粉末之间切换；和
控制单元，所述控制单元被构造成控制所述切换单元，使得当形成所述包覆层的始端部时，将所述第一金属粉末从所述第一供给单元供给至所述粉末供给单元，且在所述始端部形成之后，将所述第二金属粉末从所述第二供给单元供给至所述粉末供给单元，
其中所述金属粉末的供给位置和所述激光束的照射位置沿着所述基材的表面在预定方向上移动，在所述基材的表面上在所述预定方向上形成所述包覆层。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述控制单元被构造成控制所述激光束的激光输出，使得当形成所述包覆层的始端部时对所述第一金属粉末的激光输出低于在所述始端部形成之后对所述第二金属粉末的激光输出。
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