CN109023351B

CN109023351B - 一种无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法

Info

Publication number: CN109023351B
Application number: CN201811061083.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡志海; 程江波; 孙博; 柳建; 刘军; 杜晓坤; 梁秀兵; 孙晓峰; 李占明; 郭杰
Original assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: CN109023351A

Abstract

本发明提供一种无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)以第一预设工艺参数预熔基体，保持在第一预设温度；(2)以第二预设工艺参数将涂层材料激光熔覆于合金基体表面形成熔覆层；(3)待熔覆层表面温度降至第一预设温度，以第三预设工艺参数重熔熔覆后的合金基体，冷却。本发明方法能够制备出完全无裂纹的激光熔覆非晶涂层，在改善裂纹状况的同时，还能提高激光熔覆层的非晶含量和显微硬度，激光熔覆非晶涂层中的非晶含量高于40％，平均显微维氏硬度为807.4HV_0.1。本发明方法成本低廉，所有的工艺流程均可在一套激光熔覆设备上完成，使得操作更为简单、制备更为高效、可应用范围更广。

Description

一种无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及一种无裂纹激光熔覆层的制备方法。

背景技术

我国是制造业大国，“一带一路”政策的实施加快了我国“制造业强国”及“创新型国家”等战略建设的推进，对国内钢铁工业的要求不断升级。轧辊是轧机的核心部件，能将各种金属材料轧制成材。金属产品的创新升级对轧辊的工况要求越发严苛，冷、热、高速、重载等因素的交互作用，使轧辊易发生辊面疲劳剥落、磨损以及辊身断裂等损伤失效行为。相关数据表明，我国每年热、冷轧辊和支承辊的报废量分别为100多万吨、20多万吨和近20万吨，这不仅造成了超过百亿元的经济损失，还引发了能源和资源的巨大浪费，也对我国生态环境的改善和社会的可持续发展产生了不利影响(2015年全国轧辊使用与制造技术交流会/2015:31-38)。因此，借助先进的再制造技术对废旧轧辊进行修复并循环使用，不仅能够显著降低工业成本，还能节约大量的资源能源，降低环境污染。

先进再制造制备技术，是延长废旧轧辊寿命的主要途径。目前钢质轧辊再制造中普遍应用的以电弧为代表的堆焊轧辊再制造技术具有成本低、效果好等特点，但轧辊堆焊后工作层硬度较低，难以满足更高的使用要求，且堆焊工艺复杂、加工效率不高；另外堆焊组织晶粒粗大，易产生气孔、裂纹、夹渣和焊瘤等缺陷；这严重限制了其推广和发展。以等离子喷涂和超音速火焰喷涂为代表的热喷涂轧辊再制造技术采用金属陶瓷作为涂层材料对基体变形小，热影响区浅硬度较高，但所制备涂层的结合强度低，涂层存在大量的孔隙，韧性、切削加工性较差。

激光熔覆技术作为一种先进的绿色再制造加工方法，其节能高效、加工范围广、材料利用率高等一系列优点，在高硬度高强度轧辊再制造中具有明显优势。国内外高校院所和企业已开始尝试激光熔覆技术在轧辊再制造方面的研究：2002年清华大学首次采用Nd：YAG脉冲激光器在基材中添加Cr、Ti、Ni、Co合金粉末在冷轧辊表面进行激光熔覆，提高了轧辊的抗疲劳强度和耐磨性能(《新技术新工艺》2002,(1):30-31)。郑启池等在45#钢表面制备了Ni45镍基自熔性合金粉末激光熔覆层，并研究了功率输入对激光熔覆镍基涂层组织和裂纹生成的影响，探伤实验表明制备出的熔覆层中均存在裂纹，且裂纹的平均数量随着激光功率的增大先增加后减少(《江苏科技大学学报(自然科学版)》2017,31(3):293-297)。丁紫正等在热作模具钢H13钢表面激光熔覆了SiCp增强的镍基自熔剂合金粉末，所制备的激光熔覆层其显微硬度、常温及高温摩擦性能均高于基体(《特种铸造及有色合金》2017,37(8):886-890)。晁明举等利用横流连续CO2激光器研究了Nb2O5对铁基合金激光熔覆层裂纹敏感性的影响，在Nb2O5添加含量为0.4wt.％，激光功率达到20kW时制备出了无裂纹的激光熔覆层(《激光技术》2005,29(6):568-571)。

综合来看，前期对轧辊表面再制造技术的研究工作大多限于工艺参数和性能表征方面的探索，而由急热骤冷产生的残余应力以及与基体的热膨胀系数差异等原因产生的裂纹问题，始终未能得到有效解决。传统方向上解决裂纹问题的方法主要分为两种，即优化熔覆材料和调整制备工艺，但目前去除裂纹的过程主要存在以下几个问题：1)材料性能上，在提高韧性和降低裂纹敏感性的同时，熔覆层的强度损失严重；2)在材料体系上，过渡依赖添加稀有难熔金属、稀土元素或硬质增强相的方法来制备无裂纹熔覆层，成本昂贵且制备出的熔覆层非晶含量很低，无法满足新阶段新产品高性能的新要求；3)在工艺参数上，传统方法去除裂纹时一般需要较高的功率输入，对能源条件和设备种类的要求较高，不利于节能减排，更不利于大范围推广使用；4)在工艺流程上，采用预热手段加热基体或熔覆后缓冷处理时操作流程繁琐且严苛，工作效率低下，耗能严重，不利于产业化推进。因此若能在较低的工艺参数要求下，提供一种能够利用宽带激光器更高效地减少或消除激光熔覆层裂纹的方法，不仅有助于提高激光熔覆产品的综合性能，更有利于激光熔覆非晶涂层技术的广泛应用和产业化发展。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种工艺流程简单，工艺参数要求低的无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法。

本发明提供的无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)预熔：以第一预设工艺参数预熔基体，并保持在第一预设温度；(2)熔覆：以第二预设工艺参数将涂层材料激光熔覆于步骤(1)预熔后的基体表面形成熔覆层；(3)重熔：待熔覆层表面温度降至第一预设温度，以第三预设工艺参数重熔熔覆后的基体，冷却。

所述第一预设工艺参数为：激光扫描速率为3～6mm/s，激光功率为0.3～0.6kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为10～25L/min；第一预设工艺参数根据所述合金基体类别进行选择，所选择的第一预设工艺参数应确保所述合金基体表面在预熔过后无明显烧损痕迹。现有技术通常采用的激光器的聚焦光斑一般为3～5mm左右的圆形光斑，聚焦能量高但制备效率低。本申请采用激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，有利于高效制备无裂纹激光熔覆非晶涂层。

优选地，激光扫描速率为4mm/s，激光功率为0.5kW，保护氩气流速为20L/min。

所述第一预设温度为150～250℃；步骤(1)中实时采集所述基体两端的局部温度，1)当基体两端温度在所述第一预设温度之间，立即进行步骤(2)的激光熔覆；或2)基体两端温度高于所述第一预设温度，冷却到所述第一预设温度时进行步骤(2)的激光熔覆；或3)基体两端温度低于所述第一预设温度，再次按照第一预设工艺参数预熔一次，实时采集合金基体两端的局部温度并重复前述步骤，直至温度维持于第一预设温度再进行激光熔覆。

本发明的无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法中，所述第二预设工艺参数为：激光扫描速率为3～10mm/s，激光功率为1.5～3.0kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm,，保护氩气流速为10～25L/min，预置粉末厚度为1mm。优选地，激光扫描速率为5mm/s，激光功率为2.0kW，保护氩气流速为15L/min。

本发明的无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法中，所述第三预设工艺参数为：激光扫描速率为5～15mm/s，激光功率为1.0～2.5kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速10～25L/min。优选地，激光扫描速率为5mm/s，激光功率为1.5kW，保护氩气流速为25L/min。

本发明的上述制备方法中，步骤(2)所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：18.00～22.00％Co、18.00～22.00％Ni、2.00～6.00％B、2.00～6.00％Si、2.00～10.00％Nb、余量为Fe。

优选地，所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：18.00％Co、18.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe。

优选地，所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：20.00％Co、20.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe。

优选地，所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：22.00％Co、22.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe。

上述制备方法制得的无裂纹激光熔覆非晶涂层属于本发明的保护范围。

本发明的有益效果在于：(1)本发明提供的激光熔覆非晶涂层制备方法，能利用宽带激光器制备出完全无裂纹的激光熔覆非晶涂层，涂层均匀致密无明显缺陷；

(2)本发明制备方法能够改善熔覆层的微观组织，制得的熔覆层的非晶含量得到提高(非晶含量>40％)；

(3)本发明选择铁基合金粉末作为熔覆涂层材料，其中钴、镍、铌等采用粒度较小的纯钴粉、纯镍粉、铌铁粉，既避免了熔点高难以熔化的问题，又在降低成本的同时制备出了性能更优异的熔覆层；

本发明方法所制备出的非晶涂层是在基体表面通过原始合金粉末原位合成的，而非预先制备好的非晶粉末，这减少了制备激光熔覆非晶涂层的工艺流程，提高了制备效率，节约了巨额的制备成本；

(4)现有技术中，在提高韧性和降低裂纹敏感性的同时，不可避免地造成熔覆层的强度损失，而本发明的制备方法在降低裂纹敏感性去除裂纹的同时，不损失或稍微提高非晶熔覆层的硬度；所述非晶熔覆层的平均维氏硬度HV0.1>750，最高可达823.7HV0.1；平均洛氏硬度高于62HRC，最高达65.6HRC；

(5)本发明在制备无裂纹激光熔覆非晶涂层时，采用的激光功率不高于3kW，而现有技术在如此低功率下无法制备出无裂纹的熔覆层，可见本发明方法能在提高激光熔覆层制备效率的同时，显著降低能耗，减少环境污染，有利于可持续发展；

(6)本发明使用宽带激光器制备无裂纹激光熔覆非晶涂层，且不需要外加预热设备，全部工艺流程可以利用激光器一体化完成，极大地提高了制备生产效率，有利于产业化发展。

附图说明

图1是本发明实施例1以第一预设工艺参数及其他工艺参数预熔基体后的表面形貌(a：4mm/s-0.5kW、b：2mm/s-0.5kW、c：4mm/s-0.8kW、d：4mm/s-0.3kW、e：7mm/s-0.5kW)。

图2是本发明实施例2制备获得的激光熔覆非晶涂层的表面形貌(a：单道熔覆5mm/s-2.0kW；b：熔覆5mm/s-2.0kW+重熔5mm/s-1.5kW；c：本发明方法，预熔4mm/s-0.5kW+熔覆5mm/s-2.0kW+重熔5mm/s-1.5kW)。

图3是本发明实施例2制备获得的激光熔覆非晶涂层的表面探伤效果(a：单道熔覆5mm/s-2.0kW；b：熔覆5mm/s-2.0kW+重熔5mm/s-1.5kW；c：本发明方法，预熔4mm/s-0.5kW+熔覆5mm/s-2.0kW+重熔5mm/s-1.5kW)。

图4是实施例3中制备方法制备获得的激光熔覆非晶涂层的XRD图谱。

图5是实施例4中制备方法制备获得的激光熔覆非晶涂层的维氏硬度。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

若未特别说明，本申请文件中的“％”为质量百分比。若未特别说明，本发明中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本发明中未提及的操作均为本领域的常规操作。

实施例1第一预设工艺(预熔步骤)参数的筛选

选用140(mm)×100(mm)×8(mm)的块状45#钢为基体，分别使用第一预设工艺参数(a:4mm/s+0.5kW)及其他工艺参数(b:2mm/s+0.5kW、c:4mm/s+0.8kW、d:4mm/s+0.3kW、e:7mm/s+0.5kW)进行预熔。激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为20L/min。

实施例1预熔后的基体表面形貌如图1所示。其中各预熔参数分别为a：4mm/s-0.5kW、b：2mm/s-0.5kW、c：4mm/s-0.8kW、d：4mm/s-0.3kW和e：6mm/s-0.5kW。可以看出，以第一预熔参数预熔的基体(图1中的a)表面无明显烧灼痕迹，而参数b下基体被烧灼至深黑色(图1中的b)，参数c时基体被烧灼至浅褐色(图1中的c)，这都是激光功率过高或者激光扫描速率过慢导致基体局部过热的结果。参数d(图1中的d)和参数e(图1中的e)下基体同样无明显烧灼痕迹，但利用此参数预熔一遍基体后，基体温度上升缓慢，要达到第一预设温度(150-250℃)所需时间太长，大大加长了熔覆层的制备周期。综合来看，以第一预设工艺参数进行预熔效率最高，且对熔覆层几乎无影响。

实时采集基体两端的局部温度，当基体两端温度在第一预设温度之间，立即以第二预设工艺参数进行激光熔覆；或

基体两端温度高于所述第一预设温度，冷却到所述第一预设温度时进行激光熔覆；或

基体两端温度低于所述第一预设温度，再次按照第一预设工艺参数预熔一次，实时采集合金基体两端的局部温度并重复前述步骤，直至温度维持于第一预设温度再进行激光熔覆。

熔覆结束后，待熔覆层冷却至第一预设温度，以第三预设工艺参数进行激光重熔。

实施例2

取六种原始金属粉末按质量百分比：18.00％Co、18.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe，进行称重配料。并置于混粉机中混合10h。粉末混合完后低温真空干燥3h，参照实施例1的方法在实施例1的尺寸为140(mm)×100(mm)×8(mm)的已预熔基体上制备熔覆层。各步骤参数分别为，(1)预熔参数为：4mm/s-0.5kW，保护氩气流速为20L/min；(2)熔覆参数为：5mm/s-2.0kW，保护氩气流速为15L/min；(3)重熔参数为：5mm/s-1.5kW，保护氩气流速为25L/min；激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm。其中，单道熔覆层只进行步骤(2)，重熔熔覆层只进行步骤(2)和(3)，利用本发明方法制备的激光熔覆非晶涂层进行步骤(1)、(2)和(3)。

实施例2制备的三种工艺下熔覆层宏观形貌见图2。图中，单道熔覆层(图2中的a)及重熔熔覆层(图2中的b)均具有良好的成形性，但单道熔覆层表面质量较差，存在明显的焊瘤、凹坑和熔流起伏痕迹，重熔熔覆层表面也存在少量凹坑和熔流起伏痕迹；而激光熔覆非晶涂层(图2中的c)表面光滑流畅、均匀有光泽，无明显焊瘤、凹坑及熔流起伏痕迹。整体来看，单道熔覆层的均匀性和表面光洁度一般；重熔熔覆层具有较好的均匀性和表面光洁度；本发明方法制得的激光熔覆非晶涂层的均匀性和表面光洁度最佳。所制备的单道熔覆层(图3中的a)、重熔熔覆层(图3中b)及激光熔覆非晶涂层(图3中的c)的表面探伤效果见图3。如图3所示，单道熔覆层表面的裂纹短、杂乱而密集，这类裂纹大多由夹杂或孔洞引发应力集中而产生，较多的裂纹源表明熔覆层内部存在较多的缺陷；而重熔熔覆层表面的裂纹长、连续而稀疏，裂纹源的减少表明熔覆层内部的夹杂、孔洞等缺陷减少；激光熔覆非晶涂层完全不存在裂纹。以下实施例3-4采用本发明方法制得的激光熔覆非晶涂层也具有优异的均匀性和表面光洁度，且完全不存在裂纹。

实施例3

取六种原始金属粉末按质量百分比：20.00％Co、20.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe，进行称重配料。并置于混粉机中混合10h。粉末混合完后低温真空干燥3h，参照实施例1的方法在尺寸为140(mm)×100(mm)×8(mm)的基体上制备熔覆层。各步骤参数分别为，(1)预熔参数为：4mm/s-0.5kW，保护氩气流速为20L/min；(2)熔覆参数为：5mm/s-2.0kW，保护氩气流速为15L/min；(3)重熔参数为：5mm/s-1.5kW，保护氩气流速为25L/min；激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm。其中，单道熔覆层只进行步骤(2)，重熔熔覆层只进行步骤(2)和(3)，利用本发明方法制备的激光熔覆非晶涂层进行步骤(1)、(2)和(3)。

实施例3制备的单道熔覆层、重熔熔覆层和激光熔覆非晶涂层的X射线衍射图谱见图4。图中，三种方法制备的熔覆层均由两个相结构组成：峰强度较高的α-Fe相和峰强度较低的Fe₂B相，且以α-Fe相为主。三种熔覆层均存在较为宽化的衍射峰，这表明熔覆层中存在非晶相。激光熔覆非晶涂层中α-Fe相的峰强度最低，表明该熔覆层中α-Fe相的晶粒最为细小。利用JADE软件进行模拟，激光熔覆非晶涂层具有最高的非晶含量，约为50％。实施例2-4采用本发明方法制得的激光熔覆非晶涂层的X射线衍射图谱与图4类似，无显著差异。

实施例4

取六种原始金属粉末按质量百分比：22.00％Co、22.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe，进行称重配料。并置于混粉机中混合10h。粉末混合完后低温真空干燥3h，参照实施例1的方法在尺寸为140(mm)×100(mm)×8(mm)的基体上制备熔覆层。

各步骤参数分别为，(1)预熔参数为：4mm/s-0.5kW，保护氩气流速为20L/min；(2)熔覆参数为：5mm/s-2.0kW，保护氩气流速为15L/min；(3)重熔参数为：5mm/s-1.5kW，保护氩气流速为25L/min；激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm。其中，单道熔覆层只进行步骤(2)，重熔熔覆层只进行步骤(2)和(3)，利用本发明方法制备的激光熔覆非晶涂层进行步骤(1)、(2)和(3)。

实施例4制备的单道熔覆层、重熔熔覆层和激光熔覆非晶涂层的显微维氏硬度如图5所示。实施例2-4中，采用本发明方法制得的激光熔覆非晶涂层具有最高的维氏硬度，平均为807.4HV_0.1，不同部位维氏硬度的波动最小，最高为823.7HV0.1。经测量，利用本发明方法制备的激光熔覆非晶涂层的洛氏硬度远高于工业指标(60HRC)，平均洛氏硬度高于62HRC，洛氏硬度最高达65.6HRC。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种无裂纹激光熔覆非晶涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预熔：以第一预设工艺参数预熔基体，并保持在第一预设温度；

所述第一预设工艺参数为：激光扫描速率为3～6mm/s，激光功率为0.3～0.6kW；

第一预设工艺参数根据合金基体类别进行选择，所选择的第一预设工艺参数应确保所述合金基体表面在预熔过后无明显烧损痕迹；

(2)熔覆：以第二预设工艺参数将涂层材料激光熔覆于步骤(1)预熔后的基体表面形成熔覆层；

所述第二预设工艺参数为：激光扫描速率为3～10mm/s，激光功率为1.5～3.0kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为10～25L/min，预置粉末厚度为1mm；

所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：18.00～22.00％Co、18.00～22.00％Ni、2.00～6.00％B、2.00～6.00％Si、2.00～10.00％Nb、余量为Fe；

(3)重熔：待熔覆层表面温度降至第一预设温度，以第三预设工艺参数重熔熔覆后的基体，冷却；

所述第三预设工艺参数为：激光扫描速率为5～15mm/s，激光功率为1.0～2.5kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速10～25L/min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一预设工艺参数为：激光扫描速率为4mm/s，激光功率为0.5kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为20L/min。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一预设温度为150～250℃；步骤(1)中实时采集所述基体两端的局部温度，1)当基体两端温度在所述第一预设温度之间，立即进行步骤(2)的激光熔覆；或2)基体两端温度高于所述第一预设温度，冷却到所述第一预设温度时进行步骤(2)的激光熔覆；或3)基体两端温度低于所述第一预设温度，再次按照第一预设工艺参数预熔一次，实时采集合金基体两端的局部温度并重复前述步骤，直至温度维持于第一预设温度再进行激光熔覆。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二预设工艺参数为：激光扫描速率为5mm/s，激光功率为2.0kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为15L/min，预置粉末厚度为1mm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第三预设工艺参数为：激光扫描速率为5mm/s，激光功率为1.5kW，激光聚焦光斑尺寸为14mm×1.5mm，保护氩气流速为25L/min。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：18.00％Co、18.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe，或

所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：20.00％Co、20.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe，或

所述涂层材料为铁基合金粉末，其粒度为150目-250目，该铁基合金粉末组分的质量百分比为：22.00％Co、22.00％Ni、4.00％B、2.00％Si、4.00％Nb、余量为Fe。

7.权利要求1-6任一所述的制备方法制得的无裂纹激光熔覆非晶体涂层。