CN109778180B - 一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，用于解决现有技术中铜/钢的激光异种焊接容易产生铜渗透裂纹的技术问题，包括：步骤一，备料：准备镍基合金粉末和铜合金粉末；步骤二，烘干：烘干镍基合金粉末和铜合金粉末；步骤三，钢表面预处理：清洗钢表面，干燥钢表面；步骤四，熔覆过渡层：喷射镍基合金粉末至钢表面，以激光加热镍基合金粉末至其熔化并覆盖在钢表面上，形成过渡层；步骤五，熔覆铜合金：喷射铜合金粉末至钢表面，以激光加热铜合金粉末至其熔化并覆盖在钢表面上；步骤六，冷却凝固：对熔覆后的金属进行冷却至液态金属凝固。实施本发明的技术方案可实现提高熔覆层的耐腐蚀和耐磨性能，控制铜渗透裂纹的技术效果。

Description

一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，特别涉及一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法。

背景技术

激光熔覆是一种利用高能激光束作用于预先涂覆在金属表面或采用同步送入的粉末上，使之快速加热并快速凝固形成良好冶金结合的方法。和传统的表面强化及修复技术相比，激光熔覆具有精度高，效率高，形成冶金结合强度高等优点，可以满足一些结构复杂同时又要求高精度、高结合强度部件的再制造修复的需求。将铝青铜通过激光熔覆在Q235钢上，可以提高碳钢的腐蚀性，扩大其应用前景，但是在铜-铁的激光熔覆过程中铜渗透裂纹是很难避免的，因为铜合金经激光加热至液态后会与钢产生润湿作用，并沿着钢的奥氏体晶界渗透，产生渗透裂纹。这种裂纹产生于靠近碳钢的熔合线处并向钢材热影响区扩展，属于“液态金属脆化”一种现象。只要熔覆过程中温度高于铜合金的熔点，铜-铁两相润湿就会进行，当拉应力达到材料极限时就会产生渗透裂纹，而铜在裂纹尖端的聚集又会导致裂纹的继续扩展，这也限制了铜/钢的激光异种焊接以及激光熔覆手段。

因此，需要一种控制铜渗透裂纹的激光熔覆方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，包括：步骤一，备料：准备镍基合金粉末和铜合金粉末；步骤二，烘干：烘干所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末；步骤三，钢表面预处理：清洗所述钢表面，干燥所述钢表面；步骤四，熔覆过渡层：喷射所述镍基合金粉末至所述钢表面，以激光加热所述镍基合金粉末至其熔化并覆盖在所述钢表面上，形成过渡层；步骤五，熔覆铜合金：喷射所述铜合金粉末至所述钢表面，以激光加热所述铜合金粉末至其熔化并覆盖在所述钢表面上；步骤六，冷却凝固：对熔覆后的金属进行冷却至液态金属凝固。

优选地，所述镍基合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Ni 50-55％、Cr 17-21％、Nb 4.75-5.5％、Mo 2.8-3.3％、Co 0.5-1.5％、Al 0.2-0.8％、Ti 0.7-1.15％、Si0.25-0.45％、Mn 0.25-0.45％、C 0.05-0.08％、S 0.005-0.02％、Cu 0.1-0.5％，余量为Fe。

优选地，所述铜合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Al 0.6-0.9％，Fe0.72-0.95％，Mn 0.001-0.005％，余量为铜。

优选地，步骤二包括，将所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末加热至55-85℃，在真空环境下保温1-2小时。

优选地，步骤三还包括，打磨待加工的钢表面。

优选地，步骤三中，清洗所述钢表面包括用丙酮对所述钢表面进行超声清洗。

优选地，步骤四和步骤五中，激光功率不低于2KW，扫描速度不高于6mm/s。

优选地，步骤四和步骤五中，输送所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末的气流为氩气，流量不低于7L/min。

优选地，步骤四和步骤五中，所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末的送粉速度之比为在(0.55:1，1:1)范围内。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中铜/钢的激光异种焊接容易产生铜渗透裂纹的技术问题；实施本发明的技术方案，通过设置镍基合金过渡层，减缓液态铜和钢表面的润湿，可实现控制铜渗透裂纹的技术效果；使用铝青铜合金，提高熔覆层的耐腐蚀和耐磨性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种具体实施方式的激光熔覆方法流程图；

图2为未使用镍基过渡层的熔覆效果图；

图3为未使用镍基过渡层熔覆铜渗透裂纹示意图；

图4为未本发明的一种具体实施方式的熔覆界面示意图1；

图5为未本发明的一种具体实施方式的熔覆界面示意图2。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-熔覆层；2-钢表面；3-界面；4-混合区；5-渗透裂纹。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，如图1、图4和图5所示，包括：步骤一，备料：准备镍基合金粉末和铜合金粉末；步骤二，烘干：烘干镍基合金粉末和铜合金粉末；步骤三，钢表面2预处理：清洗钢表面2，干燥钢表面2；步骤四，熔覆过渡层：喷射镍基合金粉末至钢表面2，以激光加热镍基合金粉末至其熔化并覆盖在钢表面2上，形成过渡层；步骤五，熔覆铜合金：喷射铜合金粉末至钢表面2，以激光加热铜合金粉末至其熔化并覆盖在钢表面2上；步骤六，冷却凝固：对熔覆后的金属进行冷却至液态金属凝固。

现有技术中，如图2和图3所示，直接使用铜合金粉末进行激光熔覆，熔覆层1冷却后，在熔覆层1和钢表面2之间，有明显的混合区4。未腐蚀的钢表面2中，可以看到铜沿着晶界向下渗透形成的渗透裂纹5。

在该具体实施方式中，用户也可以根据激光熔覆环境、钢表面2腐蚀程度等选择合适的镍基合金粉末和铜合金粉末组分及各组分质量分数。步骤二中，干燥合金粉末，可以避免激光熔覆过程中粉末中的水份蒸发导致熔覆层1厚度不一或合金液体溅射到熔覆设备上、损坏熔覆设备，提高装置可靠性。用户可以根据天气、温度、粉末组分等参数选择合适的烘干温度的时间，以达到干燥效果的同时降低能耗。步骤三中，可以使用水、有机溶剂对钢表面2进行清洗，其后进行干燥，提高熔覆层1质量，步骤四和步骤五中，先在钢表面2熔覆镍过渡层，待镍过渡层冷却固化后，在镍过渡层上熔覆铝青铜熔覆层，铝青铜金属粉末熔覆过程中，由于铜和镍可以形成无限固溶体，减缓铜润湿钢表面2的速度，通过选择合适的镍基合金粉末和铜合金粉末配比，可以获得较强性能的熔覆层1并且控制铜渗透裂纹5的产生。

在一种优选的实施方式中，镍基合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Ni50-55％、Cr 17-21％、Nb 4.75-5.5％、Mo 2.8-3.3％、Co 0.5-1.5％、Al 0.2-0.8％、Ti0.7-1.15％、Si 0.25-0.45％、Mn 0.25-0.45％、C 0.05-0.08％、S 0.005-0.02％、Cu 0.1-0.5％，余量为Fe。

在一种优选的实施方式中，铜合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Al 0.6-0.9％，Fe 0.72-0.95％，Mn 0.001-0.005％，余量为铜。

在该具体实施方式中，镍基合金粉末和铜合金粉末组分及各组分质量分数如下：

镍基合金粉末组分及各组分质量分数为：Ni 55％、Cr 20％、Nb 5.15％、Mo3.1％、Co 1.1％、Al 0.7％、Ti 0.95％、Si 0.25％、Mn 0.25％、C 0.06％、S 0.015％、Cu0.3％、Fe 13.125％；铜合金粉末组分及各组分质量分数为：Al 0.75％，Fe 0.72％，Mn0.003％、Cu 98.527％。使用铝青铜粉末，形成的熔覆层1强度高并且耐金属间摩擦性能好，利于提升熔覆工件的使用寿命。铝青铜在海水中易于生成Cu₂O钝化膜，具有较好的耐海水腐蚀性，可以用于海洋领域涡轮、水泵、阀门等金属间摩擦磨损零件的修复。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤二包括，将镍基合金粉末和铜合金粉末加热至55-85℃，在真空环境下保温1-2小时。在该具体实施方式中，将金属粉末在烘干箱中70℃保温1.5h，烘干镍基合金粉末和铜合金粉末。使用真空干燥机干燥合金粉末，可以逐步提高真空度，控制合金粉末中水份的蒸发速度，保温时间根据合金粉末的组分、湿度等参数选择。

在一种优选的实施方式中，如图1、图4和图5所示，步骤三还包括，打磨待加工的钢表面2。在该具体实施方式中，用户可以对钢表面2进行机械打磨后使用砂纸打磨，根据目标熔覆层1厚度、钢表面2粗糙程度等参数选择砂纸目数，以优化钢表面2平整度，使合金粉末融化后在钢表面2形成厚度均匀的金属液体，以提高熔覆层1质量，避免钢表面2部分区域厚度过薄或未被熔覆，提高熔覆层1对钢表面2的保护效果。

在一种优选的实施方式中，如图1、图4和图5所示，步骤三中，清洗钢表面2包括用丙酮对钢表面2进行超声清洗。丙酮为强极性溶剂，大部分的有机污渍容易溶解在丙酮中，利于清除钢表面2上的污渍，使用超声清洗可以加快污渍溶解过程，提升清洁质量，并提升生产效率。

在一种优选的实施方式中，如图1、图4和图5所示，步骤四和步骤五中，激光功率不低于2KW，扫描速度不高于6mm/s。在该具体实施方式中，步骤四中，激光功率为4KW，扫描速度为2mm/s，光斑大小为6mm*19mm；步骤五中，激光功率为4KW，扫描速度3mm/s，，光斑大小6mm*19mm。激光功率越低，合金粉末的熔融速度越慢，生产效率越低，因此设置激光功率不低于2KW；扫描速度过快时，部分合金粉末可能来不及熔融，导致熔覆层1中出现气泡，降低熔覆层1质量，扫描速度过慢时，光斑区域受到的辐射能量过高，可能导致钢表面2熔融，因此设置扫描速度上限为6mm/s，下限根据光斑大小、激光功率，合金粉末量选择，以达到最优的激光熔覆效果。

在一种优选的实施方式中，如图1、图4和图5所示，步骤四和步骤五中，输送镍基合金粉末和铜合金粉末的气流为氩气，流量不低于7L/min。在该具体实施方式中，步骤四与步骤五中的氩气流量均设置为10L/min。使用氩气作为载气，避免载气与合金粉末发生反应，利于提高熔覆层1质量。载气流量过低时，可能导致金属粉末在达到预定区域前沉降，导致熔覆层1厚度过薄，降低熔覆质量。

在一种优选的实施方式中，如图1、图4和图5所示，步骤四和步骤五中，镍基合金粉末和铜合金粉末的送粉速度之比为在(0.55:1，1:1)范围内。在该具体实施方式中，镍基合金粉末与铜合金粉末的送粉速度均为12.58g/min。镍基合金粉末量过低时，对于铜渗透的控制效果差，镍基合金粉末量过多时，熔覆层1的耐腐蚀性、耐磨性效果较差，用户可以根据钢表面2材质、应用场景等参数选择送粉速度比。

图4和图5为使用本发明方法进行激光熔覆的熔覆层1与钢表面2交界处示意图，界面3处形成了良好的冶金结合，没有产生渗透裂纹5，同时也没有出现混合区4，也就是意味着熔覆层1中的铜没有向钢表面2渗透。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，包括：

步骤一，备料：准备镍基合金粉末和铜合金粉末；

步骤二，烘干：烘干所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末，所述镍基合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Ni 50-55％、Cr 17-21％、Nb 4.75-5.5％、Mo 2.8-3.3％、Co 0.5-1.5％、Al 0.2-0.8％、Ti 0.7-1.15％、Si 0.25-0.45％、Mn 0.25-0.45％、C 0.05-0.08％、S 0.005-0.02％、Cu 0.1-0.5％，余量为Fe，所述铜合金粉末包含以下元素及重量百分比含量：Al 0.6-0.9％，Fe 0.72-0.95％，Mn 0.001-0.005％，余量为铜；

步骤三，钢表面预处理：清洗所述钢表面，干燥所述钢表面；

步骤四，熔覆过渡层：喷射所述镍基合金粉末至所述钢表面，以激光加热所述镍基合金粉末至其熔化并覆盖在所述钢表面上，形成过渡层；

步骤五，熔覆铜合金：喷射所述铜合金粉末至所述钢表面，以激光加热所述铜合金粉末至其熔化并覆盖在所述钢表面上；

步骤六，冷却凝固：对熔覆后的金属进行冷却至液态金属凝固；

激光功率不低于2KW，扫描速度不高于6mm/s。

2.根据权利要求1所述的一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，步骤二包括，将所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末加热至55-85℃，在真空环境下保温1-2小时。

3.根据权利要求2所述的一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三还包括，打磨待加工的钢表面。

4.根据权利要求3所述的一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，清洗所述钢表面包括用丙酮对所述钢表面进行超声清洗。

5.根据权利要求4所述的一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，步骤四和步骤五中，输送所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末的气流为氩气，流量不低于7L/min。

6.根据权利要求5所述的一种控制铜渗透裂纹产生的激光熔覆方法，其特征在于，步骤四和步骤五中，所述镍基合金粉末和所述铜合金粉末的送粉速度之比为在(0.55:1，1:1)范围内。

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