CN110424007A - 一种金属表面形成激光熔覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属表面形成激光熔覆层的方法，包括以下操作步骤：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15‑0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；将处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320‑350℃；预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。

Description

一种金属表面形成激光熔覆层的方法
技术领域
本发明涉及金属表面覆层制备技术领域，具体为一种金属表面形成激光熔覆层的方法。
背景技术
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔覆，是一种新的表面改性技术。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，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、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
但是当前的激光熔覆技术自诞生以来，总的来讲未能使其得以真正推广应用。这主要因为激光熔覆中存在的最为棘手的问题是熔覆层的裂纹与开裂，并在很大程度上限制了这一技术的应用范围。激光熔覆裂纹产生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和急冷作用，使熔覆层中产生极人的热应力。通常情况下，激光熔覆层的热应力为拉应力，当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹，由子激光熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易子产生应力集中，裂纹往往在这些地方产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属表面形成激光熔覆层的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属表面形成激光熔覆层的方法，包括以下操作步骤：
S1：金属基材表面预处理：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15-0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；
S2：预置熔覆材料：取适量的镍材料粉末3-9份，铬材料粉末13-18份，氧化硅粉末0.8-1.5份，硼材料粉末0.05-0.09份，轻稀土材料0.03-0.07份、铋锡合金粉末1.5-3份和磁铁粉末0.2-0.5份混合后，加入润滑剂1.2-2.5份和适量的水玻璃溶液制成糊状的熔覆材料，将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；
S3：预热：将S2)中处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320-350℃；
S4：激光熔化：预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；
S5：后热处理：待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。
优选的，所述熔覆材料包括镍材料粉末8份，铬材料粉末15份，氧化硅粉末1.2份，硼材料粉末0.07份，轻稀土材料0.05、铋锡合金粉末1.9份，磁铁粉末0.4份和润滑剂1.5份。
优选的，所述轻稀土材料为镧、铈、镨、钕、钷中的一种或两种以上混合物。
优选的，所述铋锡合金中铋占合金总成分的58％，锡占合金总成分的42％；铋锡合金粉末颗粒粒径为60μm。
优选的，所述熔覆涂层的厚度为1.2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中在熔覆材料中加入铋锡合金，铋锡合金熔点交底，可以减缓涂层中的应力集中，降低开裂倾向；并且在熔覆材料中添加了稀土材料，可以增加涂层韧性，使激光熔覆过程中熔覆层裂纹明显减少；同时加入了磁铁材料，在匀强磁场中进行激光熔覆，磁铁材料使得熔覆材料与金属材料结合更加紧密，使得涂覆均匀，激光熔覆过程中效果更加均匀，防止开裂。
具体实施方式
下面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做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。
实施例1：一种金属表面形成激光熔覆层的方法，包括以下操作步骤：
S1：金属基材表面预处理：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15-0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；
S2：预置熔覆材料：取适量的镍材料粉末3-9份，铬材料粉末13-18份，氧化硅粉末0.8-1.5份，硼材料粉末0.05-0.09份，轻稀土材料0.03-0.07份、铋锡合金粉末1.5-3份和磁铁粉末0.2-0.5份混合后，加入润滑剂1.2-2.5份和适量的水玻璃溶液制成糊状的熔覆材料，将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；
S3：预热：将S2)中处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320-350℃；
S4：激光熔化：预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；
S5：后热处理：待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。
进一步的，所述熔覆材料包括镍材料粉末8份，铬材料粉末15份，氧化硅粉末1.2份，硼材料粉末0.07份，轻稀土材料0.05、铋锡合金粉末1.9份，磁铁粉末0.4份和润滑剂1.5份。
进一步的，所述轻稀土材料为镧、铈、镨、钕、钷中的一种或两种以上混合物。
进一步的，所述铋锡合金中铋占合金总成分的58％，锡占合金总成分的42％；铋锡合金粉末颗粒粒径为60μm。
进一步的，所述熔覆涂层的厚度为1.2mm。
实施例2：一种金属表面形成激光熔覆层的方法，包括以下操作步骤：
S1：金属基材表面预处理：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15-0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；
S2：预置熔覆材料：取适量的镍材料粉末3-9份，铬材料粉末13-18份，氧化硅粉末0.8-1.5份，硼材料粉末0.05-0.09份，轻稀土材料0.03-0.07份、铋锡合金粉末1.5-3份和磁铁粉末0.2-0.5份混合后，加入润滑剂1.2-2.5份和适量的水玻璃溶液制成糊状的熔覆材料，将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；
S3：预热：将S2)中处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320-350℃；
S4：激光熔化：预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；
S5：后热处理：待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。
进一步的，所述熔覆材料包括镍材料粉末4份，铬材料粉末13份，氧化硅粉末1份，硼材料粉末0.09份，轻稀土材料0.07、铋锡合金粉末1.5份，磁铁粉末0.3份和润滑剂1.5份。
实施例2与上述实施例材料、加工步骤相同，不同之处在于两者所使用的熔覆材料的配比不同。
实施例3：
一种金属表面形成激光熔覆层的方法，包括以下操作步骤：
S1：金属基材表面预处理：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15-0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；
S2：预置熔覆材料：取适量的镍材料粉末3-9份，铬材料粉末13-18份，氧化硅粉末0.8-1.5份，硼材料粉末0.05-0.09份，轻稀土材料0.03-0.07份、铋锡合金粉末1.5-3份和磁铁粉末0.2-0.5份混合后，加入润滑剂1.2-2.5份和适量的水玻璃溶液制成糊状的熔覆材料，将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；
S3：预热：将S2)中处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320-350℃；
S4：激光熔化：预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；
S5：后热处理：待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。
进一步的，所述熔覆材料包括镍材料粉末3份，铬材料粉末18份，氧化硅粉末1.5份，硼材料粉末0.09份，轻稀土材料0.07、铋锡合金粉末2.5份，磁铁粉末0.5份和润滑剂2份。
实施例3与上述实施例材料、加工步骤相同，不同之处在于两者所使用的熔覆材料的配比不同。
按实施例1-3中所述配比与方法对金属表面进行加工形成的激光熔覆层，对其耐磨性、抗氧化性和表面光滑度等方面进行测试，结果通过A、B、C、D进行评定，如下表所示：
实施例 耐磨性 抗氧化性 表面光滑度
实施例1 A A A
实施例2 B A C
实施例3 C B A
由表中可以看出，按照实施例1中所述配比与方法对金属表面进行加工形成的激光熔覆层，在其耐磨性、抗氧化性和表面光滑度方面效果都较好；按照实施例2中所述配比与方法对金属表面进行加工形成的激光熔覆层，在其抗氧化性方面效果较好；按照实施例3中所述配比与方法对金属表面进行加工形成的激光熔覆层，在其表面光滑度方面效果较好。
本发明中在熔覆材料中加入铋锡合金，铋锡合金熔点交底，可以减缓涂层中的应力集中，降低开裂倾向；并且在熔覆材料中添加了稀土材料，可以增加涂层韧性，使激光熔覆过程中熔覆层裂纹明显减少；同时加入了磁铁材料，在匀强磁场中进行激光熔覆，磁铁材料使得熔覆材料与金属材料结合更加紧密，使得涂覆均匀，激光熔覆过程中效果更加均匀，防止开裂。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种金属表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1：金属基材表面预处理：将金属材料固定后，通过砂纸和磨轮对金属材料表面进行打磨，使得金属材料表面粗糙度Ra为0.15-0.2μm，然后使用丙酮和乙醇混合物清洗金属材料表面，最后用清水冲洗，干燥放置；
S2：预置熔覆材料：取适量的镍材料粉末3-9份，铬材料粉末13-18份，氧化硅粉末0.8-1.5份，硼材料粉末0.05-0.09份，轻稀土材料0.03-0.07份、铋锡合金粉末1.5-3份和磁铁粉末0.2-0.5份混合后，加入润滑剂1.2-2.5份和适量的水玻璃溶液制成糊状的熔覆材料，将熔覆材料均匀的涂覆在金属材料表面，使得熔覆材料在金属表面形成均匀的熔覆涂层，静置自然晾干；
S3：预热：将S2)中处理后的金属材料放入高温反应釜中进行预热，预热温度为320-350℃；
S4：激光熔化：预热15min后，将金属材料转移至匀强磁场环境中，并通入惰性气体，然后才有激光器对金属表面熔覆材料进行激光熔化；
S5：后热处理：待熔覆材料彻底熔化成膜以后，自然冷却，得到所述的金属表面的激光熔覆层。
2.根据权利要求1所述的一种金属表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于：所述熔覆材料包括镍材料粉末8份，铬材料粉末15份，氧化硅粉末1.2份，硼材料粉末0.07份，轻稀土材料0.05、铋锡合金粉末1.9份，磁铁粉末0.4份和润滑剂1.5份。
3.根据权利要求1所述的一种金属表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于：所述轻稀土材料为镧、铈、镨、钕、钷中的一种或两种以上混合物。
4.根据权利要求1所述的一种金属表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于：所述铋锡合金中铋占合金总成分的58％，锡占合金总成分的42％；铋锡合金粉末颗粒粒径为60μm。
5.根据权利要求1所述的一种金属表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于：所述熔覆涂层的厚度为1.2mm。
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