CN110552004A - 一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括：1，设置位置参数，激光束与基材夹角，调整丝材与基材之间角度，丝材端部与激光束中心距离，调整保护气喷嘴与基材夹角，恒流电源的正极通过线缆连接到丝材上部，负极通过线缆连接至基材；2，设置操作参数，设置侧吹保护气流量，丝材送进速度，激光输出功率，激光束斑点直径，工作台行走速度，预热电流；3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，形成耐磨复合层。本方法使用外加辅助热源预热丝材，在较小的激光热输入下实现熔覆，避免丝材熔覆过程的未熔化及熔覆层与基材之间的未熔合现象，减少粉芯丝材中陶瓷颗粒增强相的烧损，提高复合熔覆层的抗磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于激光材料加工技术，更加具体的说，是应用在激光熔覆及修复领域。具体涉及一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法。
背景技术
近年来，随着对机械零件实效机理的研究，结果表明工件磨损失效主要发生在零件与环境介质接触的表面，随着零件与环境介质接触时间的增加，零件表面长期受到外部作用力并产生磨损现象，随着磨损时间的增加，零件表面产生的裂纹等缺陷会延伸至零件内部进而导致工件的整体失效。可以发现，若可以提高材料表面层的抗磨损性能，最大限度的避免零件基体材料与环境介质的严苛接触，可以有效提高零件的耐磨性，进而改善构件的整体服役性能和使用寿命。从这一角度考虑，利用表面工程技术可以对机械零件的表面进行改性，在工件表面制备一层具有耐腐蚀、抗磨损、抗氧化等性能的涂层，使零件在保持原有材料整体性能(强度、韧性等)足够的情况下，获得良好的表面性能，进而最大限度的提高零件的性能和寿命。熔覆层材料一般有合金材料及金属与陶瓷复合材料等，其中，陶瓷材料作为一种无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、高耐磨性、抗氧化等优点，是一种理想的耐腐蚀抗磨损材料。在金属基体中加入陶瓷颗粒获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可以充分发挥金属材料塑性与韧性的优势，也可以充分利用陶瓷颗粒高硬度、高耐磨性等优点，自上个世纪70年代产生并逐渐得到了广泛关注。
由于陶瓷颗粒增强金属基复合材料在零件表面改性制造和关键部位零部件的表面修复等领域有十分广阔的应用前景，国内外同行对其进行了广泛的研究与应用。其中，根据热源及制备工艺的不同可以分为热喷涂法，堆焊法以及激光熔覆技术等。热喷涂技术是采用某种高温热源，将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，通过焰流使其雾化，加速喷射在零件表面，经过快速冷却凝固沉积在零件表面形成涂层的工艺方法。现阶段在工业领域内应用较多的是火焰喷涂技术和等离子喷涂技术。火焰喷涂技术具有操作简单、技术成熟、效率高等优点，但是复合层与基材的结合以机械结合为主，陶瓷颗粒与基体材料的结合强度并不理想，颗粒在服役过程中容易剥落进而造成涂层耐磨损强度严重下降。等离子喷涂技术操作也相对简单，与火焰喷涂相比涂层与基体的结合强度更高，结合质量较高。但是等离子喷涂制备的涂层与基体的结合仍然以机械结合为主，涂层与基体的结合强度并不理想。并且，由于等离子焰流具有很高的温度，容易导致陶瓷颗粒的烧损，使得涂层不能够达到较高的高耐磨性能。此外，等离子喷枪在工作过程中会产生很大的噪声和较强的紫外辐射，不符合绿色制造模式。堆焊法根据热源种类的不同可以分为钨极氩弧堆焊技术和等离子弧堆焊技术等。由于钨极氩弧堆焊技术具有可操作性强，灵活性好，成本低廉的优点，在制备耐磨涂层领域应用较广。但是钨极氩弧堆焊的热输入较大，所以稀释率较大，容易形成粗大的晶体组织，对基体材料的性能影响较大，在一定程度上限制了其发展和应用。与氩弧熔覆及热喷涂技术相比，激光熔覆技术以高能激光束作为热源，照射在熔覆材料及基体上使其熔化，经过冷却凝固后获得与基体形成良好冶金结合的熔覆层。由于激光能量的热输入可以精确控制，可以制备稀释率低，熔覆层与基材结合强度高的复合涂层。另外，由于激光热输入可以精确控制，可以实现在小的热输入下获得熔覆层，这样可以有效减少熔覆过程中由于热输入过大导致的陶瓷颗粒烧损，可显著提高熔覆层的抗磨损性能。在此之外，激光熔覆技术方便灵活，可以对多种零件表面进行熔覆，加工效率高，是一种绿色高效的表面改性技术，并且在制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合熔覆层方面有突出的优势，因此受到了广泛的关注。根据熔覆材料形式的不同，激光熔覆技术可以分为粉末式和丝材式，根据粉末添加方式的不同又可以分为预置铺粉法和同步送粉法。其中预置铺粉法是一种两步骤方法，制备涂层过程繁琐，难以实现自动化，加工效率低下，在实际工业生产中正逐步淘汰。现在使用较多的是同步送粉法，主要是因为同步送分可以实现自动化生产，加工效率较高。但是送粉法的局限性在于在实际生产过程中，粉末的利用率很低，约在20-40％，大部分的粉末需要回收。另外，在熔覆过程中，粉末中包含的气体极易在熔覆层中形成气孔、夹渣等缺陷，严重影响熔覆层的使用性能。在此之外，在加工过程中，粉末会发生爆破飞溅等现象，会产生粉尘，污染操作环境，由于熔覆材料大多是金属或陶瓷材料，这会对操作者的身体健康造成伤害。
近年来，随着激光熔覆技术的发展，基于送丝式的激光熔覆技术越来越受到关注。以丝材代替粉末材料，可以有效解决粉末式熔覆技术材料利用率不高的问题，若在合适的工艺窗口下，基于送丝式的激光熔覆技术的材料利用率最高可以达到100％，这大大减少了材料的浪费。另外，基于送丝式的激光熔覆技术自动化程度高，生产效率高，适合实际生产的大规模应用。由于送丝式激光熔覆技术在工业领域具有巨大的应用价值，国内外很多研究机构和学者都对此进行了深入的探索。
但是在现阶段，使用送丝式激光熔覆技术制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的困难主要存在以下两个方面。从一方面讲，送丝式激光熔覆技术使用的熔覆材料主要是实心金属丝材，但是在这种情况下，作为增强相的陶瓷颗粒无法添加进熔池，也无法获得复合耐磨涂层。另一方面，要防止增强相陶瓷颗粒的烧损，在激光加工过程中，需要一个较低的热输入，但是在较低的激光热输入下，丝材难以熔化，在加工过程中容易出现扎丝及未熔合的现象，导致熔覆层抗磨损性能下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，
针对现有激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合涂层工艺方面的局限性，提出了一种新的基于外加辅助热源的送丝式高效激光熔覆技术，可成功制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨涂层。
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为15～20°，所述丝材端部与激光束中心距离在0～2mm，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到所述丝材上部，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至所述基材；
所述丝材为粉芯丝材，所述粉芯丝材由填充物及外层金属构成，所述填充物为陶瓷颗粒及其他合金粉末材料，所述外层金属为纯金属或不锈钢材料；
所述基材为低碳钢、不锈钢或合金；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气流量10L/min～20L/min，所述丝材送进速度1mm/s到30mm/s(丝材送进速度根据预热电流及激光功率的大小进行选择)，激光输出功率800W～2000W，激光束斑点直径3mm～5mm，工作台行走速度1mm/s～20mm/s，预热电流50A～120A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层。
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
上述技术方案中，所述步骤1，所述丝材由送丝管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为10mm～25mm。
上述技术方案中，所述步骤1，将所述恒流电源的正极通过线缆连接到送丝管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接到与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接。
上述技术方案中，所述侧吹保护气为氩气或氦气。
上述技术方案中，所述步骤3，进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束。
上述技术方案中，所述步骤1中，所述填充物陶瓷颗粒及其他合金粉末材料，其中陶瓷颗粒为碳化钨陶瓷粉末、碳化钨陶瓷颗粒、碳化钛陶瓷颗粒或碳化铌陶瓷颗粒，合金粉末为硼、硅、镍或铁；所述外层金属为镍基，铁基或不锈钢。
本发明所述的基于外加辅助热源的送丝式高效激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的基本过程介绍如下。如附图1所示，选择粉芯丝材作为熔覆材料，粉芯丝材由填充物及外层金属构成，填充物为陶瓷颗粒及其他合金粉末材料，外层为纯金属或不锈钢材料。基材2被放置与三维工作台1上，通过三维工作台1可实现基材2的左右及上下移动。采用前置送丝方式进行送丝，前置送丝的含义是指，当固定激光束6位置不动时，使工作台11远离(向右移动)丝材5即为前置送丝，换句话说是使得丝材5始终处于熔池4的前方。保持送丝管3与基材2之间的夹角α在15～20度之间，保持侧吹保护气喷嘴8与基材2之间的夹角在45度左右。在打开激光光闸前，首先打开辅助热源及侧吹保护气开关。在准备完毕后，打开激光光闸，送丝机同步开始送丝。激光束6由激光头7射出并照射在基材4上，基材吸收激光能量后形成熔池，随后丝材插入熔池4中，由辅助热源12、丝材5及基材2组成的电流回路接通，由于电阻热效应，丝材5被辅助热源12预热，根据需要可以调节辅助电源电流的大小来达到所需要的预热温度。粉芯丝材中所填充的陶瓷增强颗粒在丝材插入熔池的过程中分散在熔池中，随着工作台的移动及丝材的不断送进，熔池凝固进而形成了陶瓷颗粒增强的金属基耐磨熔覆层。
本发明的优点和有益效果为：
针对现有激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合涂层工艺方面的局限性，提出了一种新的基于外加辅助热源的送丝式高效激光熔覆技术。利用粉芯丝材作为熔覆材料，陶瓷颗粒及其他合金粉末作为丝材粉芯填充物，丝材外皮作为基体金属材料。利用激光束照射基材产生熔池，在丝材送入熔池前，利用辅助热源将丝材端部加热至一定温度，并在熔池热的作用下熔化，随着工件的或激光束的移动，形成熔覆层。该方法结合了送丝技术及送粉技术的特点，在不用外加送粉器的条件下，可成功制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨涂层。另外由于外加辅助热源的作用，一方面可以使激光热输入减小，最大限度的减小陶瓷颗粒的烧损。另一方面，预热丝材可以增加丝材外皮对激光的吸收率，使得在较低的激光功率小就能使得丝材熔化，避免了丝材未熔化及熔覆层与基体间未熔合的现象。总之，在外加辅助热源的情况下，利用送丝式激光熔覆技术成功得到了成形良好的复合耐磨熔覆层。
与现有激光熔覆工艺比较，本发明的创新点主要在于在激光熔覆过程中使用了外加辅助热源预热丝材，在较小的激光热输入下可顺利实现熔覆，可避免丝材熔覆过程的未熔化及熔覆层与基材之间的未熔合现象。并且，通过外加复合热源的使用，可以降低激光输出功率，可以大大减少粉芯丝材中陶瓷颗粒增强相的烧损，进而有效提高复合耐磨熔覆层中的残余陶瓷颗粒的含量，最终可提高复合熔覆层的抗磨损性能。
这种外加辅助热源的送丝式激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合涂层的技术具有材料使用率高，生产效率高，自动化程度高，绿色高效等优点，对于在工业领域内实现机械零件的表面熔覆及修复具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的加工方法原理示意图。
其中，1为三维工作台，2为基材，3为送丝铜管，4为熔池，5为丝材，6为激光束，7为激光加工头，8为侧吹保护气喷嘴，9为凝固后的复合熔覆层，10为熔覆层中分布的陶瓷颗粒，11为三维工作台行走方向即熔覆方向，12为外加的辅助电源，13为送丝铜管与辅助电源正极线缆间的固定装置，在此之外定义了送丝管与基材，侧吹保护气喷嘴与基材之间的夹角，α为送丝管与基材之间的夹角，β为侧吹保护气喷嘴与基材之间的夹角。
图2是本发明的加工方法实际装置等轴测图示。其中1为三维工作台，2为基材，3为送丝铜管，5为粉芯丝材，7为激光头，8为侧吹保护气喷嘴，9为凝固后的陶瓷颗粒增强金属基复合层，12为外加辅助电源，13为送丝铜管与辅助电源正极线缆间的固定装置，14为基材夹紧装置，是为了固定三维工作台1上的基材2。
图3是本发明的加工方法实际装置正视图。其中，1是三维工作台，3是送丝铜管，5是粉芯丝材，7是激光头，8是侧吹保护喷嘴，9是是凝固后的陶瓷颗粒增强金属基复合层，12是外加辅助电源，13是送丝铜管与辅助电源正极线缆间的固定装置。
图4是利用本发明的加工方法制备的单道激光熔覆层。(1)对比例,(2)实施例1,(3)实施例2,(4)实施例3,(5)实施例4,(6)实施例5。
图5是本发明实施例2获得的单道熔覆层纵向截面的金相图。
图6是表面磨损形貌图：其中(a)本发明实施例2获得的复合涂层磨损表面形貌图，图6(b)是基材(低碳钢，Q345)的表面磨损形貌图；
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度5mm/s，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流50A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
实施例二
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度5mm/s(丝材送进速度根据预热电流及激光功率的大小进行选择)，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流55A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
实施例三
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度5mm/s(丝材送进速度根据预热电流及激光功率的大小进行选择)，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流60A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
实施例四
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度6mm/s(丝材送进速度根据预热电流及激光功率的大小进行选择)，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流70A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
实施例五
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度6mm/s，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流80A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
对比例
一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，采用的激光光源为Nd:YAG固体激光器，输出激光的波长为1064nm，激光光斑为圆形，设置激光光斑直径为4mm，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为20°，所述丝材端部指向激光束光斑前沿，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到送丝铜管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接；
所述丝材为Ni-WC型粉芯丝材，具体是指丝材外层金属为镍(Ni)基，而填充物采用碳化钨(WC)陶瓷粉末。碳化钨陶瓷颗粒具有高熔点，高硬度，高耐磨等优良特性，。而且碳化钨陶瓷颗粒与镍(Ni)有良好的润湿性，在高温下镍基体与碳化钨陶瓷颗粒可形成冶金反应层，使得增强相与基体结合牢固，不易脱落，选择丝材直径为1.6mm,外层镍基金属壁厚0.3mm；
所述基材为低碳钢(型号Q345),其长为100毫米，宽80毫米，厚10毫米；
所述恒流电源作为预热所述丝材的外加电源；
所述丝材由送丝铜管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为20mm。
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气(氩气)流量20L/min，所述丝材送进速度5mm/s(丝材送进速度根据预热电流及激光功率的大小进行选择)，激光输出功率1000W，激光束斑点直径4mm，工作台行走速度2mm/s，预热电流0A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层；
进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束；
前置送丝模式进行激光熔覆可以防止凝固后的熔覆层与丝材碰撞而产生的熔覆缺陷。
进行单道激光熔覆试验，所得到的单道熔覆层宏观形貌如图4所示。图4(1)是使用激光功率为1000W,送丝速度为5mm/s，工作台行走速度为2mm/s,预热电流为0A时得到的单道熔覆层形貌。可以看到在熔覆层表面出现了许多突刺，这些突刺的产生是因为在熔覆的过程中，激光热输入小，而送丝速度大，使得在小的激光热输入下，送进熔池的丝材未能完全熔化而导致的。为了避免丝材未熔化缺陷，但是又希望在小的激光热输入下获得光滑无缺陷的熔覆层，外加辅助电源对丝材的预热作用起到了帮助。设置激光功率为1000W,丝材送进速度为5mm/s,工作台行走速度为2mm/s，预热电流为50A,得到的单道熔覆层如图4(2)所示，与图4(1)预热电流为0A时比较，可以发现，虽然熔覆层表面的突刺现象有了明显的改善，但是熔覆层表面仍比较粗糙，可以发现微小的突刺。继续加大预热电流，将预热电流大小调整为55A，得到的单道熔覆层宏观样貌如图4(3)所示，与预热电流为0A和50A得到的熔覆层相比较，可以发现熔覆层表面的突刺缺陷已经完全消失，熔覆层光滑，无缺陷。当继续把预热电流增加为60A时得到的单道熔覆层如图4(4)所示，可以发现在预热电流为60A时得到的熔覆层光滑无缺陷。将送丝速度增加为6mm/s，保持激光功率为1000W及工作台行走速度2mm/s保持不变，预热电流分别设置为70A和80A时得到的单道熔覆层如图4(5)和图4(6)所示，可以发现在预热电流为70A和80A时，即使增加了送丝速度也可以得到光滑无缺陷的熔覆层。为了观察在辅助热源的作用下，熔覆层内的增强相碳化物陶瓷颗粒的分布情况及含量，将熔覆层3(预热电流为55A，实施例2)沿纵向切开，其宏观金相图如图5所示，可以发现碳化物陶瓷颗粒分布密集均匀，可大大提高复合熔覆层的抗磨损性能。
图6(a)是利用本发明技术(操作参数：激光功率1000W,送丝速度5mm/s,工作台行走速度2mm/s,预热电流55A)获得的复合涂层表面磨损形貌图。而图6(b)是基材低碳钢Q345的表面磨损形貌图。(利用MM-2000摩擦磨损仪获得的基材低碳钢及复合涂层的表面磨损形貌，磨损时间60min,磨轮转速200转/min)。通过对比分析可以发现，复合涂层的磨损体积为0.16mm3,而基材的磨损体积为6.58mm3,可知通过本发明获得的复合涂层可将工件的耐磨损强度提高近41倍。
根据本发明内容进行操作参数的调试，均可实现基于外加辅助热源的送丝式激光高效熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的制备，熔覆层表面光滑致密，无突刺裂纹等缺陷，熔覆层内陶瓷颗粒分布均匀密集，可有效提高复合熔覆层的抗磨损性能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设置位置参数，夹紧基材，激光束与所述基材夹角为90°，调整丝材与基材之间的角度为15～20°，所述丝材端部与激光束中心距离在0～2mm，调整保护气喷嘴与基材之间的夹角在45°，恒流电源的正极通过线缆连接到所述丝材上部，将所述恒流电源的负极通过线缆连接至所述基材；
所述丝材为粉芯丝材，所述粉芯丝材由填充物及外层金属构成，所述填充物为陶瓷颗粒及其他合金粉末材料，所述外层金属为纯金属或不锈钢材料；
所述基材为低碳钢、不锈钢或合金；
步骤2，设置操作参数，设置侧吹保护气流量10L/min～20L/min，所述丝材送进速度1mm/s到30mm/s，激光输出功率800W～2000W，激光束斑点直径3mm～5mm，工作台行走速度1mm/s～20mm/s，预热恒流电源的电流50A～120A；
步骤3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，最终形成耐磨复合层。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤1，所述丝材由送丝管送进，所述丝材伸出所述送丝管的长度为10mm～25mm。
3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述步骤1，将所述恒流电源的正极通过线缆连接到送丝管上部的螺旋套管上，并保证可靠连接，将所述恒流电源的负极通过线缆连接到与工件紧密接触的夹具上，并保证可靠连接。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述侧吹保护气为氩气或氦气。
5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤3，进行激光熔覆时，先打开所述恒流电源和侧吹保护气，再打开激光束。
6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤1中，所述填充物陶瓷颗粒及其他合金粉末材料，其中陶瓷颗粒为碳化钨陶瓷粉末、碳化钨陶瓷颗粒、碳化钛陶瓷颗粒或碳化铌陶瓷颗粒，合金粉末为硼、硅、镍或铁；所述外层金属为镍基，铁基或不锈钢。
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