CN110938819A - 一种提升熔覆层性能的激光处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提升熔覆层性能的激光处理方法，属于激光加工技术领域，具体包括三大步骤：步骤一，对金属基体表面磨抛和清洗，用去污剂除去表面油污，准备进行激光熔覆处理；步骤二，设定激光扫描工艺路径和铺粉尺寸参数，对金属基体表面进行激光熔覆加工；步骤三，设定激光重熔参数对熔覆层表面进行激光重熔。与现有技术相比，本发明取得的技术突破在于不仅可以一步实现熔覆层孔隙率的降低，进一步提高熔覆层表面的耐磨性能，而且可以实现熔覆层任意区域的大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。

Description

一种提升熔覆层性能的激光处理方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种提升熔覆层性能的激光处理方法。
研究背景
激光熔覆是一种表面改性涂层技术，是利用一定功率密度的激光束作用在预先涂覆在金属表层或同步送入的具有某种功能性的材料(通常以粉末，细丝等形式)上，使熔覆材料和金属表层熔化并凝固冷却后，在金属表层形成一层具有低稀释率并具有良好的冶金结合的熔覆层，从而达到改善金属表层性能的目的。
激光表面熔覆较常规的表面改性技术具有许多优点，如能够实现涂层和基底的冶金结合,增大亚稳固溶度，形成亚稳相，细化晶粒，消除一些有害相，甚至可以作为生产非晶态合金涂层的有效手段。
与此同时在激光熔覆过程中，由于激光束温度分布不均匀导致生成的熔池表面张力不同，从而产生马兰戈尼对流。对流过程中，空气或者保护气体不可避免的会混入熔覆层内，导致熔覆层产生孔隙影响熔覆层性能。虽然可以通过优化工艺参数的方法降低熔覆层孔隙率，但是很难从原理上完全消除气孔缺陷，尤其对于特殊添加材料而言，如陶瓷颗粒等，更容易在熔覆液态熔池中产生气孔。
激光重熔技术是利用高能量激光束使工件表面快速熔化凝固且不加任何金属元素从而达到表面组织改善的激光加工工艺。激光重熔处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化和凝固的过程，所得到的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向可以根据组织不同分为熔凝层、热影响区和基材，其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，甚至可以直接使用。已有研究表明通过激光重熔金属基体表面可以把基体表面的杂质，气孔分解出来，进一步提高金属的表面性能。
因此通过激光重熔的方式来降低熔覆层表面孔隙率，并形成一种工艺简单，制备效率高，自动化程度高，且能保持并提高原有激光熔覆层表面性能的制造工艺方法，成为目前科研工作者亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升熔覆层性能的激光处理方法。该方法将激光熔覆技术与激光重熔技术相结合，克服现有技术的不足，降低了激光熔覆层孔隙率以及提升了熔覆层耐磨性。为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种提升熔覆层性能的激光处理方法，包括如下步骤
预处理，对待熔覆金属基体表面磨抛和清洗，用去污剂除去表面油污。
进一步的，将预处理好的金属基体放在激光熔覆加工平台上，设定激光扫描工艺路径和铺粉尺寸参数，对金属基体表面进行激光熔覆加工。
进一步的，将熔覆成形好的构件放在纳秒光纤激光器加工平台上，设定重熔参数进行激光重熔实验，待重熔完成后进行成品检测，合格即可使用。
进一步的，所述熔覆粉末质量百分数组成：①C为0.1％～0.5％，Cr为10％～30％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.2％～1％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。②C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。③C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，V为0.1％～0.5％余量为Fe。
进一步的，所述各组分为纯度大于99％的粉末，粒径为95～110目。
进一步的，所述的激光重熔平台处于室温下氩气气氛。
进一步的，所述的激光重熔参数：
激光功率P，200W≤P≤300W；
激光扫描速度V，250mm/s≤V≤350mm/s；
光斑直径φ，50μm≤φ≤100μm；
搭接率为J，40％≤J≤60％。
进一步的，所述的激光重熔加工路径为“弓”字型。
本发明的突出效果是：
通过激光熔覆与激光重熔相结合的方法有效的弥补了激光熔覆技术的缺陷，使得到的熔覆层具有较低的孔隙率以及更高的耐磨性能。低的孔隙率以及优良的耐磨性，大大提升了工件的服役性能及寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用纳秒激光器在金属熔覆层表面进行激光重熔，一步实现熔覆层孔隙率的降低，与现有的电场、磁场、超声波辅助制造相比，工艺简单且进一步提高熔覆层表面的耐磨性能；
(2)本发明加工方法效果不局限于降低熔覆层孔隙率，提高熔覆层的耐磨性。合适的重熔参数还能降低熔覆层表面粗糙度，使得熔覆层无需二次加工达到抛光的效果。
(3)本发明工艺简单，制备效率高，自动化程度高，绿色环保，可实现熔覆层任意区域的大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明未采用激光重熔方式加工的熔覆层微观表面；
图3为本发明采用激光重熔方式加工的熔覆层微观表面；
图4为本发明采用激光重熔方式加工的熔覆层与未加工的熔覆层的摩擦系数曲线；
图5为本发明未采用激光重熔方式加工的熔覆层经摩擦磨损实验后的扫描电镜图片；
图6为本发明采用激光重熔方式加工的熔覆层经摩擦磨损实验后的扫描电镜图片。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
本发明一种提升熔覆层性能的激光处理方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤一，预处理：使用不同粒度的砂纸依次打磨抛光金属基体表面，用去污剂(如丙酮)除去表面油污。
步骤二，将步骤一得到的金属基体放在激光熔覆加工平台上，设定激光扫描工艺路径和铺粉尺寸参数，对金属基体表面添加熔覆粉末进行激光熔覆加工得到所需构件。
步骤三，将步骤二中熔覆成形好的构件置于纳秒光纤激光器加工平台上，设定重熔参数和加工路径进行激光重熔实验，待重熔完成后进行成品检测，合格即可使用。
本实施例中，步骤一所述的熔覆粉末质量百分数组成：
①C为0.1％～0.5％，Cr为10％～30％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.2％～1％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。
②C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。
③C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，V为0.1％～0.5％余量为Fe。
本实施例中，步骤三所述的激光重熔参数：
激光功率P，200W≤P≤300W；
激光扫描速度V，250mm/s≤V≤350mm/s；
光斑直径φ，50μm≤φ≤100μm；
搭接率为J，40％≤J≤60％。
本实施例中，所述得到的未采用激光重熔方式加工的熔覆层微观表面如图2所示，而采用激光重熔方式加工的熔覆层微观表面如图3所示。对比图2与图3可知，经过激光重熔的熔覆层表面孔隙(图中黑点)率明显降低，且重熔表面组织均匀。
本实施例中，未采用与采用激光重熔方式加工的熔覆层的干滑动摩擦系数曲线如图4所示。对比可知，经过激光重熔加工过的熔覆层摩擦系数约为0.56，小于未经激光重熔加工的熔覆层摩擦系数0.68；
本实施例中，未采用激光重熔方式加工的熔覆层经摩擦磨损实验后的扫描电镜图片如图5所示，采用激光重熔方式加工的熔覆层经摩擦磨损实验后的扫描电镜图片如图6所示，对比图5与图6可知，经过激光重熔后熔覆层经摩擦磨损实验后的表面的剥离率降低，磨痕较浅，且剥离的犁沟形貌并不明显，可见其耐磨性显著提高。
本发明的上述实施例是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式，凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于具有如下步骤：
步骤一，预处理：对金属基体表面磨抛和清洗，用去污剂除去表面油污；
步骤二，将步骤一得到的金属基体放在激光熔覆加工平台上，设定激光扫描工艺路径和铺粉尺寸参数，对金属基体表面添加熔覆粉末进行激光熔覆加工得到所需构件；
步骤三，将步骤二中熔覆成形好的构件置于纳秒光纤激光器加工平台上，设定重熔参数和加工路径进行激光重熔实验，待重熔完成后进行成品检测，合格即可使用。
2.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，所述步骤二熔覆粉末的粒度为95～110目，质量百分数组成：C为0.1％～0.5％，Cr为10％～30％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.2％～1％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，所述步骤二熔覆粉末质量百分数组成：C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，所述步骤二熔覆粉末质量百分数组成：C为0.5％～1.0％，Cr为10％～30％，B为0.5％～2％，Si为0.5％～2％，Ni为1％～3％，Mn为0.1％～0.2％，Mo为0.5％～2％，V为0.1％～0.5％余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，步骤三所述的激光重熔平台处于室温下氩气气氛。
6.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，步骤三所述的激光重熔参数：
激光功率P，200W≤P≤300W；
激光扫描速度V，250mm/s≤V≤350mm/s；
光斑直径φ，50μm≤φ≤100μm；
搭接率为J，40％≤J≤60％。
7.根据权利要求1所述的一种提升熔覆层性能的激光处理方法，其特征在于，步骤三所述的激光加工路径为“弓”字型。
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