CN112575326A - 一种控制激光表面合金化过程中wc颗粒与基材扩散界面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法。将基材预热至280℃‑300℃，获得熔池形貌及温度信息，包括测量出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，单道合金化层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，熔池定点温度变化曲线与固相线截距t及熔池平均冷却速率ξ，根据1.4≤a/b≤2.2，30ms≤t≤80ms，且5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数优化；优化的激光表面合金化工艺窗口：激光功率为700‑950W，光斑直径为2～2.5mm，扫描速度为15‑18mm/s，送粉量为3‑5g/min，搭接量65%；获得WC颗粒与基材扩散界面良好且无裂纹的合金化试样。
Description
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法。
背景技术
激光表面合金化是一种表面工程技术，以高能激光束为热源将基材快速加热熔化，并将增强粉末(如WC等)注入熔池，从而形成以原基材为基的新表面合金化层。该技术可有效改变材料表面的组织结构、理化特性与机械性能，赋予廉价基材更优异的表面性能，从而取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料，大幅度降低成本。以WC颗粒为增强材料进行激光表面合金化是提升金属表面性能最常用的表面改性方法之一。经合金化后，金属零件的表面硬度、耐磨性及使用寿命均得到提高。然而，WC颗粒为陶瓷相，一方面，其与金属基材热物性差别大，另一方面，WC颗粒熔点高，与基材难以形成扩散界面，导致其与基材结合性差、容易剥落及甚至产生裂纹等。因此，控制WC颗粒与金属基材之间的扩散界面至关重要。
本发明提供一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，该方法能在保证合金化层内部质量的情况下，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的合金化试样，进而提高合金化层的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法。
一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对基材进行预热处理，预热至280℃-300℃；
步骤二：采用热成像仪对激光表面合金化过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取单道合金化层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，并计算出熔池的平均冷却速率ξ，以及熔池定点温度变化曲线与固相线的截距t。
步骤三：根据1.4≤a/b≤2.2，5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s ，且30ms≤t≤80ms原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得优化的激光表面合金化工艺窗口：激光功率为800-1200W，光斑直径为2～2.5mm，扫描速度为16-22mm/s，送粉量为4-6g/min，搭接量60%。
步骤五：按优化工艺参数进行激光表面合金化，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的合金化试样。
在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.08，单个数据采集时间为1ms；
在步骤五中，合金化粉末由质量比为95%碳化钨粉末、3.5%氧化钇粉末与1.5%纯铬粉的混合粉末组成，粉末粒径为15-45μm；
在步骤五中，扫描路径为单向路径；
所述的模具钢，包括冷作模具钢(如Cr12MoV)、热作模具钢(如H13)和塑料模具钢(如40Cr)。
本发明通过大量实验验证，根据1.4≤a/b≤2.2，5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s，且30ms≤t≤80ms原则对工艺参数进行优化与选取，获得的优化工艺参数如下：激光功率为800-1200W，光斑直径为2～2.5mm，扫描速度为16-22mm/s，送粉量为4-6g/min，搭接量60%；按优化工艺参数进行激光表面合金化，一方面，可保证表面合金化过程中熔池足够的能量输入及熔池寿命，以有助于WC颗粒与基材界面扩散的发生；另一方面确保熔池获得较高的冷却速率，有效细化凝固显微结构。此外，在碳化钨粉末中加入3.5%氧化钇粉末与1.5%纯铬粉，粉末粒径为15-45μm，表面改性过程中，氧化钇粉末的加入会进一步凝固组织及减小热裂纹，与纯铬粉通过与熔池中的氧气发生原位反应生成高熔点的氧化铝陶瓷颗粒，高熔点的颗粒在熔池凝固过程中为晶粒或枝晶的形核提供异质形核点，进而细化组织及避免热裂纹，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的合金化试样，WC颗粒与基体之间的扩散层厚度可达3-5可达。本发明通过对激光表面合金化工艺参数的严格控制，在保证合金化层内部质量的情况下，可有效控制WC颗粒与基材扩散界面，增强WC颗粒与基体的结合强度，进而提高试样的力学性能。
附图说明
图1为现有方法得到的WC增强激光表面合金化试样金相图；
图2为本发明得到的WC增强激光表面合金化试样金相图。
具体实施方式
实施例1
以H13模具钢为例。
步骤一：对H13模具钢基材进行预热处理，预热至285℃。
步骤二：采用热成像仪对激光表面合金化过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取单道合金化层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，并计算出熔池的平均冷却速率ξ，以及熔池定点温度变化曲线与固相线的截距t。
步骤三：根据1.4≤a/b≤2.2，5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s ，且30ms≤t≤80ms原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得优化的激光表面合金化工艺窗口：激光功率为900W，光斑直径为2.3mm，扫描速度为18mm/s，送粉量为5.5g/min，搭接量60%；合金化粉末为95%碳化钨粉末、3.5%氧化钇粉末与1.5%纯铬粉的混合粉末，粉末粒径为15-45μm。
步骤五：按优化工艺参数进行激光表面合金化，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的合金化试样，平均扩散层厚度约为4μm。
图1为采用已有方法所获得的激光表面合金化试样金相图。WC颗粒中存在大量裂纹，且WC颗粒边界几乎不存在扩散层，这表明WC颗粒与基材并未形成冶金结合，界面结合能力较差，这对承载情况下的试样的服役性能是非常不利的。
图2为采用本发明实施例1所获得的激光表面合金化试样金相图。WC颗粒边界与基材存在明显的扩散层，这表明采用本发明方法后WC颗粒与基材形成冶金结合，界面结合性好，有利于试样力学性能的提升。上述结果表明，采用本发明方法可以有效地提高WC颗粒与基材的界面结合性能，进而提高合金化层的力学性能。
实施例2
以40Cr模具钢为例。
步骤一：对40Cr模具钢基材进行预热处理，预热至295℃。
步骤二：采用热成像仪对激光表面合金化过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取单道合金化层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，并计算出熔池的平均冷却速率ξ，以及熔池定点温度变化曲线与固相线的截距t。
步骤三：根据1.4≤a/b≤2.2，5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s ，且30ms≤t≤80ms原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得优化的激光表面合金化工艺窗口：激光功率为1000W，光斑直径为2.5mm，扫描速度为20mm/s，送粉量为5.8g/min，搭接量60%。合金化粉末为95%碳化钨粉末、3.5%氧化钇粉末与1.5%纯铬粉的混合粉末，粉末粒径为15-45μm。
步骤五：按优化工艺参数进行激光表面合金化，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的40Cr模具钢合金化试样，平均扩散层厚度约为4.5μm。
Claims (5)
1.一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对基材进行预热处理，预热至280℃-300℃；
步骤二：采用热成像仪对激光表面合金化过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取单道合金化层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，并计算出熔池的平均冷却速率ξ，以及熔池定点温度变化曲线与固相线的截距t；
步骤三：根据1.4≤a/b≤2.2，5.5×103℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s，且30ms≤t≤80ms原则对工艺参数进行优化；
步骤四：获得优化的激光表面合金化工艺窗口：激光功率为800-1200W，光斑直径为2～2.5mm，扫描速度为16-22mm/s，送粉量为4-6g/min，搭接量60%；
步骤五：按优化工艺参数进行激光表面合金化，获得WC颗粒与基材扩散界面良好的合金化试样。
2.根据权利要求1所述的一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于：在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.08，单个数据采集时间为1ms。
3.根据权利要求1所述的一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于：在步骤五中，合金化粉末由质量比为95%碳化钨粉末、3.5%氧化钇粉末与1.5%纯铬粉的混合粉末组成，粉末粒径为15-45μm。
4.根据权利要求1所述的一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于：在步骤五中，扫描路径为单向路径。
5.根据权利要求1所述的一种控制激光表面合金化过程中WC颗粒与基材扩散界面的方法，其特征在于：所述的模具钢，是冷作模具钢、热作模具钢或塑料模具钢。
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