CN112941507B - 一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法 - Google Patents

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    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
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    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明提供一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，包括如下步骤：步骤1，对金属基体的表面进行预处理，得到表面光洁无污渍的金属基体；步骤2，按照1:19～1:1的质量配比称取烘干后的WC粉末和Ni625粉末，而后进行预定时间的混粉处理，得到混合粉末；步骤3，利用送粉器将混合粉末置于表面光洁无污渍的金属基体的表面，同时在具有保护气体的环境下进行激光熔覆，得到具有减振降噪性能的熔覆涂层；步骤4，对熔覆涂层进行自然冷却，而后采用磨床进行表面磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层。本发明不仅能提升金属基体的减振降噪性能，同时也能提升其表面的物理化学性能，增加金属基体的使用寿命，并且在批量化加工生产上有很大的优势。

Description

一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法
技术领域
本发明涉及一种减振降噪涂层的加工方法，具体涉及一种基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法。
背景技术
目前设备的减振降噪方法大多是直接更换材料或者改进结构等方法，本发明针对现有减振降噪方法提出一种新的表面改性方案。随着人们不断加深对表面改性技术的研究，利用表面改性技术强化表面性能的应用越来越普及。表面改性技术包括反应离子刻蚀、激光加工、喷丸技术等，它们通过改变基体表面的结构和性能，或者利用高能量激光束改变表层的微观组织或在基体的表面熔覆上一层新的材料，从而达到改善零部件表面性能的目的，这就叫做表面改性技术。通过这项表面改性技术，新的功能材料涂层表面可能会具备新的性能，如耐磨、减振、耐腐蚀等。由此可见通过激光熔覆来达到表面改性是非常有意义的研究。例如：铸铁作为重要的工程材料起到了非常关键的作用。尽管其力学性能不如钢，但是铸铁有着更为突出的特点。有资料显示，近些年在所有可铸件使用量中，铸铁件占近7/10,而且呈持续上升趋势。因为铸铁材料具有成本低廉、加工简单、抗磨及减振性能好等优点，汽车制动系统中的刹车盘大多采用铸铁材料。车辆的高速和重载运行要求车辆制动盘具有耐高温、耐磨、摩擦系数稳定等性能。但是，当车辆在制动时，制动盘和刹车片的摩擦会引发不同程度的振动，这种不稳定的振动会辐射出噪声，产生的振动与噪声不仅降低了驾驶员的驾驶舒适感，还会对周围环境产生声污染。
对汽车制动振动和噪声的产生机理和控制的研究已经有近百年的历史了。但是，到目前为止不论学术界还是汽车企业界都没有彻底消去摩擦制动振动和噪声的有效方法，尽管研究人员已经采取了很多理论模拟和实验研究方法，比如：有限元仿真分析、结构优化、改进制动盘和刹车片的材料配方，以及对制动盘和片的表面开沟槽或打孔，等等。可是这个问题依然没有得到很好解决，目前汽车零部件供应商和整车厂每年都花费大量人力、物力和财力，用来解决汽车摩擦制动噪声和振动的问题。因此，发明一种绿色和有效的减振降噪方法用来消去或大大减小摩擦制动噪声和振动，具有重要意义。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法。
本发明提供了一种基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，用于对金属表面进行激光熔覆加工，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，对金属基体的表面进行预处理，得到表面光洁无污渍的金属基体；步骤2，按照1:19～1:1的质量配比称取烘干后的WC粉末和Ni625粉末，而后进行预定时间的混粉处理，得到混合粉末；步骤3，利用送粉器将混合粉末置于表面光洁无污渍的金属基体的表面，同时在具有保护气体的环境下进行激光熔覆，得到具有减振降噪性能的熔覆涂层；步骤4，对熔覆涂层进行自然冷却，而后采用磨床进行表面磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，金属基体为铸铁或不锈钢，预处理具体包括如下子步骤：首先采用砂纸磨掉金属基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的金属基体。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，称取粉末之前采用烘干机对WC粉末和Ni625粉末分别在100℃的温度下进行2小时的烘干处理。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，WC粉末和Ni625粉末的质量配比为1:9。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，混粉处理的时间为2小时。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，送粉器为气体同步式送粉器，激光器为TruDisk4002碟片式激光器，保护气体为氩气。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，送粉器的送粉盘转速为4.1r/min～5.0r/min，复合粉末的送粉气体流量为4.0L/min～5.8L/min，进行激光熔覆时的激光光斑直径为4mm，激光功率为500W～4000W，扫描速度为200mm/min～1000mm/min，且扫描轨迹为连续轨迹即螺旋线型工艺加工，保护气体的流量为15.1L/min～16.0L/min。
在本发明提供的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，减振降噪涂层的厚度为1mm～2mm。
发明的作用与效果
本发明的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，采用了激光熔覆技术，并选择WC粉末和Ni625粉末为涂层材料，由于镍合金有优良的防腐蚀性能和耐高温性能，而WC的硬度很高且很耐磨，所以熔覆层具有耐腐蚀、高硬度、结合性好和减振降噪的特点。此外，由于目前的激光熔覆技术发展比较成熟，可以用于批量生产加工，且激光器与其它自动化加工设备配套使用也很方便，同时，激光器与计算机辅助生产系统和设计系统配合，能快速地加工出产品，降低成本，并进而实现产业化。
因此，本发明的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，不仅能提升金属表面的减振降噪性能，同时也能提升涂层表面的物理化学性能，增加熔覆表面使用寿命，并且在批量化加工生产上有很大的优势。
附图说明
图1是本发明的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法示意图；
图2是本发明的实施例中进行熔覆加工后的未经磨削处理的熔覆涂层的实物图；
图3是本发明的实施例中进行熔覆加工后的经磨削处理的熔覆涂层的实物图；
图4是本发明的实施例中加工完成后的具有熔覆涂层的铸铁盘与无涂层盘的摩擦噪声对比图；
图5是本发明的实施例中加工完成后的具有熔覆涂层铸铁盘与无涂层盘的振动加速度频谱对比图；
图6是本发明的实施例中加工完成后的具有熔覆涂层铸铁盘与无涂层盘的残余应力对比图；
图7是本发明的实施例中加工完成后的具有熔覆涂层铸铁盘与无涂层盘的平均磨损量对比图；
图8是本发明的实施例中加工完成后的具有熔覆涂层铸铁盘的扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
如图1所示，本发明提供一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，包括如下步骤：
步骤1，对金属基体的表面进行预处理，得到表面光洁无污渍的金属基体。
本发明中，金属基体为铸铁、不锈钢或其它金属材料，并且预处理具体包括如下子步骤：首先采用砂纸磨掉金属基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的金属基体。
步骤2，按照一定的质量配比称取烘干后的WC粉末和Ni625粉末，而后进行2小时的混粉处理，得到复合粉末。
本发明中，WC粉末和Ni625粉末的质量配比为1:19～1:1。
本发明中，称取粉末之前采用烘干机对WC粉末和Ni625粉末分别在100℃的温度下进行2小时的烘干处理。
步骤3，利用送粉器将复合粉末置于表面光洁无污渍的金属基体表面，同时在具有保护气体的环境下进行激光熔覆，得到激光熔覆涂层。
本发明中，送粉器为气体同步式送粉器，激光器为德国通快公司(TRUMPF)生产的TruDisk4002碟片式激光器，保护气体为氩气，此外，在进行激光熔覆时采用的激光熔覆工作台上的机械手臂为六轴类机械手臂，数控驱动系统用它来作为执行机构来产生相应动作，在数控系统中输入相应的程序就可以对驱动系统和执行机构发出指令，对熔覆过程中的扫描路径和速度进行控制。
此外，复合粉末的送粉气体流量为4.0L/min～5.8L/min，进行激光熔覆时的激光光斑直径为4mm，激光功率为500W～4000W，扫描速度为200mm/min～1000mm/min，且扫描轨迹为连续轨迹即螺旋线型工艺加工，保护气体的流量为15.1L/min～16.0L/min。
步骤4，对激光熔覆涂层和金属基体进行自然冷却，而后采用磨床进行表面磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层。
本发明中，减振降噪涂层的厚度为1mm～2mm，使得具有该厚度的涂层减振降噪效果较好。
以下实施例中均采用灰铸铁HT250为熔覆的金属基体，并且在进行激光熔覆时均采用螺旋线型工艺，共加工10圈，且每一圈在加工时进给1.8mm，表1列出4个具体的激光熔覆参数。
表1激光熔覆的加工参数
Figure BDA0002923661510000071
<实施例1>
步骤1，采用砂纸磨掉灰铸铁HT250的基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的铸铁盘。
步骤2，称取50g烘干后的WC粉末和50g烘干后的Ni625粉末，而后进行2小时的混粉处理，得到复合粉末。
步骤3，采用同步式送粉器并在送粉盘转速为4.3r/min的速度下将复合粉末置于表面光洁无污渍的铸铁的表面，而后在通有氩气且氩气流量为15.5L/min的环境下采用TruDisk4002碟片式激光器以800W的激光功率和500mm/min的扫描速度进行激光熔覆，在铸铁盘上得到1#激光熔覆涂层，如图2所示。其中，熔覆的ni625和WC粉末的送粉气体流量为5.2L/min。
步骤4，对激光熔覆涂层和铸铁基体进行自然冷却，而后采用磨床对涂层表面进行磨削处理，得到表面光滑的具有减振降噪的涂层1#，如图3所示。
<实施例2>
步骤1，采用砂纸磨掉灰铸铁HT250基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的铸铁盘。
步骤2，称取30g烘干后的WC粉末和70g烘干后的Ni625粉末，而后进行2小时的混粉处理，得到复合粉末。
步骤3，采用同步式送粉器并在送粉盘转速为4.4r/min的速度下将复合粉末置于表面光洁无污渍的铸铁基体表面，而后在通有氩气且氩气流量为15.3L/min的环境下采用TruDisk4002碟片式激光器以1400W的激光功率和660mm/min的扫描速度进行激光熔覆，在铸铁盘上得到2#涂层，如图2所示。其中，熔覆的ni625和WC粉末的送粉气体流量为4.2L/min。
步骤4，对激光熔覆涂层和铸铁基体进行自然冷却，而后采用磨床对涂层表面进行磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层2#，如图3所示。
<实施例3>
步骤1，采用砂纸磨掉灰铸铁HT250基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的铸铁盘。
步骤2，称取15g烘干后的WC粉末和85g烘干后的Ni625粉末，而后进行2小时的混粉处理，得到复合粉末。
步骤3，采用同步式送粉器并在送粉盘转速为4.2r/min的速度下将复合粉末置于表面光洁无污渍的铸铁表面，而后在通有氩气且氩气流量为15.7L/min的环境下采用TruDisk4002碟片式激光器以1850W的激光功率和560mm/min的扫描速度进行激光熔覆，在铸铁盘上得到3#涂层，如图2所示。其中，熔覆的ni625和WC粉末的送粉气体流量为4.0L/min。
步骤4，对激光熔覆涂层和铸铁基体进行自然冷却，而后采用磨床对涂层表面进行磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层3#，如图3所示。
<实施例4>
步骤1，采用砂纸磨掉灰铸铁HT250基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的铸铁盘。
步骤2，称取10g烘干后的WC粉末和90g烘干后的Ni625粉末，而后进行2小时的混粉处理，得到复合粉末。
步骤3，采用同步式送粉器并在送粉盘转速为4.5r/min的速度下将复合粉末置于表面光洁无污渍的铸铁的表面，而后在通有氩气且氩气流量为15.1L/min的环境下采用TruDisk4002碟片式激光器以2000W的激光功率和600mm/min的扫描速度进行激光熔覆，在铸铁盘上得到4#涂层，如图2所示。其中，熔覆的ni625和WC粉末的送粉气体流量为5.4L/min。
步骤4，对激光熔覆涂层和铸铁基体进行自然冷却，而后采用磨床对涂层表面进行磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层4#，如图3所示。
将实施例1～实施例4制备得到的减振降噪铸铁盘1#、2#、3#、4#与未加工的铸铁盘0#进行噪声频谱对比、振动加速度频谱对比、残余压应力对比以及平均磨损量对比，如表2-表5、图4-图7所示。
图4为未加工的0#铸铁盘与减振降噪铸铁盘1#、2#、3#、4#的噪声频谱对比图，图5为未加工的0#铸铁盘与减振降噪铸铁盘1#、2#、3#、4#的振动加速度频谱对比图，图6为未加工的0#铸铁盘与减振降噪铸铁盘1#、2#、3#、4#的残余应力对比图；图7为未加工的0#铸铁盘与减振降噪铸铁盘1#、2#、3#、4#的平均磨损量对比图。
表2激光熔覆盘与未加工盘噪声频谱对比表
Figure BDA0002923661510000111
表3激光熔覆盘与未加工盘振动加速度频谱对比表
Figure BDA0002923661510000112
表4激光熔覆盘与未加工盘的残余压应力对比表
Figure BDA0002923661510000113
表5激光熔覆盘与未加工盘的平均磨损量对比表
Figure BDA0002923661510000114
Figure BDA0002923661510000121
实施例的作用与效果
根据图3、图4、表1、表2以及实施例1至实施例4可知，当当WC粉末和Ni625的粉末质量配比由1：1变化至1:9时，噪声频谱以及振动加速度的频率均集中在一个固定值，噪声主频均在1900HZ。振动加速度主频也集中在800HZ为主。
根据图3、图4、表1、表2以及实施例1至实施例4可知，当当WC粉末和Ni625的粉末质量配比由1:1变化至1:9时，噪声幅值和加速度幅值均呈递减趋势，和无涂层试样相比，每个具有涂层的试样的振动和噪声都有非常明显的减小，尤其4号涂层的减振降噪效果最为突出。
由上可知，当WC粉末和Ni625的粉末质量配比为1:9，且激光功率为2000w，扫描速度为600mm/min时，得到具有涂层的4#铸铁盘的噪声以及振动加速度均最低，从而可知4#铸铁盘的涂层减振降噪性能最优。
由图6以及表4可知，无论是从径向还是切向分析，残余压应力均呈上升的趋势，尤其是经过熔覆后的1#-4#试样与未加工试样相对比残余压应力得到了大幅度提升。由于残余应力可以抑制及减小裂纹出现，同时经研究发现残余压应力还可以提高耐腐蚀性能。以上所有熔覆试验中4号试样的抑制裂纹、耐腐蚀性能最佳。其它试样与未加工试样相比也具有不同程度的抵抗裂纹、耐腐蚀性能。
由图7以及表5可以清晰的看出未加工试样的磨损量远远大于熔覆后的试样，因此得出经过激光熔覆后的试样可以大大提高耐磨性。其中2#试样最耐磨，其次4#试样也具有良好耐磨性能。
图8(a)是未加工试样的磨痕处的SEM图片，图8(b)是4#试样的磨痕处的SEM图片，由图8(a)和8(b)可知，未加工试样的磨痕明显磨损较大，而4#试样表面未出现明显的磨痕和磨损脱落等情况可看出耐磨性能优异。
上述实施例中加工后的涂层厚度均匀，加工过程中对铸铁试样的热影响也较小。减振降噪涂层材料为WC粉末与Ni625粉末，其通过在金属表面进行激光熔覆，制备出的熔覆层具有稳定的摩擦系数从而达到减振降噪的目的。由图6-图8可得：涂层的硬度也相应有所提高进而提高耐磨性。同时熔覆后的涂层改变原有材料属性产生Ni、Cr化合物改善材料内部结构进而达到减振降噪和提高耐磨性和耐腐蚀性能。Ni625合金粉末起到提升耐高温以及耐腐蚀性，可以提升熔覆涂层表面的物理化学性能。
综上，本发明的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，采用了激光熔覆技术，并选择WC粉末和Ni625粉末为涂层材料，由于镍合金有优良的防腐蚀性能和耐高温性能，而WC的硬度很高且很耐磨，所以熔覆层具有耐腐蚀、高硬度、结合性好和减振降噪的特点。此外，由于目前的激光熔覆技术发展比较成熟，可以用于批量生产加工，且激光器与其它自动化加工设备配套使用也很方便，同时，激光器与计算机辅助生产系统和设计系统配合，能迅速地加工出样机或产品部件，进而降低成本。
因此，本发明的基于表面激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，不仅能提升金属表面的减振降噪性能，同时也能提升涂层表面的物理化学性能，增加熔覆表面使用寿命，并且在批量化加工生产上有很大的优势。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，用于对金属基体的表面进行加工，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对所述金属基体的表面进行预处理，得到表面光洁无污渍的金属基体；
步骤2，按照1:9的质量配比称取烘干后的WC粉末和Ni625粉末，而后进行预定时间的混粉处理，得到混合粉末；
步骤3，利用送粉器将所述混合粉末置于表面光洁无污渍的所述金属基体的表面，同时在具有保护气体的环境下进行激光熔覆，得到具有减振降噪性能的熔覆涂层；
步骤4，对所述熔覆涂层进行自然冷却，而后采用磨床进行表面磨削处理，得到表面光滑的减振降噪涂层，
其中，所述步骤3中，进行激光熔覆时的激光光斑直径为4mm，激光功率为2000w，扫描速度为600mm/min，且扫描轨迹为连续轨迹即螺旋线型工艺加工，所述送粉器的送粉盘转速为4.5r/min，保护气体流量为15.1L/min，送粉气体流量为5.4L/min。
2.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，其特征在于：
其中，所述步骤1中，金属基体为铸铁或不锈钢，
预处理具体包括如下子步骤：首先采用砂纸磨掉所述金属基体表面的氧化层，而后采用丙酮进行清洗并烘干，得到表面光洁无污渍的金属基体。
3.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，其特征在于：
其中，所述步骤2中，称取粉末之前采用烘干机对所述WC粉末和所述Ni625粉末分别在100℃的温度下进行2小时的烘干处理。
4.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，其特征在于：
其中，所述步骤2中，混粉处理的时间为2小时。
5.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，其特征在于：
其中，所述步骤3中，送粉器为气体同步式送粉器，激光器为TruDisk4002碟片式激光器，保护气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法，其特征在于：
其中，所述步骤4中，减振降噪涂层的厚度为1mm～2mm。
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