CN113737172B - 一种激光熔覆方法及其制备的激光熔覆涂层和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆方法及其制备的激光熔覆涂层和应用。本发明激光熔覆方法包括如下步骤：将激光熔覆合金粉送入光纤耦合激光器，设置初始激光熔覆工艺得到熔覆涂层厚度L0；其中，初始激光熔覆工艺包括扫描速度V0；拟合得到熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0之间的关系为公式I；根据模具磨损参数，确定所需熔覆涂层厚度L；计算出所需扫描速度V；拟合得到激光能量E'和扫描速度V'之间的关系为公式II；计算出所需激光能量E；通过公式III计算得到所需激光功率P；根据所需激光功率P进行激光熔覆，得到激光熔覆涂层。本发明激光熔覆方法，能耗低。本发明的激光熔覆涂层与基体冶金结合无表面宏观裂纹。

Description

一种激光熔覆方法及其制备的激光熔覆涂层和应用
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光熔覆方法及其制备的激光熔覆涂层和应用。
背景技术
在工程机械领域中，会使用一种中合金热作模具钢4Gr5MoSiV1(钢号为H13)作为零部件的生产模具，由于热作模具在生产过程中受到温差大、循环冲压载荷大以及摩擦磨损率高等因素的影响，使得热作模具在真正到寿之前就因工作面磨损而降低零部件的精度甚至无法使用。
对磨损表面使用激光熔覆制备涂层进行修复是可行的方法，然而激光熔覆工艺制备的涂层常常会存在裂纹与开裂等严重缺陷。现有技术中为了解决激光熔覆涂层出现裂纹与开裂的问题，通常采用对基体以及粉末进行预热、在粉末中加入稀土、熔覆过程使用电磁搅拌和梯度熔覆等一种或多种复合工艺，然而，采用上述工艺会增加工时与成本，因此目前采用激光熔覆工艺去修复热作模具依然存在着质量与成本矛盾的问题而不能大规模应用生产。
现有技术CN111020568A提供了一种抑制熔覆涂层开裂的激光熔覆方法，其在前处理、熔覆和后处理均采用激光热处理方式，并采用梯度熔覆方式进行激光熔覆，有效减少熔覆涂层的残余应力，抑制熔覆涂层裂纹产生。然而，由于其采用了梯度熔覆方式，需要进行更多次激光扫描，每增加一层梯度层，就相当于2倍的激光熔覆工作量。因此其具有能耗高、工时会成倍数增加、成本高的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有抑制熔覆涂层开裂的激光熔覆方法的激光熔覆工作量大，能耗高的缺陷和不足，提供一种激光熔覆方法，能耗低，通过该激光熔覆方法制备的激光熔覆涂层均匀光滑平整、硬度耐磨性耐热等物理性能好、与基体冶金结合无表面宏观裂纹。
本发明的再一目的在于提供一种激光熔覆方法制备的激光熔覆涂层。
本发明的又一目的在于提供一种模具。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
S1.将激光熔覆合金粉送入光纤耦合激光器，设置初始激光熔覆工艺得到熔覆涂层厚度L0；其中，初始激光熔覆工艺包括扫描速度V0；
S2.根据熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0拟合得到熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0之间的关系为公式I；
S3.根据模具磨损参数，确定所需熔覆涂层厚度L；
S4.根据所需熔覆涂层厚度L和公式I，计算出所需扫描速度V；
S5.根据激光能量E'和扫描速度V'拟合得到激光能量E'和扫描速度V'之间的关系为公式II；
S6.根据所需扫描速度V和公式II计算出所需激光能量E；
S7.根据所需扫描速度V和所需激光能量E，通过公式III计算得到所需激光功率P；
S8.根据所需激光功率P进行激光熔覆，得到激光熔覆涂层；
其中，S1.中激光熔覆合金粉由镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末混合而成，其中铸造WC粉末的质量为镍基自熔性合金粉末的8～12％；
S1.中初始激光熔覆工艺包括：离焦量：-15mm～0mm、搭接率15％～25％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min；
S5.中激光能量E'为得到无裂纹激光熔覆涂层的激光能量；
公式I为L0＝a1*V0 2-b1*V0+c1；
公式II为E'＝a2*V'2-b2*V'+c2，E的单位为g·J/(min·mm2)；
公式III为P＝(E*π*Dmin 2*V)/(8*S*r)，Dmin为光纤耦合激光器的最小光斑直径，S为激光熔覆合金粉的实际受热面积，r为熔覆成涂层的合金粉与光纤耦合激光器供粉的质量比。
本发明激光熔覆方法所用的是光纤耦合激光器，光纤耦合激光器在一定离焦量范围内光斑能量较为均匀集中，光纤耦合激光器是把多个光纤激光器通过阵列耦合起来，相对于单一光纤激光器，光纤耦合激光器能够显著增加功率，提高光束的质量以及使得能量分布更集中与均匀。
该合金粉末配方得到的涂层性能已经足够且留有一定的余度。若WC粉末的质量占比过多，会导致硬度与耐磨性溢出，且由于陶瓷相变多会增加涂层开裂敏感性，导致涂层开裂失效。WC粉末的质量占比过少，会导致涂层的硬度耐磨性能达不到被修复后的高寿命，被修复的工作面容易再次发生磨损。铸造WC粉末属于硬质陶瓷粉末，镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末可以通过粉末搅拌机搅拌充分混合均匀。
进一步优选地，步骤S1.中初始激光熔覆工艺为：激光功率P0＝800W～2000W、激光焦距H0＝200mm、扫描速度V0＝60mm/min～120mm/min、离焦量：-15mm～0mm、搭接率15％～25％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min、保护气气压为0.1MPa、熔覆涂层厚度L0＝1mm～3mm。
在S1.初始激光熔覆工艺中，涂层厚度受扫描速度影响而改变显著，其他因素改变对涂层厚度影响相对不显著，且熔覆涂层厚度L0与扫描速度V0存在负相关关系，即V0∝1/L0。
在S5.中，激光能量E的物理意义为激光熔覆合金粉在单位时间和单位实际面积所接受的激光能量的大小，激光能量E'为得到无裂纹激光熔覆涂层的激光能量。在其它参数确定的情况下，扫描速度V'和激光能量E'存在较优对应关系，当设备以及参数条件在本发明推荐范围的值的时候，假如扫描速度V确定，激光能量E'的值若符合已确定的扫描速度V对应的某一个激光能量E优势区间的值，则激光能量E'在该范围内时激光熔覆涂层无裂纹，质量高。而且，激光能量E'和扫描速度V'之间的较优对应关系以及此时各自的相关参数可以测试得到。因此，得到无裂纹的熔覆涂层的相关参数后，通过拟合可以得到公式II，应用公式II，在已经确定好V时可以得到即无裂纹的激光熔覆涂层所需要的激光能量E。
在S7.中，公式III适用前提为：光线耦合激光器的特性能量大部分分布在以最小光斑直径Dmin所在的范围，因此激光熔覆合金粉实际受热面积可以只计算最小直径的圆的面积，离焦量可以取0mm附近的数值，同时选负离焦可以减少涂层开裂敏感性。公式III中，r为材料利用率，可根据过往经验计算获得。
本发明提供的激光熔覆方法，调试好初始激光熔覆工艺中的保护气压力，送粉速度等参数为本发明的推荐参数值，在60mm/min～120mm/min之间按等差数列选取若干扫描速度(如V0＝1.2、1.5或1.8mm/s)，然后代入公式II和公式III得到剩余的参数，用这些参数先熔覆几道涂层，记录下扫描速度V对应涂层的厚度，再通过拟合就可以确定熔覆涂层厚度和扫描速度之间的对应关系，即可得到公式I。因此，只要确定扫描速度就可以得到所需的熔覆涂层厚度。
通过研究若干熔覆涂层无裂纹时的激光能量，发现激光能量和扫描速度也存在对应关系，拟合得到公式II。因此，只要确定扫描速度就可以得到所需的激光能量。利用扫描速度和无裂纹的激光能量之间的关系，再将所需扫描速度V代入公式II中，即可得到的无裂纹的最佳激光能量E。
通过熔覆涂层不发生开裂时的激光能量及对应的扫描速度，就能够通过公式III推算出激光熔覆方法中最重要的激光功率。
再利用推算出的激光功率进行激光熔覆，即可得到无裂纹的激光熔覆涂层。
由于激光熔覆工艺中最关键的激光功率P是利用最佳激光能量E计算得到的，利用激光功率P进行激光熔覆，就能够达到不开裂的激光熔覆涂层，而且激光功率P也不会增加新的损耗，因此能够达到降低能耗的效果。另外，在激光能量E的作用下，激光熔覆合金粉中的WC粉能够充分扩散到模具中，WC不易成团，从而减小WC粉末和模具之间的应力，进而避免激光熔覆涂层和模具之间发生开裂。
优选地，公式I和公式II由拉格朗日插值法拟合得到。
优选地，a1＝0.000115～0.000171，b1＝0.0351736～0.0527604，c1＝3.5992～5.3988，公式I为：
L0＝(0.000115～0.000171)*V0 2-(0.0351736～0.0527604)*V0+(3.5992～5.3988)
进一步优选的，L0＝0.000143*V0 2-0.043967*V0+4.499。
优选地，a2＝0.0007392～0.0011088，b2＝0.0665472～0.0998208，c2＝5.323804～7.985706，公式II为：E'＝(0.0007392～0.0011088)*V'2-(0.0665472～0.0998208)*V'+(5.323804～7.985706)。
进一步优选的，公式II为E'＝0.000924V'2-0.083184V'+6.654755。
优选地，S3中模具磨损参数包括模具磨损质量、模具磨损厚度和加工余量。
磨损质量指的是模具由于磨损损失的质量。
磨损厚度指的是模具由于磨损损失的厚度。
加工余量是指是为达到精度要求而被打磨掉的厚度，所需熔覆涂层厚度＝加工余量+磨损厚度。
优选地，S5.中扫描速度V'为60～120mm/min，激光能量E'为4.2～11.4g·J/(min·mm2)。
优选地，S1.中初始激光熔覆工艺包括：离焦量：-5mm～0mm、搭接率18％～22％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min。
优选地，所述铸造WC粉末的粒径小于所述镍基自熔性合金粉末的粒径。进一步优选地，所述镍基自熔性合金粉末的粒径为48～150μm，所述WC粉末的粒度为，粒径为48～120μm。镍基自熔性合金粉末的粒径的粒径过大，会导致激光熔覆过程中有较多得未熔颗粒，影响涂层的致密性与表面质量。镍基自熔性合金粉末的粒径的粒径过小，在激光熔覆过程中受到激光扫描加热后会气化形成飞溅，甚至直接烧蚀导致涂层无法使用。WC粉末的粒径的粒径过大，由于密度较大，在激光熔覆过程中无法充分扩散到涂层各处而在涂层中下层形成聚集，影响涂层的综合物理性能。而且，过大的WC在熔覆过程容易开裂形成裂纹源，也会加大涂层开裂敏感性。
更进一步优选地，镍基自熔性合金粉末可以为Ni50A粉末，粒径为48～150μm；WC粉末的粒径为48～120μm，WC的熔点高于Ni50A粉末的熔点。
优选地，所述激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分：68wt％≤Ni≤68.8wt％，0.1wt％≤Cr≤10.9wt％，0.1wt％≤W≤8.5wt％，0.1wt％≤Fe≤4.5wt％，0.1wt％≤B≤3.5wt％，0.1wt％≤Si≤2.7wt％，0.1wt％≤C≤1.0wt％。
Ni主要作为涂层的主体成分，与基体4Gr5MoSiV1结合性好，线胀系数与熔点等物理特性差异不算大，而且具有不错的硬度，较好的润湿性、耐腐蚀性、高温自润滑性与耐热疲劳性能。价格也比较适中。作为基础成分，含量不适宜过低，同时过高会压缩其他作用成分。
Cr主要作为硬质相，与Ni形成镍铬合金具有耐高温氧化性，在激光熔覆过程中与涂层中的C，B结合形成Cr23C6，CrB等碳化物，硼化物可以进一步提高涂层的硬度与耐腐蚀耐热疲劳性能。Cr本身粘接性能好，形成的涂层致密，提高与基体的结合强度，与W等陶瓷成分相性好。含量过低会削弱上述作用，过高会稀释Ni的主体成分。
W主要作为陶瓷硬质相，在激光熔覆过程中形成的如WC，W2C等碳化物具有极高的硬度，热硬度与耐磨性。W含量过低达不到性能要求，过高会增加开裂敏感性导致涂层开裂。
Fe主要对Ni进行奥氏体固溶强化，提高涂层硬度与耐磨性，且Fe与基体4Gr5MoSiV1结合性好。含量过低达不到固溶强化效果，过高会溢出。
Si、B是作为脱氧剂与自熔剂，增加润湿性。另外通过固溶强化与弥散强化提高涂层的硬度与耐磨性。含量过低会导致脱氧不够使得涂层在熔覆时被氧化，含量过高则粉末成本高且溢出的Si、B也会熔覆过程中上浮与散到空气中。
C主要是与Cr，W等元素结合获得高硬度高耐磨性的碳化物，同时对涂层进行弥散强化。含量过低无法获取足够的碳化物，过高则增加涂层的脆性容易使涂层开裂。
本发明方法中的激光熔覆合金粉，与钢4Gr5MoSiV1结合性好，结合处无裂纹。
进一步优选地，激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分Ni＝68.8wt％，Cr＝11.0wt％，W＝8.5wt％，Fe＝4.5wt％，B＝3.5wt％，Si＝2.7wt％，C＝1.0wt％。
S1.中，初始激光熔覆工艺包括以下步骤：
S11.预处理：对热作模具表面除锈，再采用去污剂对热作模具表面清洗然后用烘干机烘干待用；优选地，采用激光除锈，去污剂采用无水乙醇或天那水；
S12.根据热作模具所承受的载荷情况，配置激光熔覆合金粉，通过粉末搅拌机搅拌充分混合均匀；
S13.采用光纤耦合激光器，采用气动同步送粉的方法，对激光熔覆合金粉烘干除去水分后放入送粉设备，通过机械手控制光纤耦合激光器与送粉喷嘴的运行轨迹，通过光纤耦合激光器发出的激光束使得激光熔覆合金粉熔覆到损伤的模具表面进行激光熔覆。
优选地，S7.中，可以根据光纤耦合激光器的送粉速度、温度、散热条件和模具基体调整E值，再确定所需激光功率P。如熔覆后涂层熔池未完全张开即E值偏小，则需要增大激光功率P；而基体热变形或涂层有烧蚀现象，即E值偏大，则需要降低激光功率P。
优选地，还包括后处理，激光熔覆完毕后，冷却，对熔覆涂层进行打磨通过机器加工使其达到热作模具要求，再使用超声无损检测以确定不会因为操作失误导致内部有严重缺陷。
本发明还保护上述所述激光熔覆工艺优化方法制备的激光熔覆涂层。
优选地，所述激光熔覆涂层的硬度为560HV～850HV，厚度为1mm～3mm。而且涂层无裂纹与开裂缺陷。
本发明还保护一种模具，所述模具表面覆盖有上述所述激光熔覆涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的激光熔覆方法，充分发挥了光纤耦合激光器的光束质量高、能量集中、分布均匀的优势，得到无裂纹激光熔覆涂层所需要的激光能量等激光熔覆工艺，只要确定了所需熔覆涂层厚度，即可确定能够达到无裂纹的激光熔覆涂层所需要的激光功率等参数，再利用激光功率等参数进行激光熔覆，即可获得无裂纹的激光熔覆涂层。而且，本发明无需使用梯度激光熔覆，激光功率低，因此能耗低。
本发明制备的激光熔覆涂层，表面均匀光滑平整、硬度耐磨性耐热等物理性能好、与基体冶金结合无表面宏观裂纹。
附图说明：
图1为实施例1激光熔覆涂层中X射线衍射显微CT无损探伤图。
图2为实施例1激光熔覆涂层的扫描电子显微镜(SEM)检测图。
图3为实施例1激光熔覆涂层的激光共聚焦检测底部组织与涂层结合图。
图4为实施例1激光熔覆涂层中的能谱分析(EDS)图。
图5为对比例1激光熔覆涂层中X射线衍射显微CT无损探伤图。
图6为对比例1激光熔覆涂层的扫描电子显微镜(SEM)检测图。
图7为对比例1激光熔覆涂层的激光共聚焦检测底部组织与涂层结合图。
图8为对比例1激光熔覆涂层中的能谱分析(EDS)图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
本实施例提供一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
S11.预处理：对钢号为H13的4Gr5MoSiV1热作模具表面激光除锈，再采用无水乙醇去污剂表面清洗然后用烘干机烘干待用；
S12.根据热作模具所承受的载荷情况，将激光熔覆合金粉通过粉末搅拌机搅拌15min充分混合均匀，再用烘干机烘干2h待用；
激光熔覆合金粉由镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末混合而成；其中，铸造WC粉末的质量为镍基自熔性合金粉末的10％。
镍基自熔性合金粉末为Ni50A，粒径为48～150μm；铸造WC粉末的粒径为48～120μm，铸造WC粉末的粒径小于镍基自熔性合金粉末的粒径，WC的熔点高于Ni50A粉末的熔点。
激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分：Ni＝68.8wt％，Cr＝11.0wt％，W＝8.5wt％，Fe＝4.5wt％，B＝3.5wt％，Si＝2.7wt％，C＝1.0wt％。
S13.采用光纤耦合激光器，采用气动同步送粉的方法，对激光熔覆合金粉烘干除去水分后放入送粉设备，通过机械手控制光纤耦合激光器与送粉喷嘴的运行轨迹，通过光纤耦合激光器发出的激光束使得激光熔覆合金粉熔覆到损伤的模具表面进行激光熔覆；
其中，初始激光熔覆工艺为：激光功率P0＝800W～2000W、激光焦距H0＝200mm、扫描速度V0＝60mm/min～120mm/min、离焦量：-15mm～0mm、搭接率15％～25％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min、保护气气压为0.1MPa，熔覆涂层厚度L＝1～3mm；
保护气为氩气，离焦量尽量使得光斑直径D＝Dmin～(Dmin+2mm)
得到若干组在扫描速度为V0时，熔覆涂层厚度为L0的散点。
S2.测得熔覆涂层厚度L0与扫描速度V0，得到对应表为：
<![CDATA[扫描速度V<sub>0</sub>(mm/min)]]> <![CDATA[涂层厚度L<sub>0</sub>(mm)]]>
60 2.377
90 1.703
120 1.287
通过拉格朗日插值法拟合得到熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0之间的关系为公式I：L0＝0.000143V0 2-0.043967V0+4.499
S3.通过检测钢号为H13的4Gr5MoSiV1热作模具的磨损量，磨损厚度等参数，在保留一定加工余量的情况下确定所需熔覆涂层厚度L＝1.8mm；
S4.根据所需熔覆涂层厚度L＝1.8mm和公式I，计算出所需扫描速度V＝90mm/min；
S5.定义激光能量E为激光熔覆合金粉在单位时间单位实际面积所接受的激光能量，E的单位为g·J/(min·mm2)；
扫描速度V'对应的激光能量E'存在一个优势区间，优势区间指的是E'在该范围内时激光熔覆涂层无裂纹，质量高。
测出3个扫描速度V'(60mm/min，90mm/min，120mm/min)对应的优势激光能量E'区间分别为(4.27808，5.70411)，(5.70412，7.60548)，(8.55617，11.40822)，根据扫描速度V'和E'的中值对应，通过拉格朗日插值法拟合得到激光能量E'和扫描速度V'之间的关系为公式II：
E'＝0.000924V'2-0.083184V'+6.654755
S6.将所需扫描速度V＝90mm/min代入到公式II，计算出所需激光能量E＝6.652595g·J/(min·mm2)。
S7.根据公式III为P＝(E*π*Dmin 2*V)/(8*S*r)，本套设备的粉末材料利用率r为90％，该光纤耦合激光器的最小光斑直径Dmin为5mm，考虑修复速度与减少开裂，采用负离焦的方式，离焦量-10mm，将所需扫描速度V＝90mm/min和所需激光能量E＝6.652595g·J/(min·mm2)代入到公式III中，计算得到所需激光功率P为1089W。同时由实际送粉速度约为6g/min，当地室温20℃、散热条件普通、热作模具基体偏大等综合因素最终取P＝1100W。搭接率20％，保护气为氩气气压0.1MPa。
S8.根据激光功率P＝1100W进行激光熔覆，
其中，激光熔覆工艺为：激光功率P＝1100W、激光焦距H＝200mm、扫描速度V＝90mm/min、离焦量：-10mm、搭接率20％、送粉速度S＝6g/min、保护气气压为0.1MPa；
得到激光熔覆涂层，熔覆涂层厚度为L＝1.8mm。
S9：熔覆完毕，待涂层完全冷却后对涂层进行打磨等机加工使其达到热作模具的要求。
实施例2
本实施例提供一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
S11.预处理：对钢号为H13的4Gr5MoSiV1热作模具表面激光除锈，再采用无水乙醇去污剂表面清洗然后用烘干机烘干待用；
S12.根据热作模具所承受的载荷情况，将激光熔覆合金粉通过粉末搅拌机搅拌15min充分混合均匀，再用烘干机烘干2h待用；
激光熔覆合金粉由镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末混合而成；其中，铸造WC粉末的质量为镍基自熔性合金粉末的10％。
镍基自熔性合金粉末为Ni50A，粒径为48～150μm；铸造WC粉末的粒径为48～120μm，铸造WC粉末的粒径小于镍基自熔性合金粉末的粒径，WC的熔点高于Ni50A粉末的熔点。
激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分：Ni＝68.8wt％，Cr＝11.0wt％，W＝8.5wt％，Fe＝4.5wt％，B＝3.5wt％，Si＝2.7wt％，C＝1.0wt％。
S13.采用光纤耦合激光器，采用气动同步送粉的方法，对激光熔覆合金粉烘干除去水分后放入送粉设备，通过机械手控制光纤耦合激光器与送粉喷嘴的运行轨迹，通过光纤耦合激光器发出的激光束使得激光熔覆合金粉熔覆到损伤的模具表面进行激光熔覆；
其中，初始激光熔覆工艺为：激光功率P0＝800W～2000W、激光焦距H0＝200mm、扫描速度V0＝60mm/min～120mm/min、离焦量：-15mm～0mm、搭接率15％～25％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min、保护气气压为0.1MPa，熔覆涂层厚度L＝1～3mm；
保护气为氩气，离焦量尽量使得光斑直径D＝Dmin～(Dmin+2mm)
得到若干组在扫描速度为V0时，熔覆涂层厚度为L0的散点。
S2.测得熔覆涂层厚度L0与扫描速度V0，得到对应表为：
<![CDATA[扫描速度V<sub>0</sub>(mm/min)]]> <![CDATA[涂层厚度L<sub>0</sub>(mm)]]>
60 2.377
90 1.703
120 1.287
通过拉格朗日插值法拟合得到熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0之间的关系为公式I：L0＝0.000143V0 2-0.043967V0+4.499
S3.通过检测钢号为H13的4Gr5MoSiV1热作模具的磨损厚度参数，在保留一定加工余量的情况下确定所需熔覆涂层厚度L＝2.0mm；
S4.根据所需熔覆涂层厚度L＝2.0mm和公式I，计算出所需扫描速度V＝75.26mm/min；
S5.定义激光能量E为激光熔覆合金粉在单位时间单位实际面积所接受的激光能量，E的单位为g·J/(min·mm2)；
扫描速度V'对应的激光能量E'存在一个优势区间，优势区间指的是E'在该范围内时激光熔覆涂层无裂纹，质量高。
测出3个扫描速度V'(60mm/min，90mm/min，120mm/min)对应的优势激光能量E'区间分别为(4.27808，5.70411)，(5.70412，7.60548)，(8.55617，11.40822)，根据扫描速度V'和E'的中值对应，通过拉格朗日插值法拟合得到激光能量E'和扫描速度V'之间的关系为公式II：
E'＝0.000924V'2-0.083184V'+6.654755
S6.将所需扫描速度V＝75.26mm/min代入到公式II，计算出所需激光能量E＝5.627925g·J/(min·mm2)。
S7.根据公式III为P＝(E*π*Dmin 2*V)/(8*S*r)，本套设备的粉末材料利用率r为90％，该光纤耦合激光器的最小光斑直径Dmin为5mm，考虑修复速度与减少开裂，采用负离焦的方式，离焦量-10mm，将所需扫描速度V＝75.26mm/min和所需激光能量E＝5.627925g·J/(min·mm2)代入到公式III中，计算得到所需激光功率P为770W。同时由实际送粉速度约为6g/min(达到推荐送粉速度最大值需适当调高E值)，当地室温16℃(散热越良好越需要取高的E值)、散热条件普通(越大越不容易热变形则可以适当调高E值以改善熔覆层质量与裂纹问题)、热作模具基体偏大等综合因素最终取P＝900W。搭接率20％，保护气为氩气气压0.1MPa。
S8.根据激光功率P＝900W进行激光熔覆，
其中，激光熔覆工艺为：激光功率P＝900W、激光焦距H＝200mm、扫描速度V＝75.26mm/min、离焦量：-10mm、搭接率20％、送粉速度S＝6g/min、保护气气压为0.1MPa；
得到激光熔覆涂层，熔覆涂层厚度为L＝2.0mm。
S9：熔覆完毕，待涂层完全冷却后对涂层进行打磨等机加工使其达到热作模具的要求。
对比例1
本对比例提供一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
S11.预处理：对钢号为H13的4Gr5MoSiV1热作模具表面激光除锈，再采用无水乙醇去污剂表面清洗然后用烘干机烘干待用；
S12.根据热作模具所承受的载荷情况，将激光熔覆合金粉通过粉末搅拌机搅拌15min充分混合均匀，再用烘干机烘干2h待用；
激光熔覆合金粉由镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末混合而成；其中，铸造WC粉末的质量为镍基自熔性合金粉末的10％。
镍基自熔性合金粉末为Ni50A，粒径为48～150μm；铸造WC粉末的粒径为48～120μm，铸造WC粉末的粒径小于镍基自熔性合金粉末的粒径，WC的熔点高于Ni50A粉末的熔点。
激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分：Ni＝68.8wt％，Cr＝11.0wt％，W＝8.5wt％，Fe＝4.5wt％，B＝3.5wt％，Si＝2.7wt％，C＝1.0wt％。
S13.采用光纤耦合激光器，采用气动同步送粉的方法，对激光熔覆合金粉烘干除去水分后放入送粉设备，通过机械手控制光纤耦合激光器与送粉喷嘴的运行轨迹，通过光纤耦合激光器发出的激光束使得激光熔覆合金粉熔覆到损伤的模具表面进行激光熔覆；
其中，激光熔覆重要工艺参数采用离子群的参数：激光功率817W，扫描速度90mm/min，其他参数与实施例1相同，具体为离焦量：-10mm、搭接率20％、送粉速度S＝6g/min、保护气气压为0.1MPa。
其中，在光纤耦合激光器的激光功率设置为817W，是生产过程中常用的功率。
S2：熔覆完毕，待涂层完全冷却后对涂层进行打磨等机加工使其达到热作模具的要求。
对比例2
本对比例提供一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
S1.前处理：准备基体，以200～400W功率的激光对基体表面进行预热。
具体地，基体为H13钢基体，熔覆前对基体表面进行清洗，干燥镍基复合粉末，调试熔覆设备。预热时激光的功率为200W，扫描速度为1.5mm/s，离焦量为-5mm。
S2.熔覆：在预热后的基体表面以梯度熔覆方式进行激光熔覆镍基复合粉末，得到熔覆层；镍基复合粉末为镍基自熔性合金粉末和陶瓷粉末的混合物。
具体地，熔覆所用激光器为光纤激光器，激光光斑是直径5mm的高斯光斑，激光的功率为1050W，扫描速度为1.5mm/s，离焦量为-5mm。镍基复合粉末粒度为150目～300目，镍基复合粉末为Ni50自熔性合金粉末和陶瓷粉末WC的混合物。通过梯度熔覆两层熔覆层，第一层的镍基复合粉末中，Ni50自熔性合金粉末质量分数为90％，陶瓷粉末WC的质量分数为10％；第二层的镍基复合粉末中，Ni50自熔性合金粉末质量分数为95％，陶瓷粉末WC的质量分数为5％。
S3.后处理：以500～800W功率的激光，通过激光重熔对熔覆层进行后处理。
具体地，熔覆完毕后，再通过激光重熔对熔覆层进行后处理，激光重熔时，激光功率为800W，激光的扫描速度为1.5mm/s，离焦量为-5mm。
得到熔覆层厚度为2mm，熔覆涂层表面无裂纹。
结果检测
用CFT-I型材料表面性能综合测试仪，对实施例1～2和对比例1的激光熔覆涂层做旋转摩擦磨损测试，对磨材料为GCr15钢球，钢球的物理性能如表1所示；磨损测试时间为30min；测量实验前后样件的磨损量，测试结果如表2所示。
用激光共聚焦、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)分析实施例1和对比例1的激光熔覆涂层。检测结果如图1～图8所示。
表1：GCr15钢球对磨副的物理性能
参数 数值
<![CDATA[密度(g/cm<sup>3</sup>)]]> 7.85
杨氏模量(GPa) 217
硬度(HRC) 55
泊松比 0.3
导热系数(W/m*k) 39
<![CDATA[热胀系数(10<sup>-6</sup>℃<sup>-1</sup>)]]> 14.4
表2：实施例1～2和对比例1的激光熔覆方法制备的熔覆涂层的磨损量。
Figure GDA0003855931700000131
从表1可以看出，实施例1和实施例2制备的激光熔覆涂层的磨损量低、耐磨性高，且不会发生开裂。
从图1、图2、图3可以看出，用实施例1的方法制备的激光熔覆涂层的气孔率低于0.1％，说明制备的激光熔覆涂层比较致密，没有裂纹，涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高。
从图5，图6、图7可以看出，对比例1的方法制备的激光熔覆涂层开裂严重，且溶图涂层与基体之间的结合处有裂纹，结合强度低。虽然对比例1使用的激光功率P＝817W，比本发明的实施例1的激光功率低，但是由于对比例1的激光功率不符合本发明三个公式的关系，因此以817W功率制备的激光熔覆涂层仍然会发生开裂。
从图4和图8可以看出，白色发亮块状物为聚集起来的WC团，对比例1方法制备的激光熔覆涂层存在着大量的块状WC团，而且块状WC分解扩散不充分。采用实施例1的方法制备的激光熔覆涂层中，块状WC团数量相对于对比例1制备的激光熔覆涂层明显大幅度减少，这是因为WC经过分解扩散后均匀分布到涂层中，只留下小部分块状WC团。由于块状WC团与涂层的镍基金属的线胀系数，熔点等物理特性差异大，如此大量的块状WC存在在涂层中会导致涂层残余应力较大，最终引起涂层开裂。
从实施例2和对比例2可以看出，同样是为了获得2mm厚且表面无裂纹的熔覆涂层，对比例2在熔覆阶段需要1050W的激光功率，而且对比例2在前处理阶段需要200W的激光功率，对比例2在后处理阶段需要800W的激光功率。而本发明仅需要使用900W的激光功率，说明本发明的激光熔覆方法能够降低能耗。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将激光熔覆合金粉送入光纤耦合激光器，设置初始激光熔覆工艺得到熔覆涂层厚度L0；其中，初始激光熔覆工艺包括扫描速度V0；
S2.根据熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0拟合得到熔覆涂层厚度L0和扫描速度V0之间的关系为公式I；
S3.根据模具磨损参数，确定所需熔覆涂层厚度L；
S4.根据所需熔覆涂层厚度L和公式I，计算出所需扫描速度V；
S5.根据激光能量E'和扫描速度V'拟合得到激光能量E'和扫描速度V'之间的关系为公式II；
S6.根据所需扫描速度V和公式II计算出所需激光能量E；
S7.根据所需扫描速度V和所需激光能量E，通过公式III计算得到所需激光功率P；
S8.根据所需激光功率P进行激光熔覆，得到激光熔覆涂层；
其中，S1.中激光熔覆合金粉由镍基自熔性合金粉末和铸造WC粉末混合而成，其中铸造WC粉末的质量为镍基自熔性合金粉末的8～12％；
S1.中初始激光熔覆工艺包括：离焦量：-15mm～0mm、搭接率15％～25％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min；
S5.中激光能量E'为得到无裂纹激光熔覆涂层的激光能量；
公式I为L0＝a1*V0 2-b1*V0+c1；
公式II为E'＝a2*V'2-b2*V'+c2，E的单位为g·J/(min·mm2)；
公式III为P＝(E*π*Dmin 2*V)/(8*S*r)，Dmin为光纤耦合激光器的最小光斑直径，S为激光熔覆合金粉的实际受热面积，r为熔覆成涂层的合金粉与光纤耦合激光器供粉的质量比。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，a1＝0.000115～0.000171，b1＝0.0351736～0.0527604，c1＝3.5992～5.3988，公式I为：L0＝(0.000115～0.000171)*V0 2-(0.0351736～0.0527604)*V0+(3.5992～5.3988)。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，a2＝0.0007392～0.0011088，b2＝0.0665472～0.0998208，c2＝5.323804～7.985706，公式II为E'＝(0.0007392～0.0011088)*V'2-(0.0665472～0.0998208)*V'+(5.323804～7.985706)。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，S3.中模具磨损参数包括模具磨损质量、磨损厚度和加工余量。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，S5.中扫描速度V'为60～120mm/min，激光能量E'为4.2～11.4g·J/(min·mm2)。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，S1.中初始激光熔覆工艺包括：离焦量：-5mm～0mm、搭接率18％～22％、送粉速度S0＝5g/min～6g/min。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述铸造WC粉末的粒径小于所述镍基自熔性合金粉末的粒径。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光熔覆合金粉按重量百分比计，包括以下组分：68wt％≤Ni≤68.8wt％，0.1wt％≤Cr≤10.9wt％，0.1wt％≤W≤8.5wt％，0.1wt％≤Fe≤4.5wt％，0.1wt％≤B≤3.5wt％，0.1wt％≤Si≤2.7wt％，0.1wt％≤C≤1.0wt％。
9.权利要求1～8任一项所述激光熔覆方法制备的激光熔覆涂层，所述激光熔覆涂层的硬度为560HV～850HV，厚度为1mm～3mm。
10.一种模具，其特征在于，所述模具表面覆盖有权利要求9所述激光熔覆涂层。
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