CN114277370A - 用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 - Google Patents
用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114277370A CN114277370A CN202111635005.8A CN202111635005A CN114277370A CN 114277370 A CN114277370 A CN 114277370A CN 202111635005 A CN202111635005 A CN 202111635005A CN 114277370 A CN114277370 A CN 114277370A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- melt
- resistant coating
- reinforced
- injection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 11
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明公开了用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，首先对金属基体表面进行打磨、清洗等预处理，然后在激光熔注的同时施加脉宽可调的脉冲超声，利用超声对金属熔池内溶液的排出效应、马兰戈尼效应、声空化效应，通过控制超声强度实现表面织构化颗粒增强耐磨涂层的制备；本发明是一种创新性高性能、高质量的表面织构化颗粒增强耐磨涂层制备方法，可显著提高金属材料的表面耐磨性等力学性能，降低增强颗粒含量较高时熔注层开裂的风险，抑制气孔、液化裂纹等微观缺陷的形成；本发明工艺可靠，效率较高，可实现自动化生产。
Description
技术领域
本发明涉及激光复合制造、超声辅助制造、复合材料、材料表面改性、以及材料表面润滑减摩等技术领域，具体涉及一种用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法。
背景技术
在能源动力、石油化工、轨道交通、GFJG(国防军工)等高端装备领域中，关键零部件的摩擦磨损将导致其服役寿命大幅下降，面向掘进机械、高压辊磨机、设施农业耕作装备、大型破碎机等高端装备关键零部件的服役需求，本发明在金属表面制备的表面织构化颗粒增强耐磨涂层，将颗粒增强体的高硬度、高强度、高熔点和金属基体的韧性相结合，并辅以表面织构的储屑和储油作用，可以分别从材料属性(颗粒增强)和功能结构(表面织构化)两方面有效提高材料表面耐磨性能，从而延长零部件服役寿命，在我国高端装备制造中具有重要的应用价值。
中国专利：一种带织构化涂层的齿轮(CN201811250968.4)提出了先在齿轮上加工出所述第一微坑，得到织构化齿轮；然后在所述织构化齿轮表面镀涂层，得到涂层齿轮；最后、在所述织构化涂层齿轮表面加工出所述第二微坑，得到织构化涂层齿轮。该发明没有提及在进行织构化涂层时添加耐磨的陶瓷颗粒、且制作工艺较复杂。
中国专利：一种表面涂层织构化的钻头滑动轴承(CN201810946598.1)提出利用等离子喷涂在轴承内表面制备耐磨涂层，然后在耐磨涂层表面设有表面织构，所述表面织构为圆形，并沿耐磨涂层表面均匀分布。但是该发明圆形凹坑内部耐磨涂层的厚度、等离子喷涂得到的涂层与基体结合强度得不到保障。
本发明针对高性能基建设备的需求，提出了用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法。以仿生非光滑理论为指导，将超声振动引入激光熔注成形过程，利用超声振动对金属熔池内溶液的排出效应、马兰戈尼效应、声空化效应，加速元素扩散、促进颗粒分散、抑制裂纹萌生、降低开裂风险，进而实现高质量阵列凹坑激光织构化表面结构，提升构件表面的耐磨性、抗变形能力。工艺简便可靠，成型质量高，进一步促进了我国新材料和高性能基建设备的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法。在激光熔注制备颗粒增强型复合涂层的同时施加脉宽可调的脉冲超声，利用超声对金属熔池内溶液的排出效应、马兰戈尼效应、声空化效应，通过控制超声强度，在金属材料表面制备具有凹坑结构的表面织构并形成增强颗粒含量高、分布均匀的高性能耐磨涂层。
本发明的技术方案如下：
一种用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将熔注增强颗粒置于保温炉中进行干燥处理，保温温度250～350℃，保温时间1h；
所述熔注增强颗粒为高熔点陶瓷颗粒，颗粒直径不大于75μm；
(2)对熔注基体试样表面进行除锈、打磨、平整，用丙酮擦拭表面油污后干燥，备用；
所述熔注基体试样为金属材料或合金材料；
(3)将熔注基体试样固定于超声振动平台的变幅杆上端面，将熔注增强颗粒放入送粉器；
所述超声振动平台为脉冲功率超声平台，超声振动平台的超声波发生器通过电缆与超声波换能器连接，通过超声波变幅杆来放大振幅，最后通过超声波振动杆作用于振动平台上，其中变幅杆顶端半径25mm；超声参数为：超声功率200～500W，超声波频率19.5～20.5kHz，振幅50μm，工作方式连续，电源220V±5％/50Hz；
所述送粉器的送粉速率为1.5r/min；
(4)确定合适的扫描路径，并对运动控制单元进行程序编制，选取与扫描路径相匹配的工艺参数，开启水冷装置、激光器、送粉器以及气氛保护装置，在基体试样表面熔注增强颗粒；熔注的同时开启超声振动设备，施加脉冲超声，在基体试样表面制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层；
所述激光器为YAG连续激光器，激光参数为：激光功率1～2kW，光斑直径2～4mm；熔注过程采用的保护气为氩气。
本发明所述方法制备的圆形表面织构的直径为2～4mm，凹坑深度为400～600μm，熔注层增强颗粒含量不小于5％，增强颗粒熔解程度不大于20％，无气孔、裂纹、夹杂、熔合不良等明显缺陷。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，在进行激光熔注制备高耐磨性涂层的同时施加脉冲的超声振动，与传统的先制备颗粒增强型耐磨涂层，再机械加工凹坑结构的方法相比，不仅提高了效率而且也避免了后续加工高硬度耐磨涂层造成的刀具磨损问题。
2.本发明所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，可以在凹坑内与凹坑间形成厚度接近的颗粒增强型耐磨涂层，避免了先制备颗粒增强型涂层，再进行加工造成的凹坑内耐磨涂层较薄或者消失的问题。
3.本发明所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，利用超声对金属熔池内溶液的排出效应、马兰戈尼效应、声空化效应，显著提高金属材料的表面耐磨性等力学性能，降低增强颗粒含量较高时熔注层开裂的风险，抑制气孔、液化裂纹等微观缺陷的形成，提高了涂层的成形质量与可靠性。
4.本发明所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，分别从材料属性(颗粒增强)和功能结构(表面织构化)两方面有效提高材料表面耐磨性能，将颗粒增强体的高硬度、高强度、高熔点和金属基体的韧性相结合，并辅以表面织构的储屑和储油作用，从而延长零部件服役寿命。
5.本发明所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，面向掘进机械、高压辊磨机、设施农业耕作装备、大型破碎机等高端装备关键零部件的服役需求，能够促进我国新材料和高性能基建设备的发展。
附图说明
图1为激光超声耦合示意图；
图2为表面织构化颗粒增强耐磨涂层示意图；
其中，1-激光熔注头，2-扫描方向，3-熔注颗粒，4-激光束，5-振动方向，6-基体，7-熔池，8-熔注颗粒，9-表面织构化凹坑结构，10-熔注涂层。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，步骤如下：
(1)对熔注粉末进行干燥除湿处理，将WC硬质陶瓷增强颗粒置于保温炉中，保温温度300℃，保温时间1h，WC硬质陶瓷增强颗粒粒径75μm；
(2)对高压辊磨机辊面(材质：硬镍铸铁)除锈、打磨、平整，用丙酮擦拭待处理表面油污后干燥，进行预处理；
(3)将高压辊磨机辊面(材质：硬镍铸铁)固定于超声振动平台的变幅杆上端面；
(4)采用直线型扫描路径，确定机械臂运动的安全点、起始点与结束点，在红光指示下进行预实验(确保激光器未出光)。选取与扫描路径相匹配的工艺参数，具体位置：激光功率1600w，光斑直径2mm，扫描速度6mm/s。送粉器参数：4g/min，超声功率500W，超声波频率20kHz，振幅50μm；
(5)开启水冷装置、YAG连续激光器、送粉器以及气氛保护装置，在高压辊磨机辊面(材质：硬镍铸铁)熔注WC硬质陶瓷增强颗粒，熔注的同时开启超声振动设备，施加脉冲超声，制得圆形表面织构的直径为4mm，凹坑深度为500μm，熔注层增强颗粒含量7％，无气孔、裂纹、夹杂、熔合不良等明显缺陷。
Claims (6)
1.用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将熔注增强颗粒置于保温炉中进行干燥处理；
所述熔注增强颗粒为陶瓷颗粒，颗粒直径不大于75μm；
(2)对熔注基体试样表面进行除锈、打磨、平整，用丙酮擦拭表面油污后干燥，备用；
所述熔注基体试样为金属材料或合金材料；
(3)将熔注基体试样固定于超声振动平台的变幅杆上端面，将熔注增强颗粒放入送粉器；
(4)确定合适的扫描路径，并对运动控制单元进行程序编制，选取与扫描路径相匹配的工艺参数，开启水冷装置、激光器、送粉器以及气氛保护装置，在基体试样表面熔注增强颗粒；熔注的同时开启超声振动设备，施加脉冲超声，在基体试样表面制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层。
2.如权利要求1所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，步骤(1)中，保温温度250～350℃，保温时间1h。
3.如权利要求1所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，步骤(3)中，所述超声振动平台为脉冲功率超声平台，超声振动平台的超声波发生器通过电缆与超声波换能器连接，通过超声波变幅杆来放大振幅，最后通过超声波振动杆作用于振动平台上，其中变幅杆顶端半径25mm。
4.如权利要求1所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，步骤(3)中，超声参数为：超声功率200～500W，超声波频率19.5～20.5kHz，振幅50μm，工作方式连续，电源220V±5％/50Hz。
5.如权利要求1所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，步骤(3)中，送粉器的送粉速率为1.5r/min。
6.如权利要求1所述用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法，其特征在于，步骤(4)中，所述激光器为YAG连续激光器，激光参数为：激光功率1～2kW，光斑直径2～4mm；熔注过程采用的保护气为氩气。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111635005.8A CN114277370A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111635005.8A CN114277370A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114277370A true CN114277370A (zh) | 2022-04-05 |
Family
ID=80877761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111635005.8A Pending CN114277370A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114277370A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115572921A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-06 | 汕头大学 | 一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104451673A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-03-25 | 中国石油大学(华东) | 一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法 |
| CN105948722A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-09-21 | 大连理工大学 | 一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 |
| CN108381039A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-08-10 | 长春理工大学 | 超声辅助激光点焊装置及方法 |
| CN110052703A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-07-26 | 桂林电子科技大学 | 连续激光与超声复合表面微加工系统及方法 |
| CN110484914A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-22 | 大连理工大学 | 一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法 |
| CN112077446A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-12-15 | 南京航空航天大学 | 一种织构化表面一维超声振动辅助激光加工装置与方法 |
-
2021
- 2021-12-29 CN CN202111635005.8A patent/CN114277370A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104451673A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-03-25 | 中国石油大学(华东) | 一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法 |
| CN105948722A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-09-21 | 大连理工大学 | 一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 |
| CN108381039A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-08-10 | 长春理工大学 | 超声辅助激光点焊装置及方法 |
| CN110052703A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-07-26 | 桂林电子科技大学 | 连续激光与超声复合表面微加工系统及方法 |
| CN110484914A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-22 | 大连理工大学 | 一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法 |
| CN112077446A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-12-15 | 南京航空航天大学 | 一种织构化表面一维超声振动辅助激光加工装置与方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SOURABH BISWASA 等: "Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti-6Al-4V ELI alloy on surface properties", JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 35, no. 2, 27 September 2018 (2018-09-27), pages 295 - 302 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115572921A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-06 | 汕头大学 | 一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用 |
| CN115572921B (zh) * | 2022-10-28 | 2023-06-27 | 汕头大学 | 一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2021128979A1 (zh) | 一种激光复合冷喷涂高速沉积方法及冷喷涂设备 | |
| CN101519778B (zh) | 一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法 | |
| CN102465294B (zh) | 一种大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法 | |
| CN107400887A (zh) | 一种超声滚压强化激光熔覆层的方法 | |
| CN102453903B (zh) | 在连铸辊表面制备抗热耐磨合金涂层的方法 | |
| US10092975B2 (en) | Solid state additive manufacturing system | |
| CN101338428A (zh) | 镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺 | |
| CN105420722A (zh) | 钢结构防腐工艺 | |
| CN109913869A (zh) | 一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法 | |
| CN110923700A (zh) | 一种钢表面涂层、制备方法及装置 | |
| CN102453896A (zh) | 汽轮机末级叶片进气边表面耐磨抗蚀合金涂层的制备方法 | |
| CN101994113A (zh) | 水轮机组顶盖耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺 | |
| CN103194749A (zh) | 一种制备输送辊道表面抗热耐磨合金涂层的方法 | |
| CN102465291A (zh) | 采用激光熔覆技术制备扁头套自润滑耐磨层的方法 | |
| CN103820780A (zh) | 轧辊表面耐磨涂层的制备方法 | |
| CN111733414A (zh) | 一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备wc颗粒增强金属基复合涂层的方法 | |
| CN114277370A (zh) | 用于制备表面织构化颗粒增强耐磨涂层的超声辅助激光熔注成形方法 | |
| CN114481125B (zh) | 一种5系铝合金激光修复工艺及使用的Al-Mg-Sc-Zr粉末的制备方法 | |
| CN101338426A (zh) | 采煤机、掘煤机截齿齿体头部激光陶瓷合金化强化工艺 | |
| CN113718247B (zh) | 一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法 | |
| CN102453895A (zh) | 热轧板材精轧输送辊表面抗热耐磨合金涂层的制备方法 | |
| CN104250802A (zh) | 一种热轧无缝钢管张减辊激光熔覆超硬高速钢工艺方法 | |
| CN102453905B (zh) | 在混凝土输送泵车眼镜板表面制备耐磨合金涂层的方法 | |
| CN102453899B (zh) | 热轧板材助卷辊表面抗热耐磨合金涂层的制备方法 | |
| CN113512725A (zh) | 一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |