CN114555278A - 熔覆的工具和制造熔覆的工具的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用包括供给机构和能量源的分配器制造熔覆的工具的方法。该方法包括：提供基底以及将颗粒材料从供给机构分配到基底上。颗粒材料包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。该方法还包括：激活能量源以在颗粒材料、基底或两者上产生束斑，以及使用束斑至少部分地熔化颗粒材料、基底或两者，以在基底上形成颗粒材料的粘合层。

Description

熔覆的工具和制造熔覆的工具的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月22日提交的申请号为62/924,486的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及熔覆(cladding)且具体地涉及对工具的一部分进行激光熔覆。
熔覆涉及不同金属的粘合。激光熔覆是一种以受控方式将一种材料添加到另一种材料的表面的工艺。通常，所需的粉末材料流被送入激光束中，该激光束聚焦在待熔覆的物品上。当激光扫描表面时，粉末材料粘合到该物品的材料。
发明内容
在一个独立的方面，本发明提供了一种利用包括供给机构和能量源的分配器制造熔覆的工具的方法。该方法包括：提供基底以及将颗粒材料从供给机构分配到基底上。颗粒材料包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。该方法还包括：激活能量源以在颗粒材料、基底或两者上产生束斑；以及使用束斑至少部分地熔化颗粒材料、基底或两者，以在基底上形成颗粒材料的粘合层。
在另一个独立的方面，本发明提供了一种熔覆的工具，其包括基底和熔覆层，熔覆层粘合到基底以形成熔覆的工具的工作边缘。熔覆层包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。
在另一个独立的方面，本发明提供了一种利用包括供给机构和能量源的分配器制造熔覆的工具的方法。该方法包括提供基底以及将颗粒材料从供给机构分配到基底上。颗粒材料包括硬质相颗粒。该方法还包括激活能量源以在颗粒材料、基底或两者上产生束斑，以及使用束斑至少部分地熔化颗粒材料、基底或两者，以在基底上形成颗粒材料的粘合层。与靠近基底相比，粘合层在离基底较远处具有较高的硬质相颗粒的浓度。
在另一个独立的方面，本发明提供了一种熔覆的工具，其包括基底和熔覆层，熔覆层粘合到基底以形成熔覆的工具的工作边缘。熔覆层由包括硬质相颗粒的颗粒材料形成。与靠近基底相比，熔覆层在离基底较远处具有较高的硬质相颗粒的浓度。
在另一个独立方面，本发明提供了一种熔覆的锯片，其包括主体和粘合到主体的熔覆的切削刃。熔覆的切削刃包括多个切割齿。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是激光熔覆系统的示意图。
图2是图1的激光熔覆系统的透视图。
图3是包括激光熔覆的切削刃的锯片的透视图。
图4A是包括激光熔覆的切削刃的摆动式多功能工具刀片的正视图。
图4B是图4A的摆动式多功能工具刀片的切削刃的放大图。
图5A至图5I示出了能够具有激光熔覆的部分的多种不同类型的工具。
图6是用于熔覆工艺的大颗粒(macro-particles)的放大图。
图7是摆动式多功能工具刀片的切削刃的激光熔覆的齿的放大平面图。
图8是另一摆动式多功能工具刀片的切削刃的激光熔覆的齿的放大平面图。
图9是制造激光熔覆的工具的方法的流程图。
在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施方式并且能够以不同方式实践或实施。
具体实施方式
参考附图，本发明提供了一种熔覆的工具(cladded tool)和一种制造熔覆的工具的方法。该方法特别适用于对金属物体(例如切割、冲击、钻孔和研磨工具)的外表面进行激光熔覆。例如，往复锯片、摆动式多功能工具(OMT)刀片、螺旋钻钻头、圆锯片、孔锯片、阶梯钻头、导向钻头、锤钻头、手动工具、刀片、剃刀片等都可进行激光熔覆，以提高使用该工具的操作的效率。例如，这种工具可以与诸如电钻和其他锯之类的电动工具一起使用。该方法还可特别适用于对具有相对较小的切削刃的工具进行激光熔覆。例如，该方法适用于对具有高的每英寸齿数(TPI)的OMT刀片的切削刃进行激光熔覆。然而，激光熔覆不限于上述应用，并且激光熔覆的其他应用也是可能的。
图1示出了用于对物品20(例如工具)的外表面15进行激光熔覆的系统10。该系统包括具有供给机构30和能量源35的分配器25。供给机构30包括供给喷嘴40以供应粒状或粉末材料45。供给机构30可以联接到管道或供应管线，该管道或供应管线将供给喷嘴40连接到储存粉末材料45的储存器或容器。供给机构30被配置为将粉末材料45供应到物品20的外表面15。在一些实施方式中，分配器25可以分配多于一种类型的粉末材料45。因此，供给机构30可以包括额外的储存罐以储存额外类型的粉末材料45。
能量源35被提供以将热力施加到粉末材料45和在物品20的表面15上的目标部分。在所示的实施方式中，能量源35包括激光器。当通电时，能量源35产生激光束50，该激光束50包括位于物品20的表面15的目标区域上的束斑55。能量源35还包括控制机构(未示出)以选择性地控制激光束50从而产生期望的输出功率。此外，控制机构可以改变束斑55的尺寸或束斑55的几何形状。
优选地，能量源35产生期望的功率输出以加热粉末材料45和物品20的表面15的目标区域。该热力将至少部分地熔化粉末材料45和物品20的表面15，以使得当激光束50通过目标区域时，熔化的粉末材料45和物品20的表面15熔合(或以其他方式配合或相互作用)，以在物品20的表面15上形成粘合涂层60。在所示的实施方式中，分配器25包括供给机构30和能量源35。在其他实施方式中，供给机构30和能量源35可以是独立的部件，以使得粉末材料45从与产生激光束50的部件分开的部件分配。
在熔覆操作期间，分配器25被配置为产生屏蔽气体65保护层以保护激光束50和供给喷嘴40。屏蔽气体65还可以将粉末材料45保持在相互作用区(即熔池70)内以增加分配的粉末材料45的产量。
在所示的实施方式中，物品20被布置为可相对于分配器25移动。具体地，分配器25在熔覆操作期间保持固定，而物品20安装在可移动的工作站75(图2)上。工作站75可在由工作站75的表面80限定的平面85内移动。工作站75能够在平面85内以线性或非线性路径或模式(例如，笛卡尔坐标轴(即，x-、y-、z-轴))移动以对不同形状和尺寸的物品进行激光熔覆。在一些实施方式中，分配器25可相对于工作站75和物品20移动，以提供期望的位置、方向和相应部件之间的间隔。
工作站75、供给机构30和能量源35都可以由单个控制系统控制，该单个控制系统接收来自用户的输入从而以对应于物品20的特定几何形状的指定模式移动。例如，系统10可以由计算机数控(CNC)单元控制。CNC单元适于以期望的速度移动工作站75，而供给机构30和能量源35同时沿平面85跟踪。此外，CNC单元可被配置为控制供给喷嘴40的供给速率和能量源35的功率输出。
粉末材料45可以被选择为具有预定的化学和物理性能，以便于与物品20的材料进行聚结、熔合、混合、供给和/或粘合。在一些实施方式中，粉末材料45是粉末金属材料，其有利地适于在激光熔覆操作之后在物品20的表面15上形成坚固的冶金粘合的耐磨涂层。在所示的实施方式中，粉末材料45是金属基质复合材料(MMC)，其具有适于在涂层60中提供高耐磨性和耐侵蚀性磨损性能的特征。MMC包括基质材料和分散在基质材料中的硬质相颗粒。MMC可以包括按重量计约5％至90％的基质材料(即粘合剂相)和按重量计10％至90％的硬质相颗粒(即碳化物相)。在其他实施方式中，MMC可以包括按重量计10％至50％的基质材料和按重量计50％至90％的增强材料。
基质材料为粉末自熔合金的形式。例如，基质材料可以选自包括(但不限于)以下的组：镍、钴、铁、硼、硅或其任何组合。基质材料可以具有小于200微米的粒度(例如直径)。在一些实施方式中，基质材料可以具有在1微米和200微米之间的粒度。在其他实施方式中，基质材料可以具有在0.5微米和1微米之间的亚微米粒度。基质材料的粒度可以是相对均匀的或者可以是不同的。
镍、钴或铁基自熔合金是优选的基质材料，因为它们具有较低的熔化温度和对碳化物颗粒的较低反应性影响。此外，镍、钴和铁与碳化物颗粒和基本金属具有良好的润湿特征。
碳化物硬质相颗粒也是颗粒材料并且优选地选自包括(但不限于)以下的组：碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硅、碳化钒、金刚石、立方氮化硼、工具钢，和碳化硼。优选地，硬质相颗粒具有高硬度，高熔点，并且能够抵抗来自熔融MMC的化学侵蚀。此外，增强层可以表现出与熔融金属的良好润湿性。硬质相颗粒可以具有小于350微米的粒度(例如直径)。在其他实施方式中，硬质相颗粒可以具有小于200微米的粒度。在一些实施方式中，硬质相颗粒可以具有在1微米和350微米之间的粒度。在其他实施方式中，硬质相颗粒可以具有在5微米和200微米之间的粒度。硬质相颗粒的粒度可以是相对均匀的或者可以是不同的。
在所示的实施方式中，基质材料和硬质相颗粒结合并附聚(agglomerated)成更大的大颗粒。例如，如图6所示，0.8微米至1.0微米的硬质相颗粒110(例如碳化钨)可以与基质材料115(例如钴)附聚以形成30微米至100微米的附聚的大颗粒120。由于硬质相颗粒110通常是尖的和有角度的，因此粒度的增加增加了硬质相颗粒110的流动性。附聚的大颗粒120可以从供给喷嘴40一致地分配。因此，附聚的大颗粒120可根据ASTM B213标准具有8秒至14秒的流动性。
图7示出了工具130，其包括带有切割齿140的激光熔覆的切削刃135。在激光熔覆操作期间，硬质相颗粒110的尺寸在50微米至100微米之间并且硬质相颗粒110独立地分配在物品20上。然而，使用大的硬质相颗粒110将在激光熔覆的切削刃135中产生不包括硬质相颗粒115的大的区域145。相反，图8示出了当硬质相颗粒110与基质材料120附聚时的激光熔覆的切削刃135。如图所示，有更大的区域被硬质相颗粒110覆盖，这导致齿140的耐磨性增加。
在一些实施方式中，附聚的大颗粒120可以由在10％至20％之间的钴和在80％至90％之间的碳化钨制成。在其他实施方式中，附聚的大颗粒120可以由12％的钴和88％的碳化钨组成。在其他实施方式中，附聚的大颗粒120可以由钴和碳化钨的其他组合组成。在一些实施方式中，附聚的大颗粒120可以与额外的基质材料(即钴、镍等)结合以协助硬相的保持和分配。在一些实施方式中，附聚的大颗粒120是唯一被供给、沉积和熔化的粉末。
在一些实施方式中，硬质相颗粒和基质材料颗粒在被输送到供给机构30的供给喷嘴40之前被混合在一起以形成具有所需百分比的组合物。在一些实施方式中，在将组合物添加到与供给机构30连通的储存罐之前，可能需要混合材料。如上所述，在其他实施方式中，硬质相颗粒和基质材料颗粒可以分别通过单独的管道通过供给喷嘴40供给。
在熔覆操作期间，能量源35和供给机构30协作以向熔池70提供大体连续、稳定和均匀的粉末材料流，如图1所示。CNC单元或独立控制和/或传感装置被提供以连续地监测并在必要时调整能量源35和供给机构30中的一个或两个的输入参数，从而实现所需的连续、稳定、均匀的粉末材料45的流动并使其在熔覆操作期间被保持。此外，CNC单元或独立的控制和/或传感装置可以分别或同时启动和停止能量源35和供给机构。例如，CNC单元可以停止来自供给机构30的粉末流动，以便进行额外的激光重涂层。沉积耐磨涂层60的其他优点包括减少总激光热力输入、更小的平均碳化物粒度、更高百分比的夹带碳化物和碳化物的溶解、更低的基本材料稀释度和更小的热力影响区。另一个优点是通过添加多次激光重涂的次数来消除表面孔隙率，而无需添加更多粉末以确保粉末在基底上完全熔化。在一些实施方式中，可以沉积均匀的粉末，例如像M2等的铁基工具钢粉末。硬度是通过在粉末的熔化和凝固过程中的相变实现的，这与MMC不同(其硬相与基质材料混合在一起)。
在所示的实施方式中，粉末材料45包括按重量计5％至90％的基质材料和按重量计5％至90％的硬质相颗粒。在试验中已经观察到，当与预定的激光熔覆参数一起使用时，具有这些示例性性能的MMC所产生的涂层60在磨损性能方面具有改进的特性和特征。其他因素例如MMC内的粉末材料的形态和粒度分配可能会影响MMC层。
如图1所示，供给喷嘴40围绕能量源35延伸。换言之，供给喷嘴40与能量源35产生的激光束50同心。供给喷嘴40可操作以相对于物品20的表面15以一定角度供应粉末材料45(例如，供给喷嘴40沿轴线90供应粉末材料45，该轴线90与激光束50同心并相对于物品20的表面15在0度至90度的范围内)。供给喷嘴40被配置为将粉末材料45供给到激光束50的束斑55，以使得粉末材料45邻近熔池70通过激光束50。在其他实施方式中，供给喷嘴40可以将粉末材料45沉积在激光束50的束斑55后面或前面的位置。
分配器25也可操作以控制来自容纳粉末材料45的容器的粉末材料45的质量流量。例如，分配器25可以控制从供给喷嘴40沉积的粉末材料45的供给速率。在所示的实施方式中，分配器25可操作以产生高达每分钟30克的粉末供给速率。在其他实施方式中，分配器25可操作以产生大于每分钟30克的粉末供给速率。此外，分配器25可操作以控制屏蔽气体65的气体流速。例如，分配器可操作以分配高达每分钟50升。屏蔽气体65可以优选地选自由以下(但不限于以下)组成的组：氩气、氖气、氙气、氡气、氮气或氪气。分配器25能够以各种气体流速输出屏蔽气体65。另外，可以基于束斑尺寸、期望的层厚度和层形态来调整气体流速。此外，分配器25可由CNC单元控制以混合粉末材料45或在从供给喷嘴40沉积之前预热粉末材料45。例如，分配器25可以包括搅拌器以在离开供给喷嘴40之前混合粉末材料45。
分配器25还可操作以调节激光束50从能量源35行进以接触物品20的表面15的距离。因此，分配器25可以是可相对于工作站75和物品20移动的。例如，分配器25可以在与物品20的表面15正交的方向上移动，以增加或减少从激光器延伸的激光束50的长度。优选地，在激光熔覆操作期间，激光束50从分配器25延伸1/4英寸至3英尺的距离。在其他实施方式中，该距离可以大于3英尺或小于1/4英寸。此外，分配器25可以是可枢转的，以相对于物品20的表面15以不同角度调节能量源35和供给喷嘴40。例如，分配器25可以相对于物品20的表面15枢转到0度至90度的角度。因此，能量源35可以一定的角度定向以产生相对于物品20的表面15成角度的激光束50，并且供给机构30可以一定的角度定向以相对于物品20的表面15以一定的角度沉积粉末材料45。在一些实施方式中，能量源35和供给机构30可以相对于物品20的表面15以彼此不同的角度定向。
物品20可以包括作为物品20的基础的基底材料。基底通常是金属，例如工具钢、钛或铝。在一些实施方式中，基底材料可以选自超高强度钢(D6A)、合金钢(6150)、碳钢(1075)或低碳钢(1020)。在其他实施方式中，基底材料可以是其他类型的钢。可以在熔覆操作之前对基底进行预处理。例如，可以在熔覆操作之前对基底进行退火或淬火和回火，以去除内部应力并提高基底材料的机械性能。此外，基底的厚度可能会影响在熔覆操作期间粉末材料45的稀释。因此，基底材料的厚度可以变化。例如，基底可以具有大于0.02毫米的厚度。或者，基底可以具有小于30毫米的厚度。在一些实施方式中，基底可以具有0.02毫米至30毫米的厚度。基底的表面还可以包括表面处理。表面处理可以为熔覆操作提供光滑清洁的表面。
在熔覆操作之前，可以预热基底材料以加速物品20和粉末材料45之间的熔合。此外，预热基底可以帮助降低冷却速率，这将降低不同热膨胀系数(CTE)对基底和沉积的MMC的影响。预热也可用于控制影响与激光沉积过程相关的硬度和相变的冷却速度。为了预热基底材料，可以将物品20放置在加热源(例如烤箱、炉子或感应线圈)中。预热过程可能会受到许多变量的影响，例如升温速率、温度、时间以及预热和熔覆操作之间的时间。例如，基底材料可以在预热过程中经受可变的热力。因此，温度升高的速率可能会不同，直到达到最高温度。升温速率可以在每秒10华氏度到100华氏度之间。此外，可以将基底预热至350华氏度、500华氏度、750华氏度、900华氏度或1050华氏度的最高温度以达预定的时间量。在一些实施方式中，最高温度可以在350华氏度和1050华氏度之间。在进一步的实施方式中，当基底是钢时，最高温度不超过与向奥氏体相变相关的A1温度。或者，最高温度可以高于350华氏度。该预定的时间量可以在1分钟到30分钟之间。此外，在开始熔覆操作之前，可以让基底静置/冷却达一小时。虽然，在一些实施方式中，最少的静置/冷却时间可能是优选的。因此，静置/冷却的时间可以在10秒和5分钟之间。
在所示的实施方式中，物品20可以在熔覆操作之前或在熔覆操作之后形成为特定的形状和尺寸。例如，锯片的齿可以在熔覆操作之前或熔覆操作之后形成。在齿在熔覆操作之前形成的情况下，加工工具可以切割或磨削物品20的边缘以形成齿或切削刃。然后，在熔覆操作期间，涂层60以与物品20的切削刃/齿相匹配的模式施加。或者，可以首先将涂层60施加到物品20的直边上。一旦施加了预定数量的涂层60，则物品20可以特定的模式被切割或磨削以产生齿或切削刃。在其他实施方式中，涂层60可以形成为物品的最终期望形状(或接近最终期望形状)。在这样的实施方式中，可能不需要(或只需要很少的)切割或磨削来产生齿或切削刃。此外，钻头的切削刃可以如上所述的在熔覆操作之前或之后形成。
如前所述，能量源35可操作以在与物品20的表面15大体正交的方向上发射激光束50通过光学聚焦机构。在一些实施方式中，聚焦机构可以为一系列透镜的形式，其将光束聚焦并引导朝向物品20的表面15的目标区域。激光束50与物品20的表面15接触的位置是束斑55。CNC单元可操作以控制能量源35产生具有不同尺寸和几何形状的束斑55。例如，激光束50可以具有直径或宽度至少为0.5毫米的束斑55。或者，激光束50可以具有直径或宽度小于20毫米的束斑55。在其他实施方式中，激光束50可以具有直径或宽度在0.5毫米和20毫米之间的束斑55。此外，CNC单元可操作以控制束斑55的几何形状。例如，束斑55可以是圆形、三角形、卵形、正方形、矩形或椭圆形。
如上所述，能量源35由能够选择性地调节和控制能量源35的功率输出的CNC单元控制。能量源35优选地选自由以下(但不限于以下)组成的组：CO2激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器、二极管泵浦的Nd:YAG激光器、二极管激光器、圆盘激光器、红外激光器和光纤激光器。能量源35优选地具有至少1千瓦的功率输出。或者，能量源35可以具有小于20千瓦的功率输出。在一些实施方式中，能量源35可以具有在大约1千瓦至20千瓦的范围内的功率输出。例如，光纤激光器的能量输出可以在300瓦到1.8千瓦之间。另外或替代地，能量源35的功率输出可以在熔覆操作期间改变。当然，本领域的技术人员可以理解，本发明的应用并不限于在指定功率范围内操作的能量源35，而是可以选择为具有用于预期的熔覆应用所需的功率要求。
在熔覆操作期间，能量源35将物品20的表面15熔化至预定的深度，从而在物品20的表面15上形成熔池70。粉末材料45同时被熔化。粉末材料45的预定化学和物理特性被选择为使得在熔池70中的熔融的粉末材料45和基底金属凝聚在一起，以在物品20的表面15上形成冶金粘合的耐磨涂层60。
在所示的实施方式中，能量源35是可控的，以调节激光束50穿透物品20的表面15以熔化基底的深度。熔化的基底的部分是稀释区域95。能够控制物品20的表面15熔化的深度的能力减小了熔融熔池70中基底金属的稀释区域95，从而在形成耐磨涂层60时大体上保持了粉末材料45的初始和预期的材料性质。粉末材料45的材料特性可以包括例如其成分和硬度。在这种情况下，几何稀释被定义为基底中的熔覆深度与总熔覆高度的比率。通过使用本文所述的激光熔覆工艺，可以实现小于5％的稀释率，前提是在狭窄的工艺范围内适当地精确控制激光参数。
如下文进一步详细描述的，通过使用相对较高的行进或扫描速度可以使用较低的比热能(即，能量源35的输出功率)。特别地，较快的扫描速度有利地使熔池70的尺寸能够减小，可能需要多次通过(减小的节距/增加的重叠)以实现期望的厚度。更快的扫描速度还可以降低基底中的导电损耗，从而实现给定材料供给速率所需的更低功率。因此，并且有利地，这使得在能量源35的相同输出功率下，可以使用更高的材料供给速率和热源扫描速度。此外，有时以较慢的扫描速度进行一次通过比以更快的扫描速度进行多次通过可能是更为有利的。
能量源35被配置成使得涂层60以预定的行进速度被沉积或施加到表面15，该预定的行进速度是能量源35(以及因此熔池70)相对于物品20的表面15的移动速度(即激光束50沿物品20的表面15或在物品20的表面15上移动的速度)。例如，对于在1千瓦到10千瓦范围内的激光功率输出，行进速度一般可以设置在每分钟500毫米到每分钟2,000毫米的范围内。在其他实施方式中，行进速度可以变化。然而，已经发现，可以通过增加能量源35的行进速度来实现改进的熔覆特性(包括改进的耐磨性)。在一些实施方式中，将行进速度设置在每分钟4,000毫米至每分钟40,000毫米的范围内，在改进涂层60的熔覆特性(包括改进的耐磨性)方面提供了特别的优势。本文所述的能量源35的较高行进速度有利于产生其中粉末材料45在涂层60内的分配显着更均匀、与基底的稀释显着降低以及热影响区更小的涂层60。
如上所述，当分配器25在物品20上扫描时，物品20上会产生涂层60。在所示的实施方式中，多个涂层60沉积在物品20上。例如，物品20可以包括1个至50个涂层60。在一些实施方式中，每个涂层60的厚度可以在0.1毫米和10毫米之间。每个涂层60都可以在分配器25的扫描期间与下一个涂层熔化粘合。因此，每个扫描和每个涂层60可以与先前施加的涂层60重叠。涂层60可以与先前施加的涂层60重叠的程度为在涂层60的宽度的大约0％至60％的范围内，其中每次扫描都能达到涂层60的期望厚度/高度。在一些实施方式中，涂层60可以与先前的涂层60重叠的程度为超过涂层60的宽度的50％。
在熔覆操作之后，可以对物品20进行额外的热处理。例如，物品20可以被热回火或硬化。在回火和硬化期间，热源的温度和物品20暴露于热力的时间量可以改变。在硬化过程中，炉内气氛和淬火剂或应用于淬火的液体可以改变。
图3示出了物品20为与往复锯一起使用的往复锯片200。往复锯片200包括经过退火处理的超高强度钢制成的背衬或主体。往复锯片200还包括激光熔覆的切削刃210以提高其耐磨性。在所示的实施方式中，切削刃210沿其长度具有20TPI的节距。切削刃210由通过激光熔覆产生的多个涂层60形成。例如，所示出的切削刃210包括十四个涂层60。涂层60在切削刃210处产生大约3.3毫米的堆积。在其他实施方式中，切削刃210可由更少或更多的涂层形成和/或涂层60可产生更小或更大的堆积。多个切割齿215限定在涂层60中。
在熔覆操作之前，往复锯片200被预热。例如，往复锯可以在预定的时间量内以感应斜率预热到期望的温度。在一些实施方式中，期望的温度可以是至少350华氏度。在其他实施方式中，期望的温度可以在350华氏度和600华氏度之间。在一些实施方式中，预定的时间量可以小于一分钟。在其他实施方式中，预定的时间量可以在10秒和30秒之间。
在熔覆操作期间，分配器25以预定的速率沉积粉末材料。在一些实施方式中，预定的速率可以是每分钟30克或更小。在其他实施方式中，预定的速率可以大于每分钟30克。在进一步的实施方式中，预定的速率可以在每分钟2克和每分钟30克之间。分配器25还以预定的速率控制屏蔽气体。在一些实施方式中，预定的速率可以是至少每分钟5升。在其他实施方式中，预定的速率可以小于每分钟500升。在进一步的实施方式中，预定的速率可以在每分钟5升和每分钟50升之间。
能量源35可以产生束斑并且以期望的功率操作。在一些实施方式中，束斑可以具有至少0.5毫米的尺寸(例如，宽度或直径)。在其他实施方式中，束斑可以具有小于20毫米的尺寸。在进一步的实施方式中，束斑可以具有在0.5毫米和20毫米之间的尺寸。在一些实施方式中，期望的功率可以是至少300瓦。在其他实施方式中，期望的功率可以小于750瓦。在另外的实施方式中，期望的功率可以在300瓦和750瓦之间。在另外的实施方式中，期望的功率可以大于750瓦。
CNC单元可以相对于能量源35以期望的行进或扫描速度移动锯片200。在一些实施方式中，期望的行进速度是至少每分钟500毫米。在其他实施方式中，期望的行进速度小于每分钟2000毫米。在进一步的实施方式中，期望的行进速度在每分钟500毫米和每分钟2000毫米之间。在进一步的实施方式中，期望的行进速度可以大于每分钟2000毫米。
参考图4A，该物品是摆动式多功能工具刀片300，其具有主体305和切削刃310。OMT刀片300的切削刃310已经被激光熔覆有多个涂层60以提高其耐磨性。切削刃310的激光熔覆和主体由界面315分开。多个切割齿320限定在切削刃310的涂层60中。可以看出，OMT刀片300包括比上述往复锯片200大得多的每英寸齿数比(TPI)。例如，OMT刀片200可以包括高达50TPI的节距。在一些实施方式中，OMT刀片可以包括大于50TPI的节距。在其他实施方式中，切削刃310可以包括大于25TPI的节距。
参考图4B，在激光熔覆工艺期间，随着涂层60的建立，与切削刃310的切割齿312相比，较靠近界面315的OMT刀片的基底包括较低百分比的硬质相颗粒。换言之，随着涂层60的建立，与在基底和激光熔覆之间的界面315相比，更多的硬质相颗粒在切割齿312附近被激光熔覆。例如，在切割齿312附近的硬质相颗粒的面积百分比可以在45％和80％之间的范围内。或者，在界面315附近的硬质相颗粒的面积百分比可以在20％和40％之间的范围内。在其他实施方式中，在切割齿312附近的硬质相颗粒的面积百分比可以大于80％或小于45％。此外，在界面315附近的硬质相颗粒的面积百分比可以大于40％或小于20％。
图5A至图5I示出了其他激光熔覆的物品。例如，上述的激光熔覆工艺可用于螺旋钻头400(图5A)、圆锯片500(图5B)、孔锯片600(图5C)、阶梯钻头700(图5D)、往复锯片800(图5E)、锤钻头900(图5F)、手动工具1000(图5G)、小刀1100(图5H)或剃刀片1200(图5I)。
图9示出了激光熔覆方法的流程图。尽管流程图包括特定的步骤，但并非所有步骤都需要执行或需要按照所提出的顺序执行。该方法的第一步1300是提供基底。该方法的第二步1310是提供包括供给机构和能量源的分配器。第三步1320是将能量源激活到基底上。在一些实施方式中，激活能量源包括激活激光束以在基底上产生束斑。第四步1330是通过分配器将颗粒分配到基底上。具体地，在束斑的位置将颗粒分配到基底上以产生熔池。在一些实施方式中，颗粒是附聚颗粒。第五步1340是在基底的表面上形成粘合涂层。在一些实施方式中，与粘合涂层的内边界(相对于基底而言)相比，粘合涂层的外边界(相对于基底而言)附近的硬质相颗粒的百分比较高。第六步1350是相对于分配器移动基底以在基底的表面上延伸涂层。第七步1360是通过重复以上六个步骤以将多个涂层施加到基底上。
尽管已经参考以上的一些实施方式详细地描述了本发明，但是在本发明的范围和精神内存在变化和修改。
在以下权利要求中阐述了本发明的多种特征和优点。

Claims (30)

1.一种利用包括供给机构和能量源的分配器制造熔覆的工具的方法，所述方法包括：
提供基底；
将颗粒材料从所述供给机构分配到所述基底上，所述颗粒材料包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒；
激活所述能量源以在所述颗粒材料、所述基底或两者上产生束斑；以及
使用所述束斑至少部分地熔化所述颗粒材料、所述基底或两者，以在所述基底上形成颗粒材料的粘合层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个附聚颗粒包括基质材料和硬质相颗粒。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述颗粒材料包括第二基质材料，其与所述附聚颗粒的所述基质材料分开。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基质材料是钴并且所述硬质相颗粒是碳化钨。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述附聚颗粒是12％的钴和88％的碳化钨。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括相对于所述基底或所述分配器中的一个移动所述基底或所述分配器中的另一个以沿所述基底的长度形成所述粘合层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，相对于所述基底或所述分配器中的一个移动所述基底或所述分配器中的另一个包括相对于所述基底或所述分配器中的所述一个移动所述基底或所述分配器中的所述另一个以在所述基底上形成多个颗粒材料的粘合层。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在具有所述颗粒材料的粘合层的所述基底上形成切削刃。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述切削刃包括在具有所述颗粒材料的粘合层的所述基底上形成多个切割齿。
10.一种熔覆的工具，包括：
基底；以及
熔覆层，其粘合到所述基底以形成所述熔覆的工具的工作边缘，所述熔覆层包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。
11.根据权利要求10所述的熔覆的工具，其中，每个附聚颗粒包括基质材料和硬质相颗粒。
12.根据权利要求11所述的熔覆的工具，其中，与靠近所述基底相比，所述熔覆层在离所述基底较远处具有较高的硬质相颗粒的面积浓度。
13.根据权利要求11所述的熔覆的工具，其中，所述基质材料是钴并且所述硬质相颗粒是碳化钨。
14.根据权利要求10所述的熔覆的工具，还包括多个熔覆层，所述多个熔覆层粘合到所述基底以形成所述熔覆的工具的所述工作边缘，每个熔覆层包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。
15.根据权利要求10所述的熔覆的工具，其中，所述熔覆的工具是锯片，并且其中所述工作边缘包括多个切割齿。
16.根据权利要求10所述的熔覆的工具，其中，所述熔覆的工具是选自由钻头、手动工具、刀和剃刀片组成的组中的一种，并且其中所述工作边缘是切削刃。
17.一种利用包括供给机构和能量源的分配器制造熔覆的工具的方法，所述方法包括：
提供基底；
将颗粒材料从所述供给机构分配到所述基底上，所述颗粒材料包括硬质相颗粒；
激活所述能量源以在所述颗粒材料、所述基底或两者上产生束斑；以及
使用所述束斑至少部分地熔化所述颗粒材料、所述基底或两者，以在所述基底上形成所述颗粒材料的粘合层，与靠近所述基底相比，所述粘合层在离所述基底较远处具有较高的硬质相颗粒的浓度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述硬质相颗粒是碳化钨。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，离所述基底较远的硬质相颗粒的面积百分比在45％和80％之间，并且其中靠近所述基底的硬质相颗粒的面积百分比在20％和40％之间。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括相对于所述基底或所述分配器中的一个移动所述基底或所述分配器中的另一个以沿所述基底的长度形成所述粘合层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，相对于所述基底或所述分配器中的一个移动所述基底或所述分配器中的另一个包括相对于所述基底或所述分配器中的所述一个移动所述基底或所述分配器中的所述另一个以在所述基底上形成多个颗粒材料的粘合层。
22.一种熔覆的工具，包括：
基底；以及
熔覆层，其粘合到所述基底以形成所述熔覆的工具的工作边缘，所述熔覆层由包括硬质相颗粒的颗粒材料形成，与靠近所述基底相比，所述熔覆层在离所述基底较远处具有较高的硬质相颗粒的浓度。
23.根据权利要求22所述的熔覆的工具，其中，所述硬质相颗粒是碳化钨。
24.根据权利要求22所述的熔覆的工具，其中，离所述基底较远的硬质相颗粒的面积百分比在45％和80％之间，并且其中靠近所述基底的硬质相颗粒的面积百分比在20％和40％之间。
25.根据权利要求22所述的熔覆的工具，其中，所述熔覆的工具是锯片，并且其中所述工作边缘包括多个切割齿。
26.根据权利要求22所述的熔覆的工具，其中，所述熔覆的工具是选自由钻头、手动工具、刀和剃刀片组成的组中的一种，并且其中所述工作边缘是切削刃。
27.一种熔覆的锯片，包括：
主体；
粘合到所述主体的熔覆的切削刃，所述熔覆的切削刃包括多个切割齿。
28.根据权利要求27所述的熔覆的锯片，其中，所述多个切割齿的节距在每英寸20个齿和每英寸50个齿之间。
29.根据权利要求27所述的熔覆的锯片，其中，所述熔覆的切削刃包括直径在30微米和100微米之间的附聚颗粒。
30.根据权利要求27所述的熔覆的锯片，其中，与靠近所述主体相比，所述熔覆的切削刃在离所述主体较远处具有较高的硬质相颗粒的面积百分比。
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