CN114807926A - 一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用激光束加工技术领域，也可能涉及金属粉末的加工，特别是涉及一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，与现有技术不同的是：无需对蠕墨铸铁基体进行预热，先使过渡合金粉末通过激光熔覆技术在蠕墨铸铁基体表面形成一层或多层与蠕墨铸铁基体结合良好的过渡层，然后使赋能合金粉末通过激光熔覆技术在过渡层的表面形成一层或多层与过渡层结合良好的赋能层。与现有技术相比，本发明无需熔覆前预热处理，是一种低能耗、快捷的熔覆方法；成功消除了熔覆过程易产生的气孔、裂纹等缺陷；提高了蠕墨铸铁表面的硬度、结合强度及耐磨损性能；增加了蠕墨铸铁表面激光熔覆材料类型选择的多样性。
Description
技术领域
本发明涉及用激光束加工技术领域，也可能涉及金属粉末的加工，特别是涉及一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法。
背景技术
蠕墨铸铁材料兼具灰铸铁和球墨铸铁的优点，具有高的减振性、优良的导热性、强度高及易加工等特点，广泛的应用于发动机缸体、缸盖及气门座等关键零部件的生产制造。然而蠕墨铸铁材料仍存在一定的缺陷，如蠕墨铸铁发动机气门座在各种极端工况服役过程中，表面易产生磨损和腐蚀，降低了发动机的使用性能。如何对蠕墨铸铁气门座表面改性提高其耐磨损和耐腐蚀等性能，以避免蠕墨铸铁发动机整体过早失效，延长其使用寿命是本领域的研发方向之一。
激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它是利用高能激光束使添加的合金粉末材料及基材表面薄层熔化，形成具有特殊功能及低稀释率并且与基材呈冶金结合的涂层，从而在金属工件表面获得具有耐磨、耐腐蚀和耐高温等优异性能的技术。但将激光熔覆技术直接应用于蠕墨铸铁基体时，蠕墨铸铁基体中由于存在的高含碳量、低强度的石墨相，焊接性极差，在蠕墨铸铁类零件表面直接进行激光熔覆具有耐高温、耐磨、耐腐蚀等性能的赋能粉末时，蠕墨铸铁基体与熔覆层在快速凝固和冷却过程中极易产生裂纹和气孔等缺陷，造成熔覆层与蠕墨铸铁基体结合强度不高，在实际使用过程中受到气门的高频冲击易发生压溃报废，因此如何利用激光熔覆工艺方法提高蠕墨铸铁发动机气门座表面性能，现有技术在此方面尚未有重大的突破。
发明内容
为解决在蠕墨铸铁表面直接进行激光熔覆耐磨、耐腐蚀赋能层过程中易产生的气孔、裂纹等缺陷，提高蠕墨铸铁气门座表面的耐磨损、耐腐蚀及耐高温性能，延长蠕墨铸铁发动机使用寿命，本发明提供一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，避免蠕墨铸铁在激光熔覆过程中产生的气孔、裂纹等缺陷，提高蠕墨铸铁类零部件的使用性能。
本发明所采取的技术方案是：
一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，与现有技术不同的是：无需对蠕墨铸铁基体进行预热，先使过渡合金粉末通过激光熔覆技术在蠕墨铸铁基体表面形成一层或多层与蠕墨铸铁基体结合良好的过渡层，然后使赋能合金粉末通过激光熔覆技术在过渡层的表面形成一层或多层与过渡层结合良好的赋能层。
作为优选，过渡合金粉末为多元稀土镍基合金粉末，赋能合金粉末为耐磨、耐腐蚀及耐高温的镍基粉末。
作为优选，过渡合金粉末由如下质量百分比的原料组成：0.2％～0.8％的CeO2；0.5％～1.2％的Y2O3；0.1％～0.5％La2O3；0.02％～0.06％的C；18％～20％的Cr；0.01～0.08％的Co；3～5％的Nb；0.01～0.04％的Si；14.5％～18％的Fe和余量的Ni。
作为优选，赋能合金粉末由如下质量百分比的原料组成：0.1％～0.5％的C；18％～23％的Cr；0.5～3％的W；0.5～1.5％的Mo；1～4％的Si；7％～15％的Fe和余量的Ni。
作为优选，赋能合金粉末由如下质量百分比的原料组成：1％～2％的C；27％～32％的Cr；3～9％的W；0.5～1.5％的Mo；1～2％的Si；7％～15％的Fe和余量的Co组成。
作为优选，在形成过渡层之前，对蠕墨铸铁基体的待熔覆位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净。
作为优选，形成过渡层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1100～1400W，扫描速度为5～8mm/s，送粉速度为10-15g/min，搭接率为60～75％，熔覆层宽度为10～13mm，熔覆层厚度为0.5～1.5mm。
作为优选，形成赋能层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200～1500W，扫描速度为5～10mm/s，送粉速度为10-25g/min，搭接率为60～75％，熔覆层宽度为8～11mm，熔覆层厚度为1.5～2mm。
作为优选，形成赋能层后对蠕墨铸铁基体的熔覆位置进行保温缓冷至室温。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
无需熔覆前预热处理，是一种低能耗、快捷的熔覆方法；成功消除了熔覆过程易产生的气孔、裂纹等缺陷；提高了蠕墨铸铁表面的硬度、结合强度及耐磨损性能；增加了蠕墨铸铁表面激光熔覆材料类型选择的多样性。
附图说明
图1是蠕墨铸铁基体在通过本发明的激光熔覆后形成层级结构示意图；
图2是实施例1的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法形成激光熔覆层的截面金相照片；
图3是对比例1的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过传统方法形成激光熔覆层的截面金相照片；
图4是实施例1的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法形成激光熔覆层的截面硬度曲线；
图5是实施例1的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法进行激光熔覆后的无损探伤照片；
图6是实施例2的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法形成激光熔覆层的截面金相照片；
图7是对比例2的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过传统方法形成激光熔覆层的截面金相照片；
图8是实施例2的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法形成激光熔覆层的截面硬度曲线；
图9是实施例2的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座通过本发明方法进行激光熔覆后的无损探伤照片。
附图标记：
1—蠕墨铸铁基体；2—过渡层；3—赋能层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是示意性地示出本发明所涉及的蠕墨铸铁激光熔覆层结构。图1仅为示意性的给出激光熔覆复合熔覆层的结构，过渡层2也可称之为打底层，可以是一层，也可以是多层；赋能层3也可称之为盖面，可以是一层，也可以是多层，过渡层2和/或赋能层3的数量以及厚度可根据实际需求进行选择。
实施例1：
RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净；
选择多元稀土镍基合金粉对蠕墨铸铁气门座位置进行过渡层的激光熔覆，多元稀土镍基合金粉的组分按质量百分比为0.4％的CeO2；0.6％的Y2O3；0.3％La2O3；0.03％的C；18.5％的Cr；0.05％的Co；3.7％的Nb；0.03％的Si；16％的Fe和余量的Ni。
过渡层激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200W，扫描速度为6mm/s，送粉速度为11g/min，搭接率为65％，熔覆层宽度为11.5mm，熔覆层厚度为0.8mm；
选择耐磨、耐腐蚀及耐高温的镍基合金粉末在上述过渡层上进行赋能层的激光熔覆，镍基合金粉末的组分按质量百分比为0.4％的C；19.5％的Cr；2％的W；0.7％的Mo；1.6％的Si；9.5％的Fe和余量的Ni。
赋能层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200W，扫描速度为6mm/s，送粉速度为11g/min，搭接率为65％，熔覆层宽度为10mm，熔覆层厚度为1.6mm；
对熔覆后的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行保温缓冷，降至室温后对熔覆层表面进行着色探伤，如图5所示，熔覆层表面未发现气孔、裂纹等缺陷。
对熔覆后的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行金相观察，如图2所示，激光熔覆的过渡层与蠕墨铸铁RT450基体间形成良好的冶金结合，过渡层与赋能层间形成良好的冶金结合，熔覆层截面未发现明显的气孔、裂纹等缺陷。
对熔覆后的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行截面硬度测试，结果如图4所示，过渡层的硬度约270～340Hv，过渡层硬度介于赋能层硬度与基体硬度之间，使得高硬度赋能层至低硬度基体间梯度过渡，有利于熔覆层内部残余应力的平稳分布，避免熔覆层产生开裂。
对比例1：
在RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净；
选择耐磨、耐腐蚀及耐高温的镍基合金粉末在砂轮打磨过的表面进行赋能层的激光熔覆，镍基合金粉末的组分按质量百分比为0.4％的C；19.5％的Cr；2％的W；0.7％的Mo；1.6％的Si；9.5％的Fe和余量的Ni。
赋能层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200W，扫描速度为6mm/s，送粉速度为11g/min，搭接率为65％，熔覆层宽度为10mm，熔覆层厚度为1.6mm；
对熔覆后的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行金相观察，如图3所示，本对比例1在赋能层与Rt450基体之间未设置过渡层，因此，不产生过渡层对蠕墨铸铁RT450基体石墨相热分解后的除杂及稳定作用。因而并不能有效减少激光熔覆过程中碳与氧反应生成的一氧化碳气体。如图3所示，激光赋能层与蠕墨铸铁RT450基体间产生一道裂纹、三个气孔的明显缺陷。
实施例2：
RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净；
选择多元稀土镍基合金粉对蠕墨铸铁气门座位置进行过渡层的激光熔覆，多元稀土镍基合金粉的组分按质量百分比为0.6％的CeO2；0.8％的Y2O3；0.2％La2O3；0.04％的C；19.3％的Cr；0.07％的Co；4.5％的Nb；0.02％的Si；16.5％的Fe和余量的Ni。
过渡层激光熔覆工艺参数为：激光功率为1300W，扫描速度为7mm/s，送粉速度为12g/min，搭接率为70％，熔覆层宽度为12.5mm，熔覆层厚度为0.9mm；
选择耐磨、耐热的钴基合金粉在上述过渡层上进行赋能层的激光熔覆，耐磨、耐热的钴基合金粉的组分按质量百分比为1.8％的C；29.3％的Cr；5.5％的W；1.2％的Mo；1.5％的Si；8％的Fe和余量的Co。
赋能层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1300W，扫描速度为7mm/s，送粉速度为12g/min，搭接率为70％，熔覆层宽度为10.5mm，熔覆层厚度为1.8mm；
对熔覆后的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行保温缓冷，降至室温后对熔覆层表面进行着色探伤，如图9所示，熔覆层表面未发现气孔、裂纹等缺陷。
对熔覆后的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行金相观察，如图6所示，激光熔覆过渡层与蠕墨铸铁RT300基体间形成良好的冶金结合，过渡层与赋能层间形成良好的冶金结合，熔覆层截面未发现明显的气孔、裂纹等缺陷。
对熔覆后的RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行截面硬度测试，结果如图8所示，过渡层的硬度也是约270～340Hv，过渡层硬度介于赋能层硬度与基体硬度之间，使得高硬度赋能层至低硬度基体间梯度过渡，有利于熔覆层内部残余应力的平稳分布，避免熔覆层产生开裂。
对比例2：
RT300蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净；
选择耐磨、耐热的钴基合金粉在砂轮打磨过的地方进行赋能层的激光熔覆，耐磨、耐热的钴基合金粉的组分按质量百分比为1.8％的C；29.3％的Cr；5.5％的W；1.2％的Mo；1.5％的Si；8％的Fe和余量的Co。
赋能层的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1300W，扫描速度为7mm/s，送粉速度为12g/min，搭接率为70％，熔覆层宽度为10.5mm，熔覆层厚度为1.8mm；
对熔覆后的RT450蠕墨铸铁发动机缸盖气门座位置进行采样并进行金相观察，本对比例2在赋能层与Rt300基体之间未设置过渡层，因此，不产生过渡层对蠕墨铸铁RT300基体石墨相热分解后的除杂及稳定作用。因而并不能有效减少激光熔覆过程中碳与氧反应生成的一氧化碳气体。如图7所示，赋能层与蠕墨铸铁RT300基体间产生一道明显的裂纹。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，无需对蠕墨铸铁基体(1)进行预热，先使过渡合金粉末通过激光熔覆技术在蠕墨铸铁基体(1)表面形成一层或多层与蠕墨铸铁基体(1)结合良好的过渡层(2)，然后使赋能合金粉末通过激光熔覆技术在过渡层(2)的表面形成一层或多层与过渡层(2)结合良好的赋能层(3)。
2.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，所述过渡合金粉末为多元稀土镍基合金粉末；所述赋能合金粉末为耐磨、耐腐蚀及耐高温的镍基粉末。
3.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，所述过渡合金粉末由如下质量百分比的原料组成：0.2％～0.8％的CeO2；0.5％～1.2％的Y2O3；0.1％～0.5％的La2O3；0.02％～0.06％的C；18％～20％的Cr；0.01～0.08％的Co；3～5％的Nb；0.01～0.04％的Si；14.5％～18％的Fe；余量为Ni。
4.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，所述赋能合金粉末由如下质量百分比的原料组成：0.1％～0.5％的C；18％～23％的Cr；0.5～3％的W；0.5～1.5％的Mo；1～4％的Si；7％～15％的Fe；余量为Ni。
5.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，所述赋能合金粉末由如下质量百分比的原料组成：1％～2％的C；27％～32％的Cr；3～9％的W；0.5～1.5％的Mo；1～2％的Si；7％～15％的Fe；余量为Co。
6.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：在形成过渡层(2)之前，对蠕墨铸铁基体(1)的待熔覆位置用砂轮打磨至金属光泽，并用酒精将表面的油、水等污物擦拭干净。
7.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，形成过渡层(2)的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1100～1400W；扫描速度为5～8mm/s；送粉速度为10-15g/min；搭接率为60～75％；熔覆层宽度为10～13mm；熔覆层厚度为0.5～1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，形成赋能层(3)的激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200～1500W；扫描速度为5～10mm/s；送粉速度为10-25g/min；搭接率为60～75％；熔覆层宽度为8～11mm；熔覆层厚度为1.5～2mm。
9.根据权利要求1所述的一种在蠕墨铸铁发动机气门座表面进行激光熔覆的方法，其特征在于，形成赋能层(3)后对蠕墨铸铁基体(1)的熔覆位置进行保温缓冷至室温。
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