CN116037957A

CN116037957A - 一种截齿激光熔覆增材的方法

Info

Publication number: CN116037957A
Application number: CN202211462617.6A
Authority: CN
Inventors: 请求不公布姓名
Original assignee: Hengpu Ningbo Laser Technology Co ltd
Current assignee: Hengpu Ningbo Laser Technology Co ltd
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2042-11-21
Also published as: CN116037957B

Abstract

本申请涉及激光熔覆领域，公开了一种截齿激光熔覆增材的方法。本申请将截齿待熔覆区域的转速这一工艺参数纳入其中，使其与激光功率密度、激光扫描速度、光斑直径等其他激光熔覆工艺参数相配合，形成不同于常规单熔道的熔覆路径，通过控制界面反应条件，从工艺角度改善了高体积分数陶瓷材料形成的耐磨层容易开裂的现象，从而为使复合材料大比例使用陶瓷材料奠定基础。

Description

一种截齿激光熔覆增材的方法

技术领域

本申请涉及激光熔覆领域，尤其涉及一种截齿激光熔覆增材的方法。

背景技术

在钢铁、冶金、模具等领域，磨损是造成材料损失和能源浪费的主要原因之一。随着现代工业的高速发展，在许多恶劣工况下，单纯的钢铁金属材料已无法满足使用要求。陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高强度、高硬度和高耐磨性等优点，是解决复杂恶劣工况材料失效问题的有效途径之一。目前，在金属基体上制备耐磨材料层的主要工艺有表面堆焊、离子注入、喷涂、激光熔覆等，较于传统的堆焊、喷涂等工艺，激光熔覆技术具有能量高，稀释率低，热影响区小的特点，受到广泛认可。

陶瓷增强相具有高硬度、高强度和高弹性模量等优异性能，常见陶瓷包括碳化物陶瓷，氧化物陶瓷，氮化物陶瓷以及复合陶瓷等，其中碳化钨陶瓷因其各方面综合性能均较好，故作为增强相在工业领域被广泛应用。虽然随着碳化钨比例不断增大，复合材料的硬度和耐磨性能够得到提升，但是由于热膨胀系数差异导致热应力积累，致使耐磨层发生开裂现象。

Ye等采用铸渗法制备了不同体积分数的V₈C₇增强Fe基复合材料，随着增强相体积分数的增加，复合材料的硬度呈增大趋势，而冲击韧性由8.1J/cm²降至4.7J/cm²，当增强相体积分数低于24％时，耐磨性随V₈C₇含量增加而增强，而当体积分数超过24％时，颗粒的破碎和微裂纹的产生导致耐磨性下降。张宁等采用复合电冶熔铸工艺制备了WC/5CrNiMo复合材料，随着WC含量的增加，复合材料的硬度和耐磨性均呈增大趋势，但韧性呈下降趋势，导致在三体冲击磨损条件下的耐磨性远远低于二体摩擦磨损。

从以上研究的结果来看，陶瓷颗粒增强金属基复合材料能够显著提高基体硬度，一定程度上提高耐磨性。但是，随着陶瓷颗粒比例的增加，复合材料形成的耐磨层容易开裂，这也是目前复合材料中碳化钨的体积百分数普遍不高于40％的原因。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种截齿激光熔覆增材的方法，使陶瓷材料在高体积分数的前提下，改善截齿表面耐磨层开裂情形。

为了解决上述技术问题/达到上述目的或者至少部分地解决上述技术问题/达到上述目的，本申请提供了一种截齿激光熔覆增材的方法，包括：

步骤1、截齿齿体表面进行前处理；熔覆材料干燥，其中熔覆材料中的陶瓷材料体积分数≥50％；

步骤2、将截齿按中心轴向保持水平，并以截齿中心轴为基准作转速n的定轴匀速转动，同时设定激光熔覆的激光束在截齿齿体待熔覆区域按照其水平宽度L、以激光扫描速度V1进行直线往复运动；其中，所述转速n＝V2/(2πr)，V2≤(xd×V1)/L，x为激光单熔道在截齿待熔覆区域的铺展系数，d为激光单熔道宽度，L为截齿待熔覆区域的水平宽度，r为截齿待熔覆区域水平宽度L中间位置的横截面半径，V2为r所处横截面的线速度；

设置激光熔覆参数对截齿齿体进行熔覆增材；所述参数为激光功率密度100-300W/mm²、激光扫描速度0.2-0.6m/min、光斑直径2-5mm、送粉量4-15g/min。

可选地，步骤1中所述截齿齿体表面喷砂处理，并用丙酮擦拭干净。

可选地，步骤1中所述熔覆材料在200℃干燥2h。

可选地，所述熔覆材料为碳化钨和铁基金属材料组成的复合材料。

可选地，所述铺展系数x为1.0-1.3。

可选地，所述激光功率密度为250-300W/mm²；进一步可选地，所述激光功率密度为290-300W/mm²。

可选地，所述激光扫描速度为0.3-0.6m/min。

可选地，所述光斑直径为3-4mm。

可选地，所述送粉量为8-15g/min。

与现有技术相比，本申请将截齿待熔覆区域的转速这一工艺参数纳入其中，使其与激光功率密度、激光扫描速度、光斑直径等其他激光熔覆工艺参数相配合，形成不同于常规单熔道的熔覆路径，通过控制界面反应条件，从工艺角度改善了高体积分数陶瓷材料形成的耐磨层容易开裂的现象，从而为使复合材料大比例使用陶瓷材料奠定基础。

附图说明

图1所示为本申请工艺的示意图；其中，阴影部分表示截齿齿体待熔覆区域，其水平宽度L根据实际需要选择，单位mm；V1和V2单位均为m/min，r单位为mm；

图2所示为铺展系数x测量原理示意图；

图3所示为经过本申请工艺参数激光熔覆形成的耐磨层(实验组1)的金相和SEM结果；上图为金相结果，下图为SEM结果；

图4所示为经过本申请工艺参数激光熔覆形成的耐磨层(实验组2)的金相结果；

图5所示为其他工艺参数激光熔覆形成的耐磨层(对照组1)的金相和SEM结果；上图为金相结果，下图为SEM结果；

图6所示为其他工艺参数激光熔覆形成的耐磨层(对照组2)的金相和SEM结果；

图7所示为经过WC复合材料强化的截齿和未经过强化的截齿在实际工况下的形貌实物图。

具体实施方式

本申请公开了一种截齿激光熔覆增材的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。本申请所述产品、工艺和应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述产品、工艺和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中，如若出现诸如“第一”和“第二”、“S1”和“S2”、“步骤1”和“步骤2”以及“(1)”和“(2)”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。同时，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请提供的对截齿激光熔覆增材的方法中，并未按照常规方式将截齿固定后利用激光束对其齿体进行水平方向的单熔道熔覆，而是以截齿中心轴为基准作转速n的定轴匀速转动，同时设定激光熔覆仪器的激光束在截齿齿体待熔覆区域按照其水平宽度L、以激光扫描速度V1进行直线往复运动；其中，所述转速n＝V2/(2πr)，V2≤(xd×V1)/L，x为激光单熔道在截齿待熔覆区域的铺展系数，d为激光单熔道宽度，L为截齿待熔覆区域的水平宽度(根据实际需要确定)，r为截齿待熔覆区域水平宽度L中间位置的横截面半径，V2为r所处横截面的线速度，示意图见图1。

其中，所述铺展系数x可由实验所得，实验方法为采用逼近法：在平面上间隔一定距离制备两条激光扫描熔道(熔宽、熔高各为d、h)，以上述两条熔道中位线为路径制备第三条熔道，在三条熔道间趋近于无未熔合现象时，得到该激光参数下的最大熔道铺展系数，x取值小于等于最大熔道铺展系数即可，原理示意图见图2；在本申请某些实施方式中，所述铺展系数x为1.0-1.3，例如可取值1.0、1.1、1.2或1.3。在本申请某些实施方式中，所述激光单熔道宽度d为0.8-4.0mm。

在本申请某些实施方式中，所述熔覆材料中的陶瓷材料体积分数≥60％；进一步可选地，所述陶瓷材料的体积分数为60-94％；在本申请某些实施方式中，所述陶瓷材料的体积分数可具体选自50％、60％、65％、70％、78％、82％、89％或94％。

在本申请某些实施方式中，步骤1中所述截齿表面喷砂处理，并用丙酮擦拭干净；所述熔覆材料在200℃干燥2h。

在本申请某些实施方式中，所述熔覆材料为碳化钨和铁基金属材料组成的复合材料；在本申请另外一些实施方式中，所述铁基金属材料为GH625，所述GH625具有表1所示化学成分：

表1GH625化学成分(wt％)

在本申请某些实施方式中，所述复合材料的粒径在(40-150)μm±5μm；可选地，所述粒径为40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm或150μm。

在本申请某些实施方式中，所述激光功率密度为250-300W/mm²；在本申请另外一些实施方式中，所述激光功率密度为250W/mm²、260W/mm²、270W/mm²、280W/mm²、290W/mm²或300W/mm²。

在本申请另外一些实施方式中，所述激光功率密度为290-300W/mm²；所述激光扫描速度为1.3-1.5m/min；所述光斑直径为3-4mm；所述送粉量为12-15g/min。

在本申请某些实施方式中，以高体积分数WC+GH625的复合材料作为熔覆材料，设置不同的截齿待激光熔覆区域的线速度与不同的激光熔覆参数组合进行耐磨层制备，在本申请所限定的工艺参数下，WC陶瓷和铁液(GH625)的反应层厚度明显减小，且反应层组织形貌由原先的致密连续块状转变成带有微小孔隙亚结构的疏松形貌，有效缓解了由于热应力积累导致的反应层开裂问题，而对照组存在明显的裂纹。

本申请中所涉及材料均可通过市售获得，本申请具体实施方式中，激光熔覆设备包括：德国IPG YSL-4000光纤激光器、KUKA KR-C4机器人控制柜、KUKA KR-60HA六轴联动机械臂、DPSF-2双筒送粉器、MCW-100冷水机及送粉装置；

在本申请提供的各组对比实验中，如未特别说明，除各组指出的区别外，其他实验条件、材料等均保持一致，以便具有可对比性。

以下就本申请所提供的一种截齿激光熔覆增材的方法做进一步说明。

第一实施例：本申请工艺

前处理：截齿齿体表面喷砂处理，并用丙酮擦拭干净；熔覆材料(50-94％WC+余量GH625)烘干处理，200℃，2个小时；

变位机夹持截齿根部，并调节变位机角度，使截齿按中心轴向能够保持水平，开启变位机，使截齿以中心轴为基准做转速为n的匀速旋转，截齿齿体待熔覆区域中间位置的横截面(L的二分之一处)线速度为V2，半径为r；

激光束保持与待熔覆区域垂直，对截齿齿体的待熔覆区域进行熔覆增材，待熔覆区域的水平宽度为L，激光熔覆仪器其他参数如下所示：

激光功率密度250-300W/mm²、激光扫描速度0.3-0.6m/min(V1)、光斑直径2-5mm、送粉量8-15g/min。

其中，n＝V2/(2πr)，V2≤(xd×V1)/L，1.0≤x≤1.3，熔道宽度d为0.8-4.0mm，示意图见图1。

第二实施例：铁基基材耐磨层SEM和金相分析

熔覆材料统一为60％WC+40％GH625，基材为42CrMo(合金钢)，n＝V2/(2πr)，V2＝(xd×V1)/L，x为1.2，d为3.0mm，L为20mm，r＝14mm，π＝3.14；按照表2进行实验分组；

表2

实验组1的金相和SEM结果见图3，WC陶瓷与铁液的反应层厚度明显减小，且反应层组织形貌由原先的致密连续块状转变成带有微小孔隙亚结构的疏松形貌，同时金相图也没有出现裂纹，同样地实施例2的金相图(图4)也没有出现裂纹。说明本申请工艺有效缓解了由于热应力积累导致的耐磨层开裂问题。

对照组1金相和SEM结果见图5，SEM结果可以看出WC陶瓷与铁液的反应层较厚，并且反应层出现了明显的裂纹源，同时金相图也能看出耐磨层存在裂纹，同样地对照组2的金相图(图6)显示耐磨层存在裂纹。

第三实施例：截齿实际工况测试

参照第二实施例实验组1的参数对沥青截齿进行激光熔覆，以未强化的沥青截齿作为对照，结果显示，在施工类型为11公分沥青深铣条件下，经过强化的沥青截齿铣刨平米数为11780平米，而未强化的沥青截齿铣刨平米数为3700平米，截齿的实际寿命提高了3.2倍；其中，图7所示为WC表面强化和未强化的沥青截齿测试后形貌实物图，可以明显看出未强化的截齿较经过强化的截齿磨损更为严重。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种截齿激光熔覆增材的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1中所述截齿齿体表面喷砂处理，并用丙酮擦拭干净。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1中所述熔覆材料在200℃干燥2h。

4.根据权利要求1或3所述方法，其特征在于，所述熔覆材料为碳化钨和铁基金属材料组成的复合材料。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述铺展系数x为1.0-1.3。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光功率密度为250-300W/mm²。

7.根据权利要求1或6所述方法，其特征在于，所述激光功率密度为290-300W/mm²。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光扫描速度为0.3-0.6m/min。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光斑直径为3-4mm。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述送粉量为8-15g/min。