CN117802495A - 一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料及制备方法。一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，包括以下步骤：熔覆材料细化及黑化、工件预处理、激光熔覆、激光重熔和工件热处理及打磨。本发明在对熔覆材料及工件的处理过程中，对熔覆材料进行黑化处理，增强熔覆材料对激光的吸收率，从而适当提高熔体温度，达到减少熔覆涂层中裂纹的目的；此外，还利用激光重熔技术可以消除熔覆涂层表面不规则的凸起，促进未熔的粉末颗粒重新熔融，改善熔覆涂层表面形貌，优化成型表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料及制备方法
背景技术
激光熔覆技术是目前改善合金表面综合性能的有效方法，传统的表面强化方法均存在着各种各样的缺陷，因此已经无法满足人们对其使用性能和环境保护的要求。激光覆技术是上个世纪七八十年代早期新兴的一项基体材料、模具及零部件的表面加工处理技术，通过利用激光束为热源将合金粉末涂层瞬间熔化的方式，能够在基体材料表面形成一种高质量熔覆层的表面加工处理技术。
铁基合金粉末成分稳定，制作简单，由于合金粉的成分与铸铁、碳钢等基体合金成分相接近，会使熔覆层与基材间的相容性较好，界面结合也会相对牢固，性能稳定，同时铁基合金粉末具有耐磨性高，成本低廉，性价比高等特点。
传统激光熔覆技术由于热量集中，熔池快速升温与凝固，热变形小等优点得到了广泛运用，但由于冷却速度快，熔覆层中生成非平衡相，在固态相变或热膨胀系数的差异条件下，容易在熔覆层中产生裂纹。同时，由于加工温度高，部分金属气化或保护气体卷入熔池来不及逸出，在熔覆层中形成气孔或孔洞。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料及制备方法
一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料制备方法，具体包括如下步骤：
S1：熔覆材料细化及黑化
将铁基合金粉末放入行星式研磨机中研磨，然后放入盛有黑化液的浸泡池中浸泡，随后用无水乙醇清洗，放入烘箱干燥，烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至150～160℃进行真空干燥保存；
S2：工件预处理
熔覆前将工件表面用碳化硅砂纸打磨，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.2～0.3μm随后用酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，然后用丙酮溶液擦洗工件表面；
S3：激光熔覆
将工件放入保护容器内，将容器顶部开口打开，容器底部放置金属铁块，随后向容器内部通入氩气将容器内的空气排除，打开加热装置，将工件预热，然后把铁基合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，另外，在熔覆过程中，也持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层；
S4：激光重熔
关闭送粉装置，在无任何合金粉末的情况，打开激光开关，设置激光功率为1800～1900W，扫描速度212～220mm/s，接搭率为75～81％，对工件表面进行重熔，然后再打开送粉装置，接着再熔覆第二层，随后重复一遍上述操作，得到经过激光重熔后的涂层材料；
S5：工件热处理及打磨
将经过激光重熔后的工件放入煅烧炉中，在温度为300～450℃下煅烧2～3h，然后用砂纸打磨，接着用氧化铝抛光液对熔覆层进行机械抛光，最后放入在丙酮溶液中进行超声波清洗，得到铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料。
进一步地，所述步骤S1熔覆材料细化及黑化具体包括如下步骤：
将铁基合金粉末放入行星式研磨机中，在转速为200～300r/min下研磨2～3h，随后把铁基合金粉末经600～800目的不锈钢筛网进行过筛，过筛后放入盛有黑化液的浸泡池中，浸泡1～2h，随后用无水乙醇进行清洗，然后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度设置为200～250℃，烘干时间2～3h，以去除铁基合金粉末中的水分及杂质。烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至150～160℃进行真空干燥保存。
进一步地，所述步骤S2工件预处理具体包括如下步骤：
熔覆前将工件表面用400～1000目的碳化硅砂纸打磨1～2h，去除不锈钢表面氧化层和锈迹，随后用质量分数为50～75％的酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，酸洗温度为40～45℃，酸洗30～40min，然后用浸泡过20～40％丙酮溶液的棉絮擦洗工件表面，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.2～0.3μm。
进一步地，所述步骤S3激光熔覆具体包括如下步骤：
S3.1：将工件放入保护容器内，调节容器顶部金属挡板，将容器顶部开口打开，容器底部放置作为垫块的金属铁块，用于在激光加工过程中传热；
S3.2：随后向容器内部通入高纯氩气将容器内的空气排除，气流量为20L/min，通3～5min以上，保护熔覆涂层，打开加热装置，将工件预热至200～300℃；
S3.3：随后把黑化后的合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有一电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，调整电流为1～2A，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层。
进一步地，所述激光熔覆机各项参数为光斑直径2～2.5mm、激光功率3.2～4.0kw、熔覆线速度2.5～3.5m/min，搭接率50～70％。
进一步地，所述铁基合金粉末由质量分数为70～80％的Fe、14～20％的Cr、2～4％的Ni、0～0.5％的Mn、0～0.5％的Mo和0～1.5％的Si组成。
进一步地，所述黑化液由含量600～700g/L苛性钠、50～70g/L硝酸钠和180～220g/L亚硝酸钠以比例1∶1～1.2∶1～1.3组成。
一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料，其由上述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法所制备。
有益效果是：1、本发明在对熔覆材料及工件的处理过程中，对熔覆材料进行黑化处理，增强熔覆材料对激光的吸收率，从而适当提高熔体温度，达到减少熔覆层中裂纹的目的。此外，还有对待工件表面运用酸洗，增加熔覆表面粗糙度，增强激光照射强度，从而减少涂层开裂倾向。
2、本发明在激光熔覆过程中，对熔池施加脉冲电流，利用电流产生的磁收缩力将熔池中因为物理化学反应生成的气体挤出熔池，从而补偿凝固过程中的收缩，减少熔覆层中的孔隙率，此外，施加脉冲电流后，熔覆层孔隙率被极大的降低，晶粒细化且熔覆层硬度也得到了增加，从而提升了工件的耐磨性。
3、本发明在制备过程中，增加了对熔覆层的重熔操作，在不添加任何合金粉末的情况下，利用高能激光束将熔覆层表面进行再一次的快速熔凝，表层组织晶粒得到进一步细密以及物相含量、元素分布、表面粗糙度等发生变化，在此过程中，高度聚焦的激光束在熔覆涂层表面移动，焦点区域中的涂层表面被局部重熔，在熔池表面张力作用下变平，进而变得更光滑，激光重熔技术可以消除激光熔覆涂层表面不规则的凸起，促进未熔的粉末颗粒重新熔融，改善熔覆涂层表面形貌，优化成型表面质量。
附图说明
图1为本发明的实施例所采用的铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：熔覆材料细化及黑化
将质量分数为70％的Fe、14％的Cr、2％的Ni、0.1％的Mn、0.1％的Mo和0.1的％Si的铁基合金粉末放入行星式研磨机中，在转速为200r/min下研磨2h，随后把铁基合金粉末经600目的不锈钢筛网进行过筛，过筛后放入盛有由含量600g/L苛性钠、50g/L硝酸钠和180g/L亚硝酸钠以比例1∶1∶1组成黑化液的浸泡池中，浸泡1h，对熔覆材料进行黑化处理，增强熔覆材料对激光的吸收率，从而适当提高熔体温度，随后用无水乙醇进行清洗，然后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度设置为200℃，烘干时间2h，以去除铁基合金粉末中的水分及杂质。烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至150℃进行真空干燥保存。
S2：工件预处理
熔覆前将工件表面用400目的碳化硅砂纸打磨1h，去除不锈钢表面氧化层和锈迹，随后用质量分数为50％的酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，酸洗温度为40℃，酸洗30min，然后用浸泡过20％丙酮溶液的棉絮擦洗工件表面，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.2μm。
S3：激光熔覆
S3.1：将工件放入保护容器内，调节容器顶部金属挡板，将容器顶部开口打开，有利于空气的排出及激光输入工件表面。容器底部放置作为垫块的金属铁块，便于激光加工过程中的传热，提高冷却速度，从而减小热量对铁合金工件的影响；
S3.2：随后向容器内部通入高纯氩气将容器内的空气排除，气流量为20L/min，通3min以上，使熔覆涂层得到充分保护，减轻空气对熔覆效果不利影响，打开加热装置，将工件预热至200℃；
S3.3：随后把黑化后的合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有一电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，调整电流为1A，对熔池施加脉冲电流，利用电流产生的磁收缩力将熔池中因为物理化学反应生成的气体挤出熔池，从而补偿凝固过程中的收缩，激光熔覆机各项参数为光斑直径2mm、激光功率3.2kw、熔覆线速度2.5m/min，搭接率50％，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层。
S4：激光重熔
关闭送粉装置，在无任何合金粉末的情况，打开激光开关，设置激光功率为1800W，扫描速度212mm/s，接搭率为75％，对工件表面进行重熔，然后再打开送粉装置，接着再熔覆第二层，随后重复一遍上述操作，得到经过激光重熔后的涂层材料。
S5：工件热处理及打磨
将经过激光重熔后的工件放入煅烧炉中，在温度为300℃下煅烧2h，在工件的再结晶温度以下进行加热，能够消除工件内部的残余应力，减少开裂的几率，然后用砂纸打磨，接着用氧化铝抛光液对熔覆层进行机械抛光，最后放入在丙酮溶液中进行超声波清洗，得到铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料。
实施例2
一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：熔覆材料细化及黑化
将质量分数为75％的Fe、16％的Cr、3％的Ni、0.3％的Mn、0.3％的Mo和1％的Si的铁基合金粉末放入行星式研磨机中，在转速为250r/min下研磨2.5h，随后把铁基合金粉末经700目的不锈钢筛网进行过筛，过筛后放入盛有由含量650g/L苛性钠、60g/L硝酸钠和200g/L亚硝酸钠以比例1∶1∶1组成黑化液的浸泡池中，浸泡1h，对熔覆材料进行黑化处理，增强熔覆材料对激光的吸收率，从而适当提高熔体温度，随后用无水乙醇进行清洗，然后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度设置为220℃，烘干时间2.5h，以去除铁基合金粉末中的水分及杂质。烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至160℃进行真空干燥保存。
S2：工件预处理
熔覆前将工件表面用700目的碳化硅砂纸打磨2h，去除不锈钢表面氧化层和锈迹，随后用质量分数为60％的酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，酸洗温度为45℃，酸洗40min，然后用浸泡过30％丙酮溶液的棉絮擦洗工件表面，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.3μm。
S3：激光熔覆
S3.1：将工件放入保护容器内，调节容器顶部金属挡板，将容器顶部开口打开，有利于空气的排出及激光输入工件表面。容器底部放置作为垫块的金属铁块，便于激光加工过程中的传热，提高冷却速度，从而减小热量对铁合金工件的影响；
S3.2：随后向容器内部通入高纯氩气将容器内的空气排除，气流量为25L/min，通4min以上，使熔覆涂层得到充分保护，减轻空气对熔覆效果不利影响，打开加热装置，将工件预热至250℃；
S3.3：随后把黑化后的合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有一电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，调整电流为1A，对熔池施加脉冲电流，利用电流产生的磁收缩力将熔池中因为物理化学反应生成的气体挤出熔池，从而补偿凝固过程中的收缩，激光熔覆机各项参数为光斑直径2mm、激光功率3.8kw、熔覆线速度3m/min，搭接率60％，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层。
S4：激光重熔
关闭送粉装置，在无任何合金粉末的情况，打开激光开关，设置激光功率为1800W，扫描速度220mm/s，接搭率为80％，对工件表面进行重熔，然后再打开送粉装置，接着再熔覆第二层，随后重复一遍上述操作，得到经过激光重熔后的涂层材料；
S5：工件热处理及打磨
将经过激光重熔后的工件放入煅烧炉中，在温度为400℃下煅烧2h，在工件的再结晶温度以下进行加热，能够消除工件内部的残余应力，减少开裂的几率，然后用砂纸打磨，接着用氧化铝抛光液对熔覆层进行机械抛光，最后放入在丙酮溶液中进行超声波清洗，得到铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料。
实施例3
一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：熔覆材料细化及黑化
将质量分数为80％的Fe、20％的Cr、4％的Ni、0.5％的Mn、0.5％的Mo和1.5％的Si的铁基合金粉末放入行星式研磨机中，在转速为300r/min下研磨3h，随后把铁基合金粉末经800目的不锈钢筛网进行过筛，过筛后放入盛有由含量700g/L苛性钠、70g/L硝酸钠和220g/L亚硝酸钠以比例1∶1.2∶1.3组成黑化液的浸泡池中，浸泡2h，对熔覆材料进行黑化处理，增强熔覆材料对激光的吸收率，从而适当提高熔体温度，随后用无水乙醇进行清洗，然后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度设置为250℃，烘干时间3h，以去除铁基合金粉末中的水分及杂质。烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至160℃进行真空干燥保存。
S2：工件预处理
熔覆前将工件表面用1000目的碳化硅砂纸打磨2h，去除不锈钢表面氧化层和锈迹，随后用质量分数为75％的酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，酸洗温度为45℃，酸洗40min，然后用浸泡过40％丙酮溶液的棉絮擦洗工件表面，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.3μm。
S3：激光熔覆
S3.1：将工件放入保护容器内，调节容器顶部金属挡板，将容器顶部开口打开，有利于空气的排出及激光输入工件表面。容器底部放置作为垫块的金属铁块，便于激光加工过程中的传热，提高冷却速度，从而减小热量对铁合金工件的影响；
S3.2：随后向容器内部通入高纯氩气将容器内的空气排除，气流量为30L/min，通5min以上，使熔覆涂层得到充分保护，减轻空气对熔覆效果不利影响，打开加热装置，将工件预热至300℃；
S3.3：随后把黑化后的合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有一电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，调整电流为2A，对熔池施加脉冲电流，利用电流产生的磁收缩力将熔池中因为物理化学反应生成的气体挤出熔池，从而补偿凝固过程中的收缩，激光熔覆机各项参数为光斑直径2.5mm、激光功率4.0kw、熔覆线速度3.5m/min，搭接率70％，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层。
S4：激光重熔
关闭送粉装置，在无任何合金粉末的情况，打开激光开关，设置激光功率为1900W，扫描速度220mm/s，接搭率为81％，对工件表面进行重熔，然后再打开送粉装置，接着再熔覆第二层，随后重复一遍上述操作，得到经过激光重熔后的涂层材料。
S5：工件热处理及打磨
将经过激光重熔后的工件放入煅烧炉中，在温度为450℃下煅烧3h，在工件的再结晶温度以下进行加热，能够消除工件内部的残余应力，减少开裂的几率，然后用砂纸打磨，接着用氧化铝抛光液对熔覆层进行机械抛光，最后放入在丙酮溶液中进行超声波清洗，得到铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：熔覆材料细化及黑化
将铁基合金粉末放入行星式研磨机中研磨，然后放入盛有黑化液的浸泡池中浸泡，随后用无水乙醇清洗，放入烘箱干燥，烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至150～160℃进行真空干燥保存；
S2：工件预处理
熔覆前将工件表面用碳化硅砂纸打磨，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.2～0.3μm，随后用酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，再用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，最后用丙酮溶液擦洗工件表面；
S3：激光熔覆
将工件放入保护容器内，将容器顶部开口打开，容器底部放置金属铁块，随后向容器内部通入氩气将容器内的空气排除，打开加热装置，将工件预热，然后把铁基合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，也持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层；
S4：激光重熔
关闭送粉装置，在无任何合金粉末的情况，打开激光开关，设置激光功率为1800～1900W，扫描速度212～220mm/s，接搭率为75～81％，对工件表面进行重熔，然后再打开送粉装置，接着再熔覆第二层，随后重复一遍上述操作，得到经过激光重熔后的涂层材料；
S5：工件热处理及打磨
将经过激光重熔后的工件放入煅烧炉中，在温度为300～450℃下煅烧2～3h，然后用砂纸打磨，接着用氧化铝抛光液对熔覆层进行机械抛光，最后放入在丙酮溶液中进行超声波清洗，得到铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料。
2.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1熔覆材料细化及黑化具体包括如下步骤：
将铁基合金粉末放入行星式研磨机中，在转速为200～300r/min下研磨2～3h，随后把铁基合金粉末经600～800目的不锈钢筛网进行过筛，过筛后放入盛有黑化液的浸泡池中，浸泡1～2h，随后用无水乙醇进行清洗，然后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度设置为200～250℃，烘干时间2～3h，以去除铁基合金粉末中的水分及杂质。烘干完成后，放入真空干燥箱中，将温度调至150～160℃进行真空干燥保存。
3.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2工件预处理具体包括如下步骤：
熔覆前将工件表面用400～1000目的碳化硅砂纸打磨1～2h，去除不锈钢表面氧化层和锈迹，随后用质量分数为50～75％的酒精溶液清洗表面以除去表面油污等杂质，用去离子水冲洗，然后将工件放入酸洗池中，酸洗温度为40～45℃，酸洗30～40min，然后用浸泡过20～40％丙酮溶液的棉絮擦洗工件表面，使样品表面粗糙度达到Ra＝0.2～0.3μm。
4.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3激光熔覆具体包括如下步骤：
S3.1：将工件放入保护容器内，调节容器顶部金属挡板，将容器顶部开口打开，容器底部放置作为垫块的金属铁块，用于在激光加工过程中传热；
S3.2：随后向容器内部通入高纯氩气将容器内的空气排除，气流量为20L/min，通3～5min以上，保护熔覆涂层，打开加热装置，将工件预热至200～300℃；
S3.3：随后把黑化后的合金粉末放入激光熔覆机粉盒中，在激光熔覆机工作台上设有电流脉冲装置，打开电流脉冲装置的开关，调整电流为1～2A，再打开激光开关，进行第一次激光熔覆，在熔覆过程中，也持续通入氩气保护，得到初次熔覆涂层。
5.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆机各项参数为光斑直径2～2.5mm、激光功率3.2～4.0kw、熔覆线速度2.5～3.5m/min，搭接率50～70％。
6.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述铁基合金粉末由质量分数为70～80％的Fe、14～20％的Cr、2～4％的Ni、0～0.5％的Mn、0～0.5％的Mo和0～1.5％的Si组成。
7.根据权利要求1所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料的制备方法，其特征在于，所述黑化液由含量600～700g/L苛性钠、50～70g/L硝酸钠和180～220g/L亚硝酸钠以比例1∶1～1.2∶1～1.3组成。
8.一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料，其特征在于，其由上述权利要求1～7任意一项所述的一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层的制备方法所制备。
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