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
阅读：1034发布：2020-05-13
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了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，具体方案是在熔覆Ni基 金属陶瓷 涂层过程中同步引入超声振动，采用这种方式可以改善液态金属的流动性，组织分布更加均匀，在 凝固 过程中，可以将正在长大的枝晶网打碎，并使其分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，防止金属陶瓷发生偏聚，从而保证在获得超高硬度的同时熔覆层不发生开裂；设备简单，利于校准安装，耗能小，工作环境好，所获得的涂层金属陶瓷颗粒分布均匀、硬度高且 耐磨性 好。，下面是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专利的具体信息内容。
1.一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，其特征在于：具体的工艺步骤如下：
(1)对待处理的基体试样表面进行预处理；
(2)将熔覆粉末采用预置法平铺于待处理试样表面，厚度1mm；
(3)将待处理基体试样通过螺栓固定于超声振动装置端部；
(4)对基体试样表面进行激光熔覆处理，同步施加超声振动，直至熔覆完成；
其中所述的基体试样为平板试样；所述步骤(2)所述的熔覆粉末置于保温炉中加热
200℃～350℃，保温1h；
所述步骤(4)中的激光熔覆工艺参数为：将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理材料表面，并将激光光斑调整到10mm×1mm，功率3500～3800W，扫描速度
200～400mm/min，搭接率16.7％～50％，超声振动功率600～1000W；
所述熔覆粉末以Ni基粉末为主体，添加了占熔覆粉末总重量50～60％的WC和5％CaF2。
2.根据权利要求1所述同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，其特征在于：所述的所述步骤(1)中预处理工艺为：先采用砂纸对基体试样表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭待处理表面去油污。
3.根据权利要求1所述同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，其特征在于：步骤(4)中的具体操作过程为：先开启超声振动发生装置，再开启激光器，在激光熔覆过程中对基体试样同步施加超声振动，激光熔覆结束10s后再关闭超声振动装置。
4.根据权利要求1所述同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，其特征在于：所述的Ni基粉末化学成分按重量百分比计为：C 0.4～0.6％，Cr 13～15％，Mn
0.1～0.2％，Si 2.0～2.6％，B 1.0～2.2％，Fe 13～16％，WC 20％,Ni余量。
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
技术领域：
[0002] 激光熔覆作为表面工程技术领域的一种新兴技术，是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置选定的涂层材料，经高能激光束加热使之与基体表面一薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性等的工艺。采用激光熔覆技术在成本低廉的基体表面制备金属陶瓷涂层，是提高基体表面硬度及使用性能的重要途径。但是由于基础粉末与金属陶瓷之间的润湿性和热膨胀系数相差较大，在激光快速加热熔化和冷却凝固过程中，将在熔覆层内产生不利组织及裂纹，严重恶化熔覆层的使用性能。激光熔覆层内金属陶瓷含量越高，硬度越高，同时也越容易出现裂纹及陶瓷颗粒偏聚的现象。
[0003] 近年来，虽然有文献报道了激光熔覆高硬度、无裂纹且耐磨的涂层的方法，但仍然存在诸多问题。例如，通过预热的方式消除裂纹，预热温度太高时，会使晶粒粗大，硬度和耐磨性得不到保证。此外，还有报道通过外加或原位合成金属陶瓷提高熔覆层硬度和耐磨性，结果发现，增加金属陶瓷含量虽可提高涂层硬度，但同时会带来金属陶瓷颗粒偏聚和开裂的问题。总之，硬度与金属陶瓷分布的均匀性、抗裂敏感性存在较大矛盾。
[0004] 专利(201010294577.X)内容涉及轴类零件表面制备低裂纹率涂层的激光熔覆—旋压法，具体是将激光熔覆设备与旋压设备近邻放置，使激光光斑始终照射在旋压设备的旋论即将旋压到的轴类零件表面。本发明方法适用于轴类零件的表面熔覆，熔敷层在旋轮的旋转压力下发生塑性变形，内部残余应力得以消除，降低了裂纹敏感性。但是其对于熔敷层材料和过渡层材料的塑形有较高的要求，选材范围窄；设备过于庞大，调节校准困难；只能适用于轴类及旋转零件，使用受到限制。
[0005] 专利(200310108499.X)内容涉及激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，使用过渡层来增强熔敷层与基体的结合强度，利用纳米微粒熔点低、易扩散的特点来提高熔敷层的致密度，从而防止裂纹产生。但制备纳米微粒，会大大提高熔覆成本，不利于工业化生产。
[0006] 专利(201010616580.9)使用处理过的网丝紧敷于打磨后的待熔覆表面，通过细小的网格来限制裂纹的扩展。但是对网格的制造和处理过程繁琐，并且要对试样表面进行打磨处理，增加工作量，效率低。
[0007] 专利(CN103305828A)内容涉及激光熔覆处理后采用超声冲击强化熔覆层，在熔覆层内形成一定深度的塑性变形层，并植入压应力，抵消激光熔覆层中的拉应力，从而消除激光熔覆层内的残余应力。但多层多道熔覆时，激光熔覆和超声冲击交替出现，工序较复杂。
发明内容
[0008] 针对上述问题，本发明提供了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，具体方案是在熔覆Ni基金属陶瓷涂层过程中同步引入超声振动，采用这种方式可以改善液态金属的流动性，组织分布更加均匀，在凝固过程中，可以将正在长大的枝晶网打碎，并使其分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，防止金属陶瓷发生偏聚，从而保证在获得超高硬度的同时熔覆层不发生开裂；设备简单，利于校准安装，耗能小，工作环境好，所获得的涂层金属陶瓷颗粒分布均匀、硬度高且耐磨性好。
[0009] 本发明的具体技术方案如下：
[0010] 将待处理工件表面进行去油污、铁锈处理，通过螺栓固定在超声换能器端部；将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理工件表面，聚焦成矩形光斑，采用连续搭接的方式，实现激光熔覆过程中同步施加超声振动以获得金属陶瓷分布均匀、超高硬度、耐磨且无裂纹的熔覆层。
[0011] 更为具体的工艺步骤如下：
[0012] (1)对待处理的基体试样表面进行预处理；
[0013] (2)将熔覆粉末采用预置法平铺于待处理试样表面，厚度1mm；
[0014] (3)将待处理基体试样通过螺栓固定于超声振动装置端部；
[0015] (4)对基体试样表面进行激光熔覆处理，同步施加超声振动，直至熔覆完成；
[0016] 其中所述的基体试样为平板试样；
[0018] 所述步骤(2)所述的熔覆粉末置于保温炉中加热200℃～350℃，保温1h；
[0019] 所述步骤(4)中的激光熔覆工艺参数为：将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理材料表面，并将激光光斑调整到10mm×1mm，功率3500～3800W，扫描速度200～400mm/min，搭接率16.7％～50％，超声振动功率600～1000W；
[0020] 为了达到更好的效果，步骤(4)中的具体操作过程为：先开启超声振动发生装置，再开启激光器，在激光熔覆过程中对基体试样同步施加超声振动，激光熔覆结束10s后再关闭超声振动装置。
[0021] 其中超声振动起到的主要作用为：超声波引入到激光熔覆过程中，主要是利用超声波的超声空化和热效应：超声波在熔体中传播时，液态熔体分子受到周期性交变声场的作用，将产生声空化、声流效应及搅拌作用，引起熔体中流动场、压力场和温度场发生变化，超声空化效应在击碎初生晶体、细化晶粒等方面有利，在促进成分均匀化、消除气孔等方面的积极作用；同时，超声振动可使熔池内传热对流增强，进而使熔池温度场更加均匀，温度梯度减小，降低凝固组织的热应力以及成形件的残余应力，从而抑制零件的变形开裂倾向；此外，超声空化效应导致在液体内产生瞬间的局部高温，有利于改善颗粒增强相与熔体的润湿性，而声空化和声流效应的共同作用有助于击散熔体中团聚的颗粒、使颗粒均匀分散于整个熔体体系。
[0022] 除此之外，发明人还特别提供了一种特殊的熔覆粉末，该粉末以Ni基粉末为主体，还添加了占熔覆粉末总重量50～60％的WC和5％CaF2，
[0023] 而所述的Ni基粉末化学成分按重量百分比计为：C 0.4～0.6％，Cr 13～15％，Mn 0.1～0.2％，Si 2.0～2.6％，B 1.0～2.2％，Fe 13～16％，WC 20％,Ni余量，与现有技术相比，本发明所提供的Ni基粉末中，主要就是添加了20％的WC；
[0024] 采用上述的粉末后基础元素为Ni，保证粉末的塑性和韧性，添加Cr、Mo、Mn、Si、B等元素是为了在保证韧性的前提下，起到固溶强化的作用；而在整个熔覆粉末中添加WC金属陶瓷为主要强化相，WC熔点较高，约为2720℃，Ni基合金的熔点约为1020℃，这样，在激光熔覆过程中，部分WC将以固体颗粒的形成残留在熔覆层内，起到弥散强化作用。两种强化方式都将提高熔覆层硬度和耐磨性。
[0025] 在采用了上述的技术手段之后，本发明的熔覆层方法基体试块不需要进行预热和缓冷处理，大大节省了工艺的时间；而最终熔覆粉末在激光快速加热作用下与基体同时发生熔化，形成冶金结合；随后快速冷却，熔覆层生成γ-(Fe,Ni)固溶体、WC以及少量的W2C、Cr2Ni3、Fe3Ni2化合物，WC陶瓷颗粒均匀分布，熔覆层的显微硬度提高至1200HV0.1～1300HV0.1，且耐磨性提高9倍以上。
[0026] 采用本发明所提供的熔覆粉末及相应的同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，可以取得如下的技术效果：
[0027] ①所配熔覆粉末含有高含量的金属陶瓷，保证熔覆层硬度和耐磨性；
[0028] ②引入同步超声振动辅助激光熔覆过程，解决了熔覆层内金属陶瓷分布不均和聚集的问题；
[0029] ③激光熔覆处理的作用一是提高金属材料的表面性能，二是获得晶粒细小的表面组织，形成更多的位错、孪晶等微观亚结构，起到强化作用；
[0030] ④该方法操作简便，对环境无污染，能够获得组织均匀、硬度高且耐磨性能好的复合熔覆层。
[0031] 综上所述，采用这种方式可以改善液态金属的流动性，组织分布更加均匀，在凝固过程中，可以将正在长大的枝晶网打碎，并使其分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，防止金属陶瓷发生偏聚，从而保证在获得超高硬度的同时熔覆层不发生开裂；设备简单，利于校准安装，耗能小，工作环境好，所获得的涂层金属陶瓷颗粒分布均匀、硬度高且耐磨性好。。附图说明
[0032] 图1为本发明所采用的超声振动辅助激光熔覆复合处理装置结构示意图；
[0034] 图2为未采用超声辅助获得的激光熔覆层显微组织示意图；
[0035] 图3为采用超声辅助获得的激光熔覆层显微组织示意图；
[0036] 可见图3中采用所述超声辅助获得的激光熔覆层内金属陶瓷颗粒含量较高，与图2相比，颗粒细小，且未发现偏聚现象。
具体实施方式
[0037] 下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例中出特殊说明外，所记载的百分比均为重量百分比，所采用的N i基粉末，其组成如C 0.4～0.6％，Cr 13～15％，Mn 0.1～0.2％，Si2.0～2.6％，B 1.0～2.2％，Fe 13～16％，WC 20％,Ni余量；
[0038] 实施例1
[0039] 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，具体的工艺步骤如下：
[0041] (2)将含有50wt％的WC和5wt％的CaF2粉末的N i基粉末在200℃保温1h，然后在45#钢表面预置熔覆粉末，厚度为1mm；
[0042] (3)将45#钢采用螺栓固定于超声振动装置端部；
[0043] (4)再采用连续搭接方式进行激光熔覆处理，具体工艺参数为：采用5kW横流CO2激光加工系统，光斑大小取10mm×1mm，功率3500W，以200mm/min的扫描速度、搭接2.0mm在45#钢表面进行连续扫描；在激光熔覆处理前先开启超声振动装置，超声功率为800W，激光结束10s后关闭超声振动装置，复合处理后获得厚度0.84mm的熔覆层。
[0044] 所采用的超声振动辅助激光熔覆复合处理装置结构如下：包括超声振动装置、超声波发生器9和激光发生器1；其中所述的超声振动装置包括支架7，所述支架7底部设置有散热风扇6，散热风扇6上方设置有换能器5，所述的换能器5与超声波发生器9通过电缆8连接，所述换能器5上方连接有变幅杆4，所述变幅杆上方连接有试样3，所述的激光发生器1与激光导光装置2连接，且激光导光装置2激光出口正对试样3，从而将将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理工件表面，聚焦成矩形光斑。
[0045] 性能检测：
[0046] 采用超声振动辅助激光熔覆技术在45#钢表面制备熔覆层，表面无气孔、裂纹等缺陷。复合熔覆层内WC金属陶瓷分布均匀，没有聚集和偏析现象。采用球-盘式摩擦磨损机，加载压力为200N，试验速度4mm/s，划痕长度5mm，摩擦时间60min，进行耐磨性实验，实验后使用KQ-50DA型超声波清洗器将磨损试样在丙酮试剂中进行超声波清洗，然后采用BS224S型电子天平进行测量，记录测量结果并计算出试样的失重量，见表1。可见，经过超声振动辅助激光熔覆制备的涂层具有超高硬度，且耐磨性能较45#钢提高了约40倍，与未施加超声振动的激光熔覆层相比耐磨性提高了5倍。
[0047] 表1 熔覆层性能检测结果
[0048]
[0049] 实施例2
[0050] 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，具体的工艺步骤如下：
[0051] (1)以用于45#钢为处理对象，先采用砂纸对45#钢表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭高铬铸钢表面去油污；
[0052] (2)将含有60wt％的WC和5wt％的CaF2粉末的N i基粉末在300℃保温1h，然后在45#钢表面预置熔覆粉末，厚度为1mm；
[0053] (3)将45#钢采用螺栓固定于超声振动装置端部；
[0054] (4)再采用连续搭接方式进行激光熔覆处理，具体工艺参数为：采用5kW横流CO2激光加工系统，光斑大小取10mm×1mm，功率3600W，以250mm/min的扫描速度、搭接2.0mm在45#钢表面进行连续扫描；在激光熔覆处理前先开启超声振动装置，超声功率为700W，激光结束10s后关闭超声振动装置，复合处理后获得厚度0.9mm的熔覆层。
[0055] 所采用的超声振动辅助激光熔覆复合处理装置与实施例1相同。
[0056] 性能检测：
[0057] 采用超声振动辅助激光熔覆技术在45#钢表面制备熔覆层，表面无气孔、裂纹等缺陷。复合熔覆层内WC金属陶瓷分布均匀，没有聚集和偏析现象。采用球-盘式摩擦磨损机，加载压力为200N，试验速度4mm/s，划痕长度5mm，摩擦时间60min，进行耐磨性实验，实验后使用KQ-50DA型超声波清洗器将磨损试样在丙酮试剂中进行超声波清洗，然后采用BS224S型电子天平进行测量，记录测量结果并计算出试样的失重量，见表2。可见，经过超声振动辅助激光熔覆制备的涂层具有超高硬度且耐磨性较45#钢基体提高了11倍，与未施加超声振动的激光熔覆层相比，耐磨性提高了1.5倍。
[0058] 表2 熔覆层性能检测结果
[0059]
[0060]
[0061] 实施例3
[0062] 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，具体的工艺步骤如下：
[0063] (1)以用于45#钢为处理对象，先采用砂纸对45#钢表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭高铬铸钢表面去油污；
[0064] (2)将含有60wt％的WC和5wt％的CaF2的N i基粉末在250℃保温1h，然后在45#钢表面预置熔覆粉末，厚度为1mm；
[0065] (3)将45#钢采用螺栓固定于超声振动装置端部；
[0066] (4)再采用连续搭接方式进行激光熔覆处理，具体工艺参数为：采用5kW横流CO2激光加工系统，光斑大小取10mm×1mm，功率3550W，以200mm/min的扫描速度、搭接1.8mm在45#钢表面进行连续扫描；在激光熔覆处理前先开启超声振动装置，超声功率为900W，激光结束10s后关闭超声振动装置，复合处理后获得厚度0.81mm的熔覆层。
[0067] 所采用的超声振动辅助激光熔覆复合处理装置与实施例1相同。
[0068] 性能检测：
[0069] 采用超声振动辅助激光熔覆技术在45#钢表面制备熔覆层，表面无气孔、裂纹等缺陷。复合熔覆层内WC金属陶瓷分布均匀，没有聚集和偏析现象。
[0070] 采用球-盘式摩擦磨损机，加载压力为200N，试验速度4mm/s，划痕长度5mm，摩擦时间60min，进行耐磨性实验，实验后使用KQ-50DA型超声波清洗器将磨损试样在丙酮试剂中进行超声波清洗，然后采用BS224S型电子天平进行测量，记录测量结果并计算出试样的失重量，见表3。可见，经过超声振动辅助激光熔覆制备的涂层具有超高硬度且耐磨性较45#钢基体提高了9倍，与未施加超声振动的激光熔覆层相比，耐磨性略有提高。
[0071] 表3 熔覆层性能检测结果
[0072]
[0073] 通过上述数据可知虽然无超声振动激光熔覆层的显微硬度略高，但是，这是由于出现WC陶瓷聚集的现象，同时出现晶粒粗大，导致粗晶脆化，导致硬度偏高，而陶瓷颗粒偏聚的现象不利于涂层耐磨性的发挥，致使在过程中，会发生涂层表面不均匀磨损，导致磨损量偏高，耐磨性差。而本发明中采用的超声-激光复合熔覆层内陶瓷颗粒分布均匀，涂层表面发生均匀磨损，耐磨性较好。
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