[发明专利]一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法

说明书

本发明公开了一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法，包括：1，设置位置参数，激光束与基材夹角，调整丝材与基材之间角度，丝材端部与激光束中心距离，调整保护气喷嘴与基材夹角，恒流电源的正极通过线缆连接到丝材上部，负极通过线缆连接至基材；2，设置操作参数，设置侧吹保护气流量，丝材送进速度，激光输出功率，激光束斑点直径，工作台行走速度，预热电流；3，进行激光熔覆，采用前置送丝模式进行激光熔覆，形成耐磨复合层。本方法使用外加辅助热源预热丝材，在较小的激光热输入下实现熔覆，避免丝材熔覆过程的未熔化及熔覆层与基材之间的未熔合现象，减少粉芯丝材中陶瓷颗粒增强相的烧损，提高复合熔覆层的抗磨损性能。

技术领域

本发明属于激光材料加工技术，更加具体的说，是应用在激光熔覆及修复领域。具体涉及一种激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合层的加工方法。

背景技术

近年来，随着对机械零件实效机理的研究，结果表明工件磨损失效主要发生在零件与环境介质接触的表面，随着零件与环境介质接触时间的增加，零件表面长期受到外部作用力并产生磨损现象，随着磨损时间的增加，零件表面产生的裂纹等缺陷会延伸至零件内部进而导致工件的整体失效。可以发现，若可以提高材料表面层的抗磨损性能，最大限度的避免零件基体材料与环境介质的严苛接触，可以有效提高零件的耐磨性，进而改善构件的整体服役性能和使用寿命。从这一角度考虑，利用表面工程技术可以对机械零件的表面进行改性，在工件表面制备一层具有耐腐蚀、抗磨损、抗氧化等性能的涂层，使零件在保持原有材料整体性能(强度、韧性等)足够的情况下，获得良好的表面性能，进而最大限度的提高零件的性能和寿命。熔覆层材料一般有合金材料及金属与陶瓷复合材料等，其中，陶瓷材料作为一种无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、高耐磨性、抗氧化等优点，是一种理想的耐腐蚀抗磨损材料。在金属基体中加入陶瓷颗粒获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可以充分发挥金属材料塑性与韧性的优势，也可以充分利用陶瓷颗粒高硬度、高耐磨性等优点，自上个世纪70年代产生并逐渐得到了广泛关注。

由于陶瓷颗粒增强金属基复合材料在零件表面改性制造和关键部位零部件的表面修复等领域有十分广阔的应用前景，国内外同行对其进行了广泛的研究与应用。其中，根据热源及制备工艺的不同可以分为热喷涂法，堆焊法以及激光熔覆技术等。热喷涂技术是采用某种高温热源，将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，通过焰流使其雾化，加速喷射在零件表面，经过快速冷却凝固沉积在零件表面形成涂层的工艺方法。现阶段在工业领域内应用较多的是火焰喷涂技术和等离子喷涂技术。火焰喷涂技术具有操作简单、技术成熟、效率高等优点，但是复合层与基材的结合以机械结合为主，陶瓷颗粒与基体材料的结合强度并不理想，颗粒在服役过程中容易剥落进而造成涂层耐磨损强度严重下降。等离子喷涂技术操作也相对简单，与火焰喷涂相比涂层与基体的结合强度更高，结合质量较高。但是等离子喷涂制备的涂层与基体的结合仍然以机械结合为主，涂层与基体的结合强度并不理想。并且，由于等离子焰流具有很高的温度，容易导致陶瓷颗粒的烧损，使得涂层不能够达到较高的高耐磨性能。此外，等离子喷枪在工作过程中会产生很大的噪声和较强的紫外辐射，不符合绿色制造模式。堆焊法根据热源种类的不同可以分为钨极氩弧堆焊技术和等离子弧堆焊技术等。由于钨极氩弧堆焊技术具有可操作性强，灵活性好，成本低廉的优点，在制备耐磨涂层领域应用较广。但是钨极氩弧堆焊的热输入较大，所以稀释率较大，容易形成粗大的晶体组织，对基体材料的性能影响较大，在一定程度上限制了其发展和应用。与氩弧熔覆及热喷涂技术相比，激光熔覆技术以高能激光束作为热源，照射在熔覆材料及基体上使其熔化，经过冷却凝固后获得与基体形成良好冶金结合的熔覆层。由于激光能量的热输入可以精确控制，可以制备稀释率低，熔覆层与基材结合强度高的复合涂层。另外，由于激光热输入可以精确控制，可以实现在小的热输入下获得熔覆层，这样可以有效减少熔覆过程中由于热输入过大导致的陶瓷颗粒烧损，可显著提高熔覆层的抗磨损性能。在此之外，激光熔覆技术方便灵活，可以对多种零件表面进行熔覆，加工效率高，是一种绿色高效的表面改性技术，并且在制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合熔覆层方面有突出的优势，因此受到了广泛的关注。根据熔覆材料形式的不同，激光熔覆技术可以分为粉末式和丝材式，根据粉末添加方式的不同又可以分为预置铺粉法和同步送粉法。其中预置铺粉法是一种两步骤方法，制备涂层过程繁琐，难以实现自动化，加工效率低下，在实际工业生产中正逐步淘汰。现在使用较多的是同步送粉法，主要是因为同步送分可以实现自动化生产，加工效率较高。但是送粉法的局限性在于在实际生产过程中，粉末的利用率很低，约在20-40％，大部分的粉末需要回收。另外，在熔覆过程中，粉末中包含的气体极易在熔覆层中形成气孔、夹渣等缺陷，严重影响熔覆层的使用性能。在此之外，在加工过程中，粉末会发生爆破飞溅等现象，会产生粉尘，污染操作环境，由于熔覆材料大多是金属或陶瓷材料，这会对操作者的身体健康造成伤害。