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CN103266318B - 一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法 - Google Patents

一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，包括对金属基体表面进行毛化处理并清洗干净；将多层涂层材料依次预置在金属基体上，上层涂层材料的熔点高于下层涂层材料，金属基体的熔点最低；使用激光一次熔覆在多层涂层材料上，多层涂层材料同时熔化，同时达到冶金结合；激光熔覆时相邻两层材料的界面温度高于上层材料的熔点。本发明基于多层涂层系统材料之间的熔点差异，通过各涂层厚度优化设计及与激光熔覆工艺参数的合理匹配，通过一次激光熔覆就可以使各界面同时达到化学冶金结合，有效解决了通常激光熔覆多层涂层时预置一层熔覆一层的多次熔覆工艺过于复杂问题，简化了熔覆工艺，提高了多层熔覆效率，并且使熔覆层的质量比较稳定。

Description

一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属表面涂层的制备方法，尤其涉及的是一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法。
背景技术
作为机械、材料、物理化学等学科的交叉研究前沿，表面工程在我国“十一五”规划的重点领域，如重大装备制造技术、绿色制造技术等方面，具有十分重要的作用和地位。而涂层制备技术又是表面工程领域的主要研究部分，将新技术、新材料、新工艺结合的研究已在航空、航天、机械、生物、能源、核工业、汽车、化工等方面获得了广泛的应用和飞速的发展。
涂层制备就是采取一定的方法，将某些材料以物理或化学的方式结合在金属基体表面。可见，评价涂层的最重要指标就是该涂层能不能很好的结合在金属基体之上，这是整个涂层评价体系中的基石。随着涂层技术的发展，目前结构涂层在满足功能化的同时不断朝着多层、梯度、大厚度等方向发展。因此，在实际使用过程中，涂层系统最容易发生问题的地方基本上都在涂层的界面部分，界面成为涂层体系崩溃的起始点，而涂层系统的效果和寿命并不取决于结合强度最好的那个界面，而是由结合强度最差的那个界面决定。
激光熔覆技术是新兴的激光技术与历史悠久的金属热处理相结合的产物，是在材料表面施加极高的能量，使之发生物理化学变化，从而显著地改变材料的表面硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能的技术。激光熔覆技术已广泛的应用于表面涂层制备。熔覆材料通常采用预置和送粉两种方式引入激光熔池，其中，送粉多见同轴送粉，而常用的粉末预置方法主要有热喷涂法（如等离子喷涂）、化学粘结法以及压片法等。对于金属表面等离子喷涂陶瓷涂层，为了减小陶瓷材料与基体金属之间的物理性能差异，在喷涂陶瓷涂层前常先喷涂一层金属过渡层，然后再喷涂陶瓷涂层，但在通常的激光一次熔覆强化时一般只是使陶瓷涂层表面熔化，再结晶而获得表面性能的提升，但界面结合强度并没有显著提高，这将成为限制涂层在一些恶劣、极端条件下的工作，如燃气涡轮机、火箭发动机、汽轮机、燃油发动机、承力轴承等环境。在激光熔覆多层涂层系统时，为了使各子涂层界面达到较高的结合强度，通常采用预置一层熔覆一层的多层（次）熔覆工艺，涂层制备工艺复杂，熔覆效率较低。如中国专利200710131168.6对热喷涂梯度涂层采用多次激光重熔方法进行复合加工，虽然克服了在无激光重熔或一次激光重熔下梯度涂层的各个子涂层不能全都达到冶金结合、涂层中梯度结构破坏、梯度涂层中热喷涂片层不能削除等缺点，但制备工艺相对复杂，而且重熔涂层质量稳定性较差。因此，寻求一种即能够强化涂层系统内部各个薄弱界面，又有较高的加工效率而具有实际应用价值的多层涂层加工方法是当前的迫切需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，对多层涂层实现一次性激光熔覆。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
（1）对金属基体表面进行毛化处理并清洗干净；
（2）将多层涂层材料依次预置在金属基体上，上层涂层材料的熔点高于下层涂层材料，金属基体的熔点最低；
（3）使用激光一次熔覆在多层涂层材料上，多层涂层材料同时熔化，同时达到冶金结合；激光熔覆时相邻两层材料的界面温度高于上层材料的熔点。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤（1）中，毛化处理为喷砂处理或切削加工毛化。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤（2）中，预置的方法为热喷涂法、化学粘结法或模压法。
作为本发明的优选方式之一，所述热喷涂法为等离子喷涂法。
所述多层涂层的厚度小于或等于2mm时，采用激光一步熔覆；多层涂层的厚度大于2mm时，采用辅助加热配合激光一步熔覆。当多层涂层厚度小于或等于2mm时，激光一步熔覆的能量能够满足涂层熔覆的需求。
所述辅助加热配合激光一步熔覆选自感应加热辅助激光熔覆、微波辅助加热激光熔覆、电磁搅拌辅助加热激光熔覆、脉冲电流辅助加热激光熔覆中的一种或几种。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明基于多层涂层系统材料之间的熔点差异，通过各涂层厚度优化设计及与激光熔覆工艺参数的合理匹配，通过一次激光熔覆就可以使各界面同时达到化学冶金结合，涂层具有很高的结合强度，另外又可有效控制熔覆层的稀释率，保证熔覆涂层的性能，从而可服役一些要求比较高的环境；有效解决了通常激光熔覆多层涂层时预置一层熔覆一层的多次熔覆工艺过于复杂问题，简化了熔覆工艺，提高了多层熔覆效率，并且使熔覆层的质量比较稳定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是激光熔覆涂层厚度方向温度分布示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例是在AZ31B镁合金金属基体表面激光一步熔覆强化Ni-Cr/Ni-Al/Cr2O3三层涂层，具体步骤如下：
（1）将电火花线切割至一定尺寸的AZ31B镁合金金属基体表面通过喷砂进行毛化处理并清洗干净，AZ31B镁合金的熔点约为650℃；
（2）在AZ31B镁合金金属基体表面采用等离子喷涂工艺依次喷涂Ni-Cr金属过渡层、Ni-Al（镍包铝）金属过渡层及Cr2O3表面陶瓷层，Ni-Cr金属过渡层的熔点约为1038℃，涂层厚约为80μm；Ni-Al金属过渡层的熔点约为1510℃，涂层厚约为80μm；Cr2O3表面陶瓷层的熔点约为2435℃，涂层厚约为120μm，等离子喷涂工艺见表1；
（3）激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO2激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数见表2，通过一次熔覆后使Ni-Cr/Ni-Al/Cr2O3三层涂层同时熔化，使表面Cr2O3陶瓷层与下层Ni-Al金属过渡层界面、Ni-Al涂层与Ni-Cr涂层界面、Ni-Cr涂层与Z31B镁合金金属基体界面同时达到冶金结合，从而实现三层涂层的激光熔覆一步强化。
实施例2
本实施例是在3103铝合金金属基体表面激光一步熔覆强化Ni-Cr/TiO2双层涂层，具体步骤如下：
（1）将电火花线切割至一定尺寸的3103铝合金金属基体表面通过喷砂进行切削加工毛化处理并清洗干净，3103铝合金的熔点约为660℃；
（2）在3103铝合金金属基体表面采用等离子喷涂工艺依次喷涂Ni-Cr金属过渡层、TiO2表面陶瓷层，Ni-Cr金属过渡层的熔点约为1038℃，涂层厚约为100μm；TiO2表面陶瓷层，熔点约为1920℃，涂层厚约为180μm，等离子喷涂工艺见表1；
（3）激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO2激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数见表2，通过一次熔覆后使Ni-Cr/TiO2两层涂层同时熔化，使表面TiO2陶瓷层与下层Ni-Cr金属过渡层界面、Ni-Cr涂层与3103铝合金金属基体界面同时达到冶金结合，从而实现双层涂层的激光熔覆一步强化。
实施例3
本实施例是在H68黄铜金属基体表面激光一步熔覆强化Ni-Al/Al2O3双层涂层，具体步骤如下：
（1）将电火花线切割至一定尺寸的H68黄铜金属基体表面通过喷砂进行毛化处理并清洗干净，H68黄铜的熔点约为938℃；
（2）在H68黄铜金属基体表面采用等离子喷涂工艺依次喷涂Ni-Al（镍包铝）金属过渡层及Al2O3表面陶瓷层，Ni-Al金属过渡层熔点约为1510℃，涂层厚约为100μm，Al2O3表面陶瓷层，熔点约为2040℃，涂层厚约为150μm，等离子喷涂工艺见表1；
（3）激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO2激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数见表2，通过一次熔覆后使激光一次熔覆同时熔化Ni-Al/Al2O3双层涂层，使表面Al2O3陶瓷层与下层Ni-Al金属过渡层界面、Ni-Al涂层与H68黄铜金属基体界面同时达到冶金结合，从而实现双层涂层的激光熔覆一步强化。
表1等离子喷涂参数
工艺参数 Ni-Cr Ni-Al Cr2O3 TiO2 Al2O3
电流/A 700 750 910 850 890
电压/V 42 42 42 42 42
主气,Ar/PSI 65 65 45 45 45
辅气,He/PSI 115 120 150 140 145
载体气,Ar/PSI 45 45 45 45 45
送粉率/(r·min-1) 2 2 3 3 3
喷涂距离/mm 110 110 100 100 100
喷枪移动速度/(mm·s-1) 100 100 100 100 100
表2激光熔覆工艺参数
如图1和图2所示，图1中，金属基体1上依次预置n层涂层2，激光束3对涂层2进行一次熔覆，第一界面为金属基体1与第一涂层2的界面，使第一界面处的温度T1略高于第一涂层2的熔点，以此类推，直到第n界面处的温度Tn略高于第n涂层2的熔点，使通过一次激光熔覆就可以同时熔化多层涂层并使各界面同时达到化学冶金结合，达到一步强化目的。

Claims (5)

1.一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对金属基体表面进行毛化处理并清洗干净；
(2)将多层涂层材料依次预置在金属基体上，上层涂层材料的熔点高于下层涂层材料，金属基体的熔点最低；
(3)使用激光一次熔覆在多层涂层材料上，多层涂层材料同时熔化，同时达到冶金结合；激光熔覆时相邻两层材料的界面温度高于上层材料的熔点；所述多层涂层的厚度小于或等于2mm时，采用激光一步熔覆；多层涂层的厚度大于2mm时，采用辅助加热配合激光一步熔覆。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，毛化处理为喷砂处理或切削加工毛化。
3.根据权利要求1所述的一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，预置的方法为热喷涂法、化学粘结法或模压法。
4.根据权利要求3所述的一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，其特征在于，所述热喷涂法为等离子喷涂法。
5.根据权利要求1所述的一种基于熔点差异的激光熔覆多层涂层一步强化加工方法，其特征在于，所述辅助加热配合激光一步熔覆选自感应加热辅助激光熔覆、微波辅助加热激光熔覆、电磁搅拌辅助加热激光熔覆、脉冲电流辅助加热激光熔覆中的一种或几种。
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