CN102877061A - 一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法和装置，特指一种先将不锈钢泵类零件加热到不锈钢基材的动态应变时效温度然后在此温度下进行激光熔覆的方法和装置，本发明原理的创新在于，对处于动态应变时效温度的不锈钢泵类零件进行激光熔覆，利用升高的温度加快零件基材位错运动和涂覆层金属元素的颗粒扩散，使得制备的熔覆层深度更深、颗粒分布均匀；利用基材处于动态应变时效温度状态这一特性减少激光熔覆过程中的温度梯度，有利于抑制激光熔覆过程中熔覆层内部裂纹的产生；利用基材本身的动态强化效应，使基材本身产生动态应变时效强化，是一种全新的对泵类零件激光熔覆再制造的方法。

Description

一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法和装置，特指一种先将不锈钢泵类零件加热到不锈钢基材的动态应变时效温度然后在此温度下进行激光熔覆的方法和装置，本发明可有效实现泵类零件的再制造，显著提高泵类零件的抗磨蚀性能，具有广阔的应用前景，该方法还可以推广应用到不锈钢轴类零件、不锈钢叶片的再制造和延寿处理等领域。

背景技术

泵在农业灌溉、石油、电厂、城市供排水、勘探、化工等国门经济各部门有着非常广泛的应用，由于工作条件恶劣等原因，泵的过流部常常发生汽蚀、磨损破坏，如油田生产中所使用的注聚泵的泵阀，容易在接触面上产生冲蚀麻点坑使密封效果变差而影响泵效；再者如排灌泵站中，由于河流中含有大量泥沙，水泵的叶轮和和蜗壳等过流部件的汽蚀、磨损相当严重，磨蚀不仅使泵的效率降低，产生噪声和振动，而且使过流部件表面基材大面积剥落，致使泵的运行寿命大幅缩短，甚至造成严重事故，因此必须采取有效措施以提高泵类零件表面的抗磨蚀能力，常规表面处理技术如各种涂层、镀层等，由于其较差的层间结合力和较薄的处理工程厚度，很难胜任这些苛刻场合的要求，激光表面熔覆技术是将不同成分的合金粉末添加到激光束加热所形成的熔池中，并由激光将其熔化，快速凝固后形成于基体材料冶金结合的表面涂层的一种加工方法，激光熔覆加工的热变形小，覆层成分及稀释率可控，具有涂层与基体结合强度高、不脱落、加工速度快、光束瞄准加工灵活、自动化程度高等特点，在降低能源消耗的同时，可显著地提高泵类零件的抗汽蚀、磨蚀性能，有效延长泵类零件的使用寿命，在经济上和覆层质量上都优于传统的表面处理技术，但是激光熔覆技术仍存在如下问题：(1) 熔覆层组织不均匀；(2) 熔覆过程中基材受热形成较大温度梯度，温度梯度造成的热应力容易致使熔覆层内部产生裂纹。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法和装置泵，即首先将不锈钢泵类零件加热到不锈钢的动态应变时效温度区域，在此温度下对零件进行激光熔覆，利用温度升高加快零件基材位错运动和涂覆层金属元素的颗粒扩散，使得制备的涂层深度更深、颗粒分布更均匀；该方法能够减少激光熔覆过程中的温度梯度，可以抑制激光熔覆过程中熔覆层内部裂纹的产生，同时还可以使零件基材本身产生动态应变时效强化，可有效实现泵类零件的再制造，显著提高他们抗汽蚀、磨蚀性能，具有广阔的应用前景。该方法还可以推广应用到不锈钢轴类零件、不锈钢叶片的再制造和延寿处理等领域。

本发明提供了激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的装置，包括依次相连的计算机控制装置、光纤激光器、真空绝热容器、机械手、柔性导光管、熔覆监测装置、激光头、温度传感器、涂覆层、不锈钢泵类零件、五轴工作台、抽真空阀、加热板。

熔覆监测装置通过K9玻璃窗监测连续激光和涂覆层之间的入射夹角、激光头与涂覆层之间距离及不锈钢泵类零件的表面熔覆质量，监测数据返回计算机控制装置，计算机控制装置控制光纤激光器发射连续激光及停止发射，根据温度传感器反馈回来的温度信息控制加热板的开启和停止，同时控制五轴工作台的移动、激光头的工作参数和状态及控制机械手的运动带动激光头移动，从而控制不锈钢泵类零件表面熔覆区域与连续激光束的相对位置、激光光斑大小和激光头与涂覆层之间距离，实现不锈钢泵类零件的激光熔覆再制造。

真空绝热容器必须密封、绝热、内部处于真空状态，确保在激光熔覆过程中容器内部处于真空状态、试样不被氧化，同时保持恒温，真空绝热容器上方的活动盖主要用于零件装夹固定和取出、激光头的夹持和取出用，柔性导光管主要用于连续激光束的传导，柔性导光管和激光头必须耐高温，温度传感器主要用来监测真空绝热容器中的实时温度，加热板用来给不锈钢泵类零件基体加热，抽真空阀主要用来把真空绝热容器内抽成真空状态。

该激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法的具体步骤如下：

(1) 清洁不锈钢泵类零件表面除去所有污物；

(2) 将由合金粉末和粘结剂组成的涂覆层涂覆在不锈钢泵类零件表面并将其干燥；

(3) 把不锈钢泵类零件装夹固定在五轴工作台上；

(4) 先将五轴工作台放置到到真空绝热容器内、定位，然后通过机械手夹持并运动使激光头伸入到真空绝热容器内、定位，再把真空绝热容器内抽成真空状态；

(5) 先加热不锈钢泵类零件至不锈钢的动态应变时效温度，然后使用光纤激光器输出连续激光对零件表面进行激光熔覆再制造。

本发明一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法首先在于工艺方法的创新，即先将不锈钢泵类零件加热至不锈钢的动态应变时效温度，再采用光纤激光对泵类零件表面进行激光熔覆再制造，实现不锈钢泵类零件的激光熔覆再制造。

本发明原理的创新在于，对处于动态应变时效温度的不锈钢泵类零件进行激光熔覆，利用升高的温度加快零件基材位错运动和涂覆层金属元素的颗粒扩散，使得制备的熔覆层深度更深、颗粒分布均匀；利用基材处于动态应变时效温度状态这一特性减少激光熔覆过程中的温度梯度，有利于抑制激光熔覆过程中熔覆层内部裂纹的产生；利用基材本身的动态强化效应，使基材本身产生动态应变时效强化，是一种全新的对泵类零件激光熔覆再制造的方法。

本发明所采用的不锈钢泵类零件的用于激光熔覆涂覆层合金粉末的质量百分含量为：Cr：15.0-20.0%，B：3.0-4.5%,Si：3.0-4.5%，Fe≤5.0%，W：4.0-6.0%,Ni：余量，其中B为抗汽蚀作用粉末，具有很好的抗汽蚀作用；W为耐磨粉末，具有很好的耐磨作用；所用粘结剂为酚醛环氧树脂-聚硅氧烷共混胶粘剂，粘结剂与合金粉末的质量比为3:20，酚醛环氧树脂-聚硅氧烷共混胶粘剂为酚醛环氧树脂、聚硅氧烷、胶类固化剂按照质量比例2：3：2混合而成；激光熔覆在真空绝热容器中进行，因为容器内部为真空状态，故不需要再通入惰性气体防止熔覆表面氧化，并且激光熔覆采用激光单道熔覆或者多道熔覆在不锈钢泵类零件表面制备抗汽蚀、耐磨涂层,其厚度为0.5~1 mm，所采用的光纤激光的工艺参数为：光斑带宽为3×3 mm光束，功率3000~6000 W，扫描速度6~8 mm/s，多道熔覆时相邻光斑搭接率15%~40%。

本发明具有以下优势：

(1) 将不锈钢泵类零件基材加热到动态应变时效温度再对零件进行激光熔覆，可以加快基***错运动和涂覆层金属元素的颗粒扩散，从而使得制备的涂层深度更深，并且颗粒分布更均匀；基材在高温状态下进行激光熔覆减少了熔覆过程中的温度梯度，有利于抑制熔覆过程中熔覆层内部的裂纹产生。

(2) 本发明基于金属材料在动态应变时效温度下会产生动态应变时效强化效应及金属粉末颗粒均匀分布在金属材料表层产生弥散强化效应，对位于动态应变时效温度下的不锈钢泵类零件进行激光熔覆，使零件本身产生动态应变时效强化、零件表层材料产生弥散强化，具有动态应变时效强化和颗粒弥散强化的双重效果。

(3) 本发明较常规激光熔覆及传统喷涂等表面处理方法可更加显著地提高不锈钢泵类材料的耐磨耐蚀性能。

附图说明

图1是激光熔覆再制造不锈钢泵类零件装置；

(1) 计算机控制装置， (2) 光纤激光器， (3) 真空绝热容器， (4) 机械手， (5)柔性导光管， (6) 熔覆监测装置， (7) K9玻璃窗， (8) 激光头， (9) 活动盖， (10) 连续激光， (11) 温度传感器， (12) 涂覆层， (13) 不锈钢泵类零件， (14) 五轴工作台， (15) 抽真空阀， (16) 加热板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的基体的装置的细节和工作情况。

用本发明不锈钢泵类零件激光熔覆再制造装置包括计算机控制装置1、光纤激光器2、真空绝热容器3、机械手4、柔性导光管5、熔覆监测装置6、激光头8、温度传感器11、涂覆层12、不锈钢泵类零件13、五轴工作台14、抽真空阀15和加热板16；熔覆监测装置6通过K9玻璃窗7监测连续激光10和涂覆层12之间的入射夹角、激光头8与涂覆层12之间距离及不锈钢泵类零件13表面熔覆质量，监测数据返回计算机控制装置1，计算机控制装置1控制光纤激光器2发射连续激光10及停止发射，根据温度传感器11反馈回来的温度信息控制加热板16的开启和停止，同时控制五轴工作台14的移动、激光头8的工作参数和状态及控制机械手4运动带动激光头8移动，从而控制不锈钢泵类零件13表面熔覆区域与连续激光10的相对位置、连续激光10光斑模式和激光头8与涂覆层12之间的距离，实现不锈钢泵类零件13的激光熔覆再制造；真空绝热容器3必须密封、绝热、内部处于真空状态，确保在激光熔覆过程中容器内部没有空气、激光熔覆区域不被氧化，同时保持恒温，真空绝热容器3上方的活动盖9主要用于不锈钢泵类零件(13)的装夹固定和取出、激光头8的夹持和取出用，柔性导光管5主要用于连续激光10的传导，柔性导光管5和激光头8必须耐高温，温度传感器11主要用来监测真空绝热容器3中的实时温度，加热板16用来给不锈钢泵类零件13基体加热，抽真空阀15主要用来把真空绝热容器3内抽成真空状态。

清洁不锈钢泵类零件13表面除去所有污物，将由合金粉末和粘结剂组成的涂覆层12涂覆在不锈钢泵类零件13表面，并待其干燥；把不锈钢泵类零件13装夹固定在五轴工作台14上，将五轴工作台14放置到真空绝热容器3内、定位，然后通过机械手4夹持并运动使激光头8伸入到真空绝热容器3内、定位，关闭真空绝热容器3的活动盖9，然后通过抽真空阀15把真空绝热容器3内抽成真空状态。预热不锈钢泵类零件13基体，根据温度传感器11所示温度，利用位于真空绝热容器3底部的加热板16将不锈钢泵类零件13基体加热到不锈钢的动态应变时效温度。根据不锈钢泵类零件13基体熔覆区域要求，通过计算机控制装置1编程生成熔覆扫描轨迹，确定连续激光10光斑带宽、功率、扫描速度等工艺参数，光纤激光器2发出光斑带宽为3×3 mm、功率为3000~6000 W的连续激光10，计算机控制装置1通过控制激光头8来调节连续激光3的光斑模式；由光纤激光器2产生的连续激光10由柔性导光管5传导通过激光头8，然后通过激光头8调节连续激光10的光斑模式，连续激光3继续辐照在不锈钢泵类零件13表面的涂覆层12上，连续激光10熔化涂覆层12和不锈钢泵类零件13基体表面使其共同形成熔池，使熔化的涂覆层12与不锈钢泵类零件13表面结合形成熔覆层，计算机控制装置1控制光纤激光器2发射连续激光10及停止发射，同时根据激光熔覆的工艺参数控制五轴工作台14的移动，控制不锈钢泵类零件13基体表面加工点和连续激光束10的相对位置，采用光纤激光器2对覆盖有涂覆层12的不锈钢泵类零件13基体进行单道或多道熔覆，实现不锈钢泵类零件13基体的再制造，计算机控制装置1还可根据熔覆监测装置6的信号确定下一步的熔覆过程。

Claims (4)

1.一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1) 清洁不锈钢泵类零件表面除去污物；

(2) 将由合金粉末和粘结剂组成的涂覆层涂覆在不锈钢泵类零件表面并将其干燥；

(3) 把不锈钢泵类零件装夹固定在五轴工作台上；

(4) 先将五轴工作台放置到到真空绝热容器内、定位，然后通过机械手夹持并运动使激光头伸入到真空绝热容器内、定位，再把真空绝热容器内抽成真空状态；

(5) 先加热不锈钢泵类零件至不锈钢的动态应变时效温度，然后使用光纤激光器输出连续激光对零件表面进行激光熔覆再制造形成抗汽蚀、耐磨涂层。

2.如权利要求1所述的一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法，其特征在于：所述的合金粉末的质量百分含量为：Cr：15.0-20.0%，B：3.0-4.5%,Si：3.0-4.5%，Fe≤5.0%，W：4.0-6.0%,Ni：余量；所用粘结剂为酚醛环氧树脂-聚硅氧烷共混胶粘剂，粘结剂与合金粉末的质量比为3:20，酚醛环氧树脂-聚硅氧烷共混胶粘剂为酚醛环氧树脂、聚硅氧烷、胶类固化剂按照质量比例2：3：2混合而成。

3.如权利要求1所述的一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法，其特征在于：所述的抗汽蚀、耐磨涂层厚度为0.5~1 mm。

4.如权利要求1所述的一种激光熔覆再制造不锈钢泵类零件的方法，其特征在于：所述的激光的工艺参数为：光斑带宽为3×3 mm光束，功率3000~6000 W，扫描速度6~8 mm/s，多道熔覆时相邻光斑搭接率15%~40%。

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