CN103668177B - 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 - Google Patents
一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103668177B CN103668177B CN201310590110.3A CN201310590110A CN103668177B CN 103668177 B CN103668177 B CN 103668177B CN 201310590110 A CN201310590110 A CN 201310590110A CN 103668177 B CN103668177 B CN 103668177B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- carbon steel
- steel plate
- powder
- coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明涉及一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法,在激光焊机上采用激光熔覆的方法,对碳素钢板进行增强处理,先对碳素钢表面进行喷砂处理,预置锆镍铝铜混合粉,用激光束对其表面进行熔覆,激光束按计算机程序设置的轨迹曲线进行全方位照射,使非晶合金粉末熔解固化在碳素钢表面,形成非晶合金层,大幅度提高了碳素钢表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性,表面硬度比处理前可提高4倍,耐磨性提高4倍,耐腐蚀性提高1000%,此增强方法工艺先进,数据翔实精确,工艺流程短,容易实现,安全稳定可靠,熔覆层牢固,不易脱落,是理想的碳素钢板表面增强方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法,属非晶合金表面涂覆金属、激光熔覆、提高耐腐蚀的技术领域。
背景技术
碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基础材料,世界各工业国家,非常注意改进碳素钢质量,扩大品种和使用范围,广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和机械制造工业,而且在石油化工、海洋开发方面,也得到大量使用。
碳素钢虽然具有很多优点,但由于铁元素的活性,易发生电池反映,氧化铁的疏松多孔结构特性,使其表面耐腐蚀性差,使碳素钢的应用受到了很大局限,故必须对碳素钢的表面进行处理,提高表面的耐蚀性,才可得到更广泛的应用。
目前,碳素钢表面改性有多种方法,例如表面扩渗合金化、气相沉积涂层、镀层处理法、化学表面处理法、机械表面处理法,都有一定效果,但也存在一些弊端。
在碳素钢表面激光熔覆非晶合金涂层是一种新的技术领域,许多国内外科研人员在非晶涂层方面进行了研究,常见的涂层有Zr基非晶涂层,但这种涂层单一,使用效果欠佳,制备涂层过程也存在弊端和不足,仍处于研究阶段。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的现状和不足,在碳钢表面用激光熔覆法,采用锆粉、铝粉、铜粉、镍粉形成非晶合金涂层,以大幅度提高碳钢表面的硬度、强度和耐腐蚀性,改善碳钢的力学性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为:碳素钢板、锆粉、铝粉、镍粉、铜粉、氩气、无水乙醇,其组合准备用量如下:以克、毫升、毫米、厘米3为计量单位
碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层方法如下:
(1)精选化学物质材料
对使用的化学物质材料要进行精选,并进行精度、纯度控制:
碳素钢板:固态板形
(2)表面处理碳素钢板
①打磨修整碳素钢板表面各部,确定工作表面,使各边垂直;
②在喷砂机上,用石英砂喷砂粗化处理碳素钢板工作表面,表面粗糙度为Ra2.5-5.0μm;
③用无水乙醇擦洗碳素钢板工作表面,擦洗后晾干;
(3)球磨、干燥处理涂层材料
①用球磨机分别研磨锆粉、铝粉、镍粉、铜粉,并用200目筛网分别过筛,成细粉,细粉颗粒直径≤0.075mm;
②合金粉混合:将研磨的锆、铝、镍、铜粉按582:30.8:101:48.3的质量比例置于容器中混合,搅拌均匀;然后用球磨机将混合粉研磨,用400目筛网过筛,细粉颗粒直径≤0.04mm;
③将研磨后的锆镍铝铜混合粉置于烘干箱内干燥,干燥温度110℃,干燥时间240min;
(4)在碳素钢板表面激光熔覆锆镍铝铜混合粉
①将碳素钢板置于激光焊机的三坐标工作台上,工作表面朝上,调整好X、Y、Z坐标距离,并固定;
②将激光头对准碳素钢板,调整激光束聚焦距离,激光器联结氩气导管、氩气瓶;
③将锆镍铝铜混合粉置于碳素钢板工作表面上,混合粉厚度1mm;
④开启氩气瓶,氩气输入速度为40cm3/min;
⑤熔覆混合粉:激光发生器送光,激光头在碳素钢板上对混合粉进行熔覆,用30%搭接率连续扫面,氩气跟随激光头输入扫面,扫面时间3min;
⑥扫面后冷却固化,自然冷却至25℃;
激光束辐照碳素钢板表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成,程序由G代码编制;
激光束照射固熔参数:
激光器:CO2气体激光器
激光波长:10.6μm
激光束输出功率:3300W
光斑直径:3mm
正离焦量:+20mm
激光束照射固熔温度:1200℃-1500℃
扫描速度:600mm/min
扫描时间:3min
瞬时固熔时间:0.02s
激光束扫描照射固熔后,在碳素钢板工作表面形成熔覆层,即:ZrNiAlCu非晶合金涂层,熔覆后非晶合金涂层厚度为0.6mm,表面呈黄褐色;
(5)碳素钢板冷却后,用砂纸打磨非晶合金涂层表面,表面粗糙度为Ra0.63-1.25μm;
(6)清洗碳素钢板,用无水乙醇进行清洗,清洗后晾干;
(7)检测、分析、表征
对激光重熔后的碳钢板非晶合金层表面进行形貌、显微硬度、XRD物相、耐腐蚀性进行分析和表征;
用金相显微镜、扫描电镜对熔覆层表面形貌进行观察分析;
用显微硬度仪对熔覆层表面进行硬度测试分析;
用XRD分析仪对熔覆层进行物相分析;
用电化学腐蚀试验仪对熔覆层表面进行腐蚀性能检测分析;
结论:
碳素钢板与非晶熔覆层达到冶金结合;
熔覆层由晶体与非晶体组成,其中非晶体体积分数达到55%;
显微硬度:由基体的232.2HV升至828.7HV,表面硬度提高4倍,耐磨性提高4倍;
电化学腐蚀:腐蚀电流由基体的2.261E-5A/cm2升高到2.142E-6A/cm2,耐腐蚀性提高1000%。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,它是根据碳素钢板表面强度低,耐磨性、耐腐蚀性差的状况,对碳素钢板表面采用预置金属粉末、激光熔覆技术,在其表面熔覆了非晶合金涂层,涂层硬度较碳素钢板提高4倍,耐磨性提高4倍,耐腐蚀性提高1000%,熔覆涂层非晶形成能力高,该熔覆增强方法工艺流程短,数据翔实精确,容易实现,安全稳定可靠,固熔层牢固,不易脱落,是十分理想的碳素钢表面的增强方法。
附图说明
图1为碳素钢板表面激光熔覆非晶合金涂层工艺流程图
图2为碳素钢板激光熔覆非晶合金涂层状态图
图3为碳素钢板激光束聚焦照射扫描轨迹图
图4为图3的A—A剖面图
图5为熔覆层整体形貌图
图6为熔覆层非晶组织放大形貌图
图中所示,附图标记清单如下:
1、碳素钢板,2、锆镍铝铜混合粉层,3、激光机座,4、XYZ三坐标工作台,5、温度场测量仪,6、温度传感器,7、激光器,8、光栅,9、反射镜,10、聚焦镜,11、激光束聚焦点,12、观察镜,13、摄像机,14、计算机,15、氩气瓶,16、氩气阀,17、氩气管,18、支架,19、液晶显示屏,20、指示灯,21、固熔温度控制器,22、电源开关,23、摄像机导线,24、激光器导线,25、温度场测量导线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明:
图1所示,为碳素钢板表面激光熔覆非晶合金涂层工艺流程图,要按按量配比,按序操作。
制备使用的化学物质材料的量值是按预先设置的规格、表面积、合金层深度确定的,以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位。
碳素钢板表面粗糙度以Ra2.5-5.0μm为宜,以便于非晶涂层附着固化。
非晶涂层是以锆镍铝铜按原子数目比Zr63.8Ni17.2Al11.4Cu7.6设定的,预置粉末厚度为1mm。
碳素钢板表面的固熔是最重要的工序,要严格进行,各技术参数要严格控制。
激光束聚焦照射时会产生强的温度场,用温度场测量仪、温度传感器和高速摄像装置随时监控熔覆过程及温度场,液晶显示屏显示数值及熔覆状态。
激光器为激光束能量源,要保证有足够的能量值,反射镜、聚焦镜要位置正确,垂直聚焦。
激光束照射过程中,全程用氩气保护,气流量要充足。
图2所示,为碳素钢板激光熔覆非晶合金涂层状态图,各部位置要正确,按量配比,各熔覆参数要严格控制,按序操作。
碳素钢板工作表面激光熔覆非晶合金涂层是在激光机上进行的,是在XYZ三坐标工作台上,在激光束照射、氩气保护下完成的;
激光机座3呈矩形,在激光机座3上设置XYZ三坐标工作台4,在XYZ三坐标工作台4的上部平行置放碳素钢板1,并固定,碳素钢板1工作表面向上,在碳素钢板1上部均匀置放锆镍铝铜混合粉层2,在XYZ三坐标工作台4的正面设置液晶显示屏19、指示灯20、固熔温度控制器21、电源开关22;在激光机座3的左部设有氩气瓶15,氩气瓶15联接氩气阀16、氩气管17,氩气管17由支架18支撑,氩气管17对准锆镍铝铜混合粉层,并输出氩气;在激光机座3的左上部设有激光器7,激光器7右部平行对准光栅8,光栅8平行对准反射镜9,反射镜9垂直对准聚焦镜10,聚焦镜10对准碳素钢板1上的锆镍铝铜混合粉层2;在激光机座3的右上部设有观察镜12、摄像机13,观察镜12、摄像机13对准碳素钢板1上的聚焦熔覆点;在激光机座3的右部设有计算机14,计算机14通过摄像机导线23与摄像机13联接,计算机14通过激光器导线24与激光器7联接,计算机14通过温度场测量导线25与激光机座3联接。
图3、4所示,为碳素钢板激光束聚焦照射扫描轨迹图,轨迹起点可从中间位置左右方向开始,顺时针单道扫描,回程冷却,左右扫描可防止变形。
图5所示,为熔覆层整体形貌图,图中可知:熔覆层与基体达到良好的冶金结合,熔覆层致密性好,少量气孔,无裂纹缺陷。
图6所示,为熔覆层非晶组织放大形貌图,图中可知,非晶含量高,夹杂有晶体存在。
Claims (2)
1.一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法,其特征在于:使用的化学物质材料为:碳素钢板、锆粉、铝粉、镍粉、铜粉、氩气、无水乙醇,其组合准备用量如下:以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位
碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层方法如下:
(1)精选化学物质材料
对使用的化学物质材料要进行精选,并进行精度、纯度控制:
(2)表面处理碳素钢板
①打磨修整碳素钢板表面各部,确定工作表面,使各边垂直;
②在喷砂机上用石英砂喷砂粗化处理碳素钢板工作面,表面粗糙度为Ra2.5-5.0μm;
③用无水乙醇擦洗碳素钢板工作面,擦洗后晾干;
(3)球磨、干燥处理涂层材料
①用球磨机分别研磨锆粉、铝粉、镍粉、铜粉,并用200目筛网分别过筛,成细粉,细粉颗粒直径≤0.075mm;
②合金粉混合:将研磨的锆、铝、镍、铜粉按582:30.8:101:48.3的质量比置于容器中混合,搅拌均匀,再用球磨机将混合粉研磨,用400目筛网过筛,细颗粒直径≤0.040mm;
③将研磨后的锆镍铝铜混合粉置于烘干箱内干燥,干燥温度110℃,干燥时间240min;
(4)在Q235板表面激光熔覆锆镍铝铜混合粉
①将碳素钢板置于激光焊机的三坐标工作台上,调整好X、Y、Z坐标距离,并固定;
②将激光头对准碳素钢板,调整激光束聚焦距离,激光器联结氩气导管、氩气瓶;
③将锆镍铝铜混合粉置于碳素钢板上,混合粉厚度1mm;
④开启氩气瓶,氩气压力为0.8~1.0kgf/cm2,氩气输入速度为10cm3/min;
⑤熔覆混合粉:激光发生器送光,激光头在碳素钢板上对混合粉进行熔覆,用30%搭接率连续扫面,氩气跟随激光头输入扫面,扫面时间3min;
⑥扫描后冷却固化,自然冷却至25℃;
激光束辐照碳素钢板表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成,程序由G代码编制;
激光束照射固熔参数:
激光器:CO2气体激光器
激光波长:10.6μm
激光束输出功率:3300W
光斑直径:3mm
正离焦量:+20mm
激光束照射固熔温度:1200-1500℃
扫描速度:600mm/min
扫描时间:3min
瞬时固熔时间:0.02s
激光束扫描照射固熔后,在碳素钢板工作表面形成熔覆层,即:ZrNiAlCu非晶涂层,熔覆后非晶涂层厚度为0.6mm,表面呈黄褐色;
(5)碳素钢板冷却后,用砂纸打磨非晶涂层表面,表面粗糙度为Ra0.63-1.25μm;
(8)清洗碳素钢板,用无水乙醇进行清洗,清洗后晾干;
(9)检测、分析、表征
对激光重熔后的碳钢板合金层表面进行形貌、显微硬度、XRD物相、耐腐蚀性进行分析和表征;
用金相显微镜、扫描电镜对熔覆层表面形貌进行观察分析;
用显微硬度仪对熔覆层表面进行测试分析;
用XRD分析仪对熔覆层进行物相分析;
用电化学腐蚀试验仪对熔覆层表面进行腐蚀性能检测分析;
结论:
碳素钢板与非晶熔覆层达到冶金结合;
熔覆层由晶体与非晶体组成,其中非晶体体积分数达到55%;
显微硬度:由基体的232.2HV升至828.7HV,表面硬度可提高4倍,耐磨性提高4倍;
电化学腐蚀:腐蚀电流由基体的2.261E-5A/cm2升高到2.142E-6A/cm2,耐腐蚀性提高1000%。
2.根据权利要求1所述的一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法,其特征在于:碳素钢板工作表面激光熔覆非晶涂层是在激光机上进行的,是在XYZ三坐标工作台上,在激光束照射、氩气保护下完成的;
激光机座(3)呈矩形,在激光机座(3)上设置XYZ三坐标工作台(4),在XYZ三坐标工作台(4)的上部平行置放碳素钢板(1),并固定,碳素钢板(1)工作表面向上,在碳素钢板(1)上部均匀置放锆镍铝铜混合粉层(2),在XYZ三坐标工作台(4)的正面设置液晶显示屏(19)、指示灯(20)、固熔温度控制器(21)、电源开关(22);在激光机座(3)的左部设有氩气瓶(15),氩气瓶(15)联接氩气阀(16)、氩气管(17),氩气管(17)由支架(18)支撑,氩气管(17)对准锆镍铝铜混合粉层(2),并输出氩气;在激光机座(3)的左上部设有激光器(7),激光器右部平行对准光栅(8),光栅(8)平行对准反射镜(9),反射镜(9)垂直对准聚焦镜(10),聚焦镜(10)对准碳素钢板(1)上的锆镍铝铜混合粉层(2);在激光机座(3)的右上部设有观察镜(12)、摄像机(13),观察镜(12)、摄像机(13)对准碳素钢板(1)上的聚焦熔覆点;在激光机座(3)的右部设有计算机(14),计算机(14)通过摄像机导线(23)与摄像机(13)联接,计算机(14)通过激光器导线(24)与激光器(7)联接,计算机(14)通过温度场测量导线(25)与激光机座(3)联接。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310590110.3A CN103668177B (zh) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310590110.3A CN103668177B (zh) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103668177A CN103668177A (zh) | 2014-03-26 |
CN103668177B true CN103668177B (zh) | 2015-10-28 |
Family
ID=50306933
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310590110.3A Active CN103668177B (zh) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103668177B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106011847A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-10-12 | 江苏大学 | 一种金属材料表面原位非晶化改性方法 |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2961155A1 (en) * | 2014-09-15 | 2016-03-24 | Kondex Corporation | Laser clad knife guard |
US9717176B2 (en) | 2014-09-15 | 2017-08-01 | Kondex Corporation | Agricultural blades and machine parts with amorphous metal laser cladding |
US10648051B2 (en) | 2015-04-24 | 2020-05-12 | Kondex Corporation | Reciprocating cutting blade with cladding |
CN104947007B (zh) * | 2015-06-23 | 2017-05-03 | 太原科技大学 | 用于制备非晶合金的*** |
CN104988436B (zh) * | 2015-06-23 | 2017-07-11 | 太原理工大学 | 一种锆基非晶合金的制备方法 |
CN108103384A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-01 | 太原理工大学 | 一种激光增材非晶合金的制备方法 |
CN110331342A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-15 | 江阴市恒润环锻有限公司 | 一种民用核设备中合金环锻件及其制造方法 |
CN113351372B (zh) * | 2021-06-07 | 2022-09-13 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种Zr基非晶涂层及其制备工艺和其在电净化中的应用 |
CN114016692A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-08 | 晋江市新思维环保科技有限公司 | 基于热压成型的蜂窝铝板及其制备工艺 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1341771A (zh) * | 2001-08-10 | 2002-03-27 | 大连理工大学 | 大块非晶合金成分设计方法 |
CN101805903A (zh) * | 2010-04-12 | 2010-08-18 | 太原理工大学 | 一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法 |
CN103143698A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-12 | 燕山大学 | 锆基块体非晶合金熔体流动性测试方法及其装置 |
-
2013
- 2013-11-21 CN CN201310590110.3A patent/CN103668177B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1341771A (zh) * | 2001-08-10 | 2002-03-27 | 大连理工大学 | 大块非晶合金成分设计方法 |
CN101805903A (zh) * | 2010-04-12 | 2010-08-18 | 太原理工大学 | 一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法 |
CN103143698A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-12 | 燕山大学 | 锆基块体非晶合金熔体流动性测试方法及其装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106011847A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-10-12 | 江苏大学 | 一种金属材料表面原位非晶化改性方法 |
CN106011847B (zh) * | 2016-07-22 | 2019-02-05 | 江苏大学 | 一种金属材料表面原位非晶化改性方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103668177A (zh) | 2014-03-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103668177B (zh) | 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 | |
CN101532134B (zh) | 一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法 | |
CN103556146B (zh) | 制备高熵合金涂层的方法 | |
CN103757631A (zh) | 高熵AlCoNiCrFeMo合金涂层制备方法 | |
CN111872388B (zh) | 一种基于激光选区熔化技术制备高熵合金的方法 | |
CN102861990B (zh) | 一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法 | |
CN106757001A (zh) | 一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置 | |
CN104972124B (zh) | 基于飞秒激光复合技术的实时监控快速成型设备和方法 | |
CN101805903A (zh) | 一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法 | |
CN108465814B (zh) | 原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法 | |
CN103866319A (zh) | 锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法 | |
Wang et al. | Comparative study on microstructure and properties of Fe-based amorphous coatings prepared by conventional and high-speed laser cladding | |
CN101994113A (zh) | 水轮机组顶盖耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺 | |
CN108165982A (zh) | 一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐蚀涂层的方法 | |
Agarkov et al. | Analysis of Interfacial Processes at the SOFC Electrodes by I n-Situ Raman Spectroscopy | |
CN101575695B (zh) | 一种基于透明材料的激光镀膜装置和方法 | |
CN104550901A (zh) | 镍单元素基合金表面激光高熵合金化用粉料及制备工艺 | |
CN105331973A (zh) | 一种钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法 | |
CN103290409A (zh) | 一种混料机叶片的制造方法 | |
CN107012463B (zh) | 一种氧化铝改性的梯度激光熔覆层及其制备方法 | |
CN114850494A (zh) | 一种高熵合金泡沫状结构多束电子束增材制造方法 | |
CN114481125A (zh) | 一种5系铝合金激光修复工艺及使用的Al-Mg-Sc-Zr粉末的制备方法 | |
CN105177570A (zh) | 一种表面涂敷工艺方法 | |
CN106222655A (zh) | 一种非晶合金覆层的制备方法 | |
CN109023356A (zh) | Q235钢氩弧熔覆FeCoCrMoCBY合金涂层的研究 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
TR01 | Transfer of patent right | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200717 Address after: 037000 east side of the intersection of Yunzhou street and Erdong Road, Yunzhou District, Datong City, Shanxi Province Patentee after: Datong Sen yuan Laser Remanufacturing Technology Co.,Ltd. Address before: 030024 Yingze, Shanxi Province, Berlin District, West Street, No. 79, No. Patentee before: Taiyuan University of Technology |