CN107429381B - 用于包覆物品的表面的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于包覆受到腐蚀、侵蚀或磨损的物品的表面的方法、***和设备，例如冲击或磨削工具。所述方法包括提供原料供应并通过专用进料源将原料供给物品表面的一部分。专用热源加热供给的原料和物品表面的所述部分，使得加热的原料和表面的所述部分至少部分地熔化。在去除热量时，熔融的原料和所述表面部分在物品表面的至少一部分上形成粘合涂层，从而保护组件的该部分免于受到磨损。

Description

用于包覆物品的表面的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及一种用于通过激光沉积将冶金结合层沉积到金属基底的表面上的方法、***和设备。
本发明已经开发了一种形式用于与向下钻孔(“DTH”)锤钻中使用的类型的大致圆柱形部件结合使用，并且将在本文中主要说明。然而，应当理解的是本发明不限于该特定的使用领域，潜在地可应用于在金属基底上沉积表面层是有利的广泛应用。
表面涂层的共同目的是定制或改进耐磨性特征，并且将主要参考这些应用来描述本发明。然而，应该理解的是本发明可以用于广泛范围的功能、结构和美学应用的表面层和涂层，包括但不限于耐磨性或耐蚀性、绝热性、耐腐蚀性和耐化学性、电导率或电阻率、医疗或生物医学相容性、RFI/EMI屏蔽、表面颜色、图案或纹理、尺寸恢复和外观修复。
背景技术
现有技术的以下讨论旨在将本发明在适当的技术背景下进行说明，并且可更全面地理解相关的优点。然而，应当理解的是任何对现有技术的引用都不应该被解释为明确或暗指的承认这种技术或任何相关的缺点或限制是本领域中广泛已知的或通常的公知知识的一部分。
迄今为止已经使用多种方法将耐磨层沉积到金属基底上，包括热喷涂、喷射和熔合以及激光熔覆技术。热喷涂主要用于将诸如金属、合金、聚合物、陶瓷和金属陶瓷的高性能材料施加到更容易加工且成本较低的基材上。该技术主要涉及通过热源熔化或热软化涂料的原料源并将加热的涂料的颗粒朝向基材加速。在与基材碰撞时形成“薄片(splat)”，其在预制的基材的表面上成型而形成凹凸形状，从而形成键合到基底表面的机械型键。通过基材、喷涂设备或两者的移动产生涂层，直到获得所需的涂层厚度和面积为止。典型的沉积厚度的范围为50-2000微米，这取决于所使用的材料和工艺。
使用热喷涂工艺生产的涂层的质量受许多因素的影响，包括碰撞时的熔融颗粒的速度、颗粒在其轨迹和碰撞期间的温度、所应用的材料的形态和组成、颗粒在飞行期间和与基材碰撞时经历的化学和热环境以及基材本身的特性。特征也将根据所使用的特定热喷涂技术而变化，所述热喷涂技术的示例包括燃烧线材喷涂、燃烧粉末喷涂、高速氧燃料、爆轰枪、电弧线材喷涂和电弧等离子喷涂***。
热喷涂技术相对于更传统的表面涂覆和修复方法的一个优点是该热喷涂技术通常被认为是“冷”沉积工艺，在这种意义上，基材在大多数情况下不超过约200℃的温度。这允许进行通常通过焊接和其他高温工艺被认为是不可涂覆的或不可修复的基材的涂覆。然而，这些技术受到许多固有的缺点，包括相对较低的粘结强度、相对较高的孔隙率和氧化物水平从而易于腐蚀、以及特别是涂层内的相对较高的残余应力。
这些残余应力可以极大地影响沉积涂层的阈值应变-断裂水平，因此在裂纹和分层发展之前极大地影响涂层的承载能力和涂层的最大厚度。这些限制使得该技术不适用于可能遇到高负载、冲击或严重腐蚀性条件的应用。这些因素在一定程度上可以通过在沉积过程期间增加颗粒速度来改善。然而，很大程度上仍存在由于氧化以及施加的涂层内的内部应力的随机性质所引起的固有问题。该过程也相对低效，沉积效率通常低至30％，最多只有约70％。
喷涂和熔合技术通常通过首先通过上述类型的热喷涂工艺将通常为Ni、Co或FE且添加有Si或B的自熔合金沉积到适当制备的基体金属上、然后将沉积物加热并熔合到基体金属上、从而形成冶金结合物来获得耐磨层。典型的沉积厚度的范围为50-3000微米。因为自熔合金的熔点基本上低于涂覆的基体金属的熔点，所以在熔合过程期间不需要所需的基体金属的熔化，并且通过晶粒间合金/内聚机制来获得冶金结合物。因此，基材很少或没有稀释。
然而，在熔化完成之前，需要将相邻区域加热到相对较高的温度，并且这通常通过喷灯来实现。大规模应用中的喷涂熔合通常需要后熔合操作，包括经验丰富的人员穿着防晒服装和头饰。该方法包括对先前涂覆到700℃以上的温度的区域进行预加热，然后将额外的热量施加到高于喷涂和易熔合金的熔融温度的温度，这通常在950℃和1250℃之间，这取决于具体的合金沉积，以便熔化和熔合涂层材料，使得该涂层材料湿润并结合到金属基底。在此过程期间的不充足的热量将导致粘合强度较差，而过多的热量会导致涂层变得过度液化并下垂或移行。熔化后，冷却速率通常例如通过绝缘介质必须被减慢以最小化开裂风险。因此，涉及到相当多的专门知识和专长，而且这个过程相对耗时且是劳动密集型的。
虽然通常使用的自熔合金相对地抵抗氧化且大大消除对特殊环境的需求，但是该方法仍然存在多个固有的缺点。首先，该方法基本上是两步骤的过程，通常需要首先将涂层材料施加在专用的热喷涂室中，随后在单独的专用熔合区域中执行后熔合过程。因此，该过程是耗时、昂贵的、需要广泛的专业知识、并且在较大规模的应用中需要多人参与。该过程的成功或失败高度依赖于操作者。所需的大量热量是能量密集的，并且产生潜在的危险的工作环境。此外，在预加热和熔合操作期间达到的温度可能会不利地影响先前施加到下面的部件或基板上的任何热处理。
激光熔覆技术利用激光束的能量在金属基底上形成冶金结合层。可用于此目的的激光器包括CO2、Nd：YAG、Nd：YVO4、二极管、圆盘和光纤激光器。
与其他技术相比，该***提供了许多优点，包括高度可变的能量调节、坚固的冶金结合、与基体金属的较低稀释度、较小的热影响区域、对基材和沉积层的较低的有害热影响、最小的变形以及高的加热速率和冷却速率，从而产生相对精细的微观结构和亚稳相。
在需要抵抗磨蚀和侵蚀的应用中特别有利的这种技术的一种形式是同时包覆基质合金和硬相颗粒以产生复合微结构，其中硬相颗粒以延性矩阵保持其完整性。该结构通常被称为金属基质复合材料(“MMC”)。在磨蚀和侵蚀环境中，延性基质材料首先被磨减，直到基质材料不足以包封硬相颗粒为止，此时去除硬相颗粒。因此，其成为沉积的MMC层内具有不均匀的低硬度相颗粒分布百分比的区域，从而将具有较高的磨损率且将最终限制整体性能。这些区域构成这种表面涂层的“链条中的薄弱环节”。
因此，激光熔覆技术的全部潜在优点通常在实践中不能实现，并反映在现实的性能中。
已经发现本发明的一种形式特别适用于与向下钻孔(DTH)锤钻一起使用。如本领域技术人员众所周知的，这种钻头连接到钻柱的下端，以引起类似于手提锤的气动锤击动作。这种快速撞击动作与施加到钻井组件的旋转和向下压力相结合将硬岩破碎成小的碎片、薄片和粉尘，进而通过从DTH锤机构排出的空气被吹出而不受钻头的影响。这样的机构即使在与相对较小的便携式钻机类型的钻探机相关联使用时也能大大加速钻进硬岩。
然而，虽然对于岩石钻具有高有效性，但是已经发现DTH锤钻受到相对快速且通常是过早的侵蚀磨损，特别是出现在包括顶部子组件、套管和驱动卡盘的前边缘的某些位置以及钻头的裙部直径处。还已经发现在受到钻机的夹持动作的套管区域中发生快速磨损，其中所述夹持动作能够使套管和顶部副组件或驱动卡盘在相反方向上扭转运动，以执行顶部接头相对于套管的松开或紧固。一旦磨损变得过大，则DTH锤钻组件必须撤回并进行更换或修理。这本身就是耗时且耗费成本的过程。然而，这还是钻井操作的主要破坏。因此，在这种情况下，甚至适度的磨损率降低在商业上也是明显的。
本发明的一个目的是克服或基本上改进现有技术的一个或多个缺点或限制，或至少提供有用的替代方案。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种包覆物品的表面的方法，所述方法包括以下步骤：提供原料材料供应，所述原料材料为具有包括基质材料和分散在基质材料中的加强材料的组合物的金属基质复合物；通过专用进料源将原料材料供给物品的表面的一部分；通过专用热源加热物品的表面的所述部分，使得供给的原料材料和表面的所述部分至少部分地熔化，从而在除去热量时，熔融的原料和所述表面部分形成粘合的涂层，所述粘合的涂层通过将珠粒重叠在所述物品的所述表面上的方式被沉积，其中每一个沉积的珠粒与先前沉积的珠粒重叠的范围在为相应珠粒宽度的大约50％至大约95％的范围内；和控制进料源和热源以使粘合的涂层的珠粒以至少500mm/min的表面速率沉积；从而提供在整个所述基质材料中基本均匀地分布所述加强材料的所述粘合的涂层。
如下面进一步详细所述，将原料供给到物品的表面的步骤优选地通过使用专门的进料***或机构(这里称为进料源)来实现。类似地，加热原料和物品的表面的步骤优选地使用专门的加热***或机构(这里称为热源)进行。
优选地，物品被布置成可相对于进料源和热源移动。在一些实施例中，物品可释放地安装到工作站(例如，工作台)上，其中工作站可相对于进料源和热源选择性地移动。在其他实施例中，进料源和热源可相对于工作站/物品选择性地移动。在特定实施例中，进料源和热源以及工作站/物品可选择性地且独立地移动，以提供相应部件之间的期望的位置、方向和间距。
在一些实施例中，工作站被构造为使得工作站能够进行线性运动，从而实现安装在其上的物品的相应移动。例如，工作站可以适于沿着每个笛卡尔坐标轴(即，x轴、y轴、z轴)移动。在其他实施例中，物品可以可旋转地安装到工作站，从而使物品能够围绕一个或多个轴线旋转。在这样的实施例中，工作站还可以适于沿着一组笛卡尔坐标轴(即，x轴、y轴、z轴)中的每一个移动，或者用于在平面(例如，xy平面)内线性移动，从而便于物品相对于进料源和热源的移动(和定位)。
在一些实施例中，物品在基本上水平的方向上安装到工作站(即，使得物品的纵向轴线沿着基本水平的平面延伸)。在其他实施例中，物品在基本垂直的方向上安装到工作站(即，使得物品的纵向轴线沿着基本垂直的平面延伸)。在一些实施例中，物品安装到工作站，使得物品的纵向轴线相对于工作台的轴线(例如，相对于水平平面或垂直平面)倾斜。
优选地，控制装置与工作站可操作地相关联并通信以控制工作站的移动。控制装置可以包括计算机数字控制(CNC)单元，从而使工作站的移动能够被编程为沿着期望路径自动移动。在一些实施例中，控制装置还可以被可操作地构造成用于控制进料源和热源相对于物品和/或工作站的移动。
在一些实施例中，物品由金属、陶瓷或聚合物形成。在一些实施例中，物品的其上形成有粘合涂层的表面是基本上平坦的表面或不平坦的表面(具有规则或不规则的表面轮廓)。在其他实施例中，物品的其上形成有粘合涂层的表面是曲面(例如，凸面或凹面)。所述表面可以是物品的内表面或外表面。
在优选实施例中，物品为工具或工具的一部分。在一个特别优选的实施例中，物品是气动致动的向下钻孔(“DTH”)锤钻。
在一些实施例中，加热原料的步骤包括使用至少一个热源。该热源或每个热源优选为激光器的形式。在特定实施例中，热源可以适于在从其离开或退出进料机构的输出的点过渡期间加热供给的原料，直到供给的原料到达物品的表面(即，沿着原料的轨迹路径)为止，并且可选地用于供给的原料与物品的表面接触之后的预定时间段内。
在一些实施例中，激光器选自包括但不限于CO2激光器、Nd：YAG激光器、Nd：YVO4激光器、二极管抽运的Nd：YAG激光器、二极管激光器、圆盘式激光器和光纤激光器的组。
优选地，激光器具有预定的功率输出。激光器优选具有用于选择性地调节、控制和设置激光器的功率输出的调节装置。
在特定的优选实施例中，激光器具有在约3kW至20kW的范围内的功率输出。在一个特别优选的实施例中，激光器具有在约4kW至10kW的范围内的功率输出。本领域技术人员当然会理解本发明不限于具有上述列出的功率参数的激光器的应用，而是可以选择为具有特定包覆应用所需的功率要求。
优选地，激光器被选择性地构造成产生限制物品的表面被激光熔化到预定的最大深度的程度的输出功率或能量。
优选地，热源(激光器)适于提供具有预定能量的激光束，以用于同时加热和熔化物品的金属表面的一部分和单独输送的原料(粉末或线材)以形成熔池。激光器优选地将物品的表面熔化到大约预定的深度，从而在物品的表面上形成熔融的粘合区。原料优选地具有期望的化学性质，使得在熔池内的熔融原料和粘合区聚结以在金属基体的表面上形成冶金结合的耐磨层。
在其他变型和优选实施例中，进料源可以适于从位于激光束后面的位置供给原料材料，由此原料被直接供给到由激光束产生的熔池中且在其朝着表面移动时不通过激光束。已经观察到这种实施例可以在将不间断的激光束提供到物品的表面方面提供优点，由此激光束的全部作用或能量被到达并被表面吸收，因此提高加热表面的效率。
有利地，在优选实施例中，激光热源被构造为将物品的表面熔化到预定深度，以便最小化原料的稀释，从而在形成耐磨涂层时基本上保持原料的初始材料特性。原料的材料特性包括例如其组成和硬度。在这种情况下，几何稀释被定义为基底中的包层深度与总包层高度之比。在一些实施例中，通过在此所述的激光熔覆工艺可以有利地获得小于5％的稀释率，在窄的处理范围内对激光器参数进行适当精确的控制。然而，在大约5％和10％的范围内的稀释率更常见。
在一些实施例中，诸如透镜或一组两个或更多个透镜的光学聚焦机构与激光器可操作地相关联，所述激光器用于将激光束引导并聚焦到物品的表面的期望区域或部分上。在特定实施例中，激光器具有在约2mm至20mm范围内的最小束光斑直径。
在一些实施例中，进料源包括进料机构，所述进料机构包括进料喷嘴，所述进料喷嘴例如通过进料管线、导管或软管与原料的储存器可操作地相关联。
在一些实施例中，进料喷嘴适于沿着在相对于物品表面正交、倾斜或平行的方向上延伸所沿着的轴线或平面引导原料材料(例如，进料喷嘴可以沿着相对于物品的表面在0至90度的范围内的轴线供给原料)。在特定的优选实施例中，进料喷嘴是适于沿着与激光束的轴线基本上同轴对准的轴线引导原料材料的同轴喷嘴。在其他优选实施例中，进料喷嘴是适于从与激光束相邻的位置供给原料材料的横向喷嘴。在特定的优选实施例中，从进料喷嘴供给的原料的相对入射角度可以是恒定的或者可以变化。攻角也可能因进料机构横过物品表面到下一次通过而变化。
在一些实施例中，进料机构可相对于基材的表面选择性地移动。在特定实施例中，进料机构适于沿着一组笛卡尔坐标轴(例如，X轴、Y轴和/或Z轴移动)进行选择性的移动。优选地，进料机构与用于选择性地控制和调节喷嘴头相对于物品表面的位置的控制器连通。
在一些实施例中，进料机构/喷嘴适于通过重力将原料朝向物品的表面(例如，经由料斗)供给。在其他实施例中，进料机构/喷嘴适于将原料朝向物品的表面加压供给。优选地，这种压力供给***与通过气体流内的进料喷嘴被朝向物品表面夹带并引导的颗粒原料结合使用。
在一些实施例中，进料机构适于使不同特性的层在物品的表面上以单次涂覆或单步骤的方式沉积。在一些实施例中，进料机构具有用于在单次涂覆中沉积两种涂层的至少两个进料喷嘴。在一些实施例中，两个或更多个进料喷嘴可以是结构上分离的喷嘴装置。在其他实施例中，两个或更多个进料喷嘴可以是一体形成的单头、双喷嘴或多喷嘴单元的部件。
在一些实施例中，进料机构包括适于沉积第一原料材料的第一进料喷嘴和适于沉积第二原料材料的第二进料喷嘴。优选地，第一喷嘴适于将第一原料材料直接沉积到物品的表面上以形成涂层的主亚表层，第二喷嘴适于将第二原料材料沉积到第一亚表层上以形成涂层的次亚表层。
在一些实施例中，第一原料材料被容纳在第一储存器或容器中，第一进料喷嘴与第一储存器连通且可操作地相关联，使得第一原料材料可以通过第一进料喷嘴供给。在一些实施例中，第二原料材料被容纳在第二储存器或容器中，第二进料喷嘴与第二储存器连通且可操作地相关联，使得第二原料材料可以通过第二进料喷嘴供给。在其他实施例中，第一和第二喷嘴都与原料材料的单个储存器连通，由此相同的原料用于主亚表层和次亚表层。
通过组合多于一个的进料喷嘴并通过相应的喷嘴将不同的原料材料输送到熔池，沉积的涂层结构可以有利地被定制成适合于特定应用的要求(例如，所需的耐磨特性)。在特定的实施例中，涂层的亚表层中的每一个的厚度可以通过相关联的喷嘴的相应进料速率来控制，并且彼此可以为相同的厚度或者相对于另一个亚表层的厚度而变化。
为了实现涂层横过物品表面的期望区域的覆盖，沉积的珠粒与先前沉积的珠粒重叠。在一些实施例中，沉积的珠粒重叠的范围在为珠粒宽度的大约40％至95％的范围内。在一些优选实施例中，间距/重叠在珠粒宽度的大约40％至60％的范围内，并且每一个珠粒都获得期望的厚度/高度。已经发现要生成良好的粘合层需要约22焦耳/mm2的比能。还已经发现，在75％至95％的范围内减小的间距/增加的珠粒重叠在提高涂层的包层特性(包括改进的耐磨性)方面提供了特别的优点。
在一些实施例中，热源(激光器)与部件移动装置(例如，工作台)一起被构造成使得涂层的珠粒或轨道以预定的移动速度沉积或施加到表面，所述预定的移动速度为激光器(因此以及熔池)相对于物品表面移动的速度或速率；即为激光束沿着物品表面或在物品表面上移动的速度。在特定的实施例中，参考激光器的功率输出来确定激光熔覆沉积物的移动速度。例如，对于具有在4kW至10kW的范围内的功率输出的高功率激光器，移动速度通常被设定在500mm/min至2,000mm/min的范围内。该速度范围是典型的，以便允许足够的基材和原料熔化和聚结以形成强的冶金结合层。然而，令人惊奇和有利的是，已经发现通过增加移动速度并同时将间距减小/将珠粒重叠增加到75％至95％的范围内可以获得改进的包层特性(包括提高的耐磨性)。已经发现在4000mm/min至40,000mm/min的范围内增加的移动速度在改进涂层的包层特性(包括提高的耐磨性)方面具有特别的优点。
在一些实施例中，不同特性的激光沉积层可以具有大于50％的珠粒重叠。在一些优选实施例中，不同特性的激光沉积层可以具有在大约50％至95％的范围内的珠粒重叠。在仅作为示例提供的一个特别优选的实施例中，不同特性的激光沉积层具有大约85％的珠粒重叠。
本领域技术人员将会理解，可以根据预定的化学特性选择原料，以促进与物品的基体材料的聚结、熔合、混合和/或粘合。在一些实施例中，原料材料为粉末状材料。在一些实施例中，原料材料为线材。优选地，原料材料是金属的。在物品和原料均由金属形成的优选实施例中，激光熔覆工艺有利地在物品的表面上形成强冶金结合的耐磨涂层。
在特定的实施例中，原料为金属基质复合物(MMC)的形式。由MMC形成的原料由于其潜在的高耐磨蚀性和耐侵蚀磨损性的特性而特别有利。
在一些实施例中，MMC的组合物包括基质材料和分散在基质材料内的硬化或加强材料。
在一些实施例中，基质材料为金属。优选地，基质材料为耐磨材料。在特定的实施例中，基质材料为颗粒状、粒状或粉末状的材料。在一些实施例中，基质材料由具有在约15μm至200μm范围内的尺寸的颗粒形成。在特定的实施例中，基质材料由自熔合金形成。例如，耐磨基质材料可以选自包括但不限于镍、钴和铁的组。在一些实施例中，自熔合金可以含有硼或硅或者类似物或其组合的添加物。
在一些实施例中，加强材料为颗粒状、粒状、粉末状或纤维状的材料。在特定的优选实施例中，加强材料选自包括但不限于碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硅、碳化钒和碳化硼的组。在一些实施例中，加强材料由具有在约1μm至350μm范围内、更优选地在约5μm至200μm范围内的尺寸的颗粒形成。
在一些实施例中，MMC包括约5至90重量百分比的基质材料(即粘结相)和10至95重量百分比的加强材料(即硬相颗粒)。
在优选的实施例中，MMC有利地实现基质合金和硬相颗粒的同时包覆，从而产生复合微观结构，其中硬相颗粒在周围的延性基体中保持其完整性。在一个优选的实施例中，金属基质复合物(MMC)层由镍基自熔合金基质中的碳化钨形成并通过激光热源沉积。
在特定的实施例中，由于镍或钴基自熔合金较低的熔融温度和相关联的对碳化物颗粒的较低反应性影响以及与碳化物颗粒和基体金属的优异的润湿特性而优选地用于基质材料。
在优选的实施例中，碳化钨由于其高硬度、高熔点和低热膨胀系数而优选地用于硬相颗粒。碳化钨由于其表现出与熔融金属良好的润湿性也是有利的。碳化钨的一个缺点在于它具有低形成热，使得碳化物容易被熔融金属熔化。因此，重要的是碳化钨受到可能的最小程度的热能。本发明的优选实施例有利地使得能够使用适于使预沉积层和基体材料通过在物品的表面上使用更高的热源移动速度而受到较低的比热能的热源的使用。
在一些实施例中，硬相颗粒和基质合金可以混合在一起，以在被输送到进料机构的进料/包覆喷嘴之前形成具有期望的重量百分比的组合物。在其他实施例中，硬相颗粒和基质合金可以被单独地输送到进料/包覆喷嘴。
已经发现，在特定的优选实施例中，单独地供给硬相颗粒和基质合金可以有利地产生横跨整个涂层的硬相颗粒的基本均匀分布的MMC沉积物。硬相颗粒在沉积的MMC层内的这种基本均匀的分布在提高承受磨蚀和/或腐蚀性磨损状态的能力方面提供了显著的优点。已经观察到在MMC涂层中，延性基质材料首先被磨减。一旦包封硬相颗粒的基质不足，则随后将这些颗粒移除。具体地，已经观察到与具有硬相颗粒的相对较高的百分比或浓度的那些区域相比，具有不均匀的较低百分比的硬相颗粒的MMC沉积层内的这些区域将具有较高的磨损率。因此，本发明的优选实施例使得能够在整个涂层内形成有基本上均匀分布的硬相颗粒的激光熔覆耐磨性涂层对于在此所述的涂层的功能具有显著的优点。
在一些实施例中，为了在激光熔覆MMC层内提供硬相颗粒的均匀分布，与进料源相组合的热源(激光器)适于提供基本上连续的、稳定、均匀的原料流向熔池。优选地，控制和/或感测装置被设置用于连续监测且如果需要的话将输入参数调节到热源和进料源中的任一个或两者，使得在整个涂覆循环中获得并保持期望的连续、稳定、平稳的原料流。在一些优选实施例中，伴随增加的珠粒重叠的增加的移动速度需要在获得期望厚度之前执行多次通过。这样，有利地减小熔池面积，从而减小熔池的尺寸和熔池搅拌的程度-进一步有助于形成具有均匀分布的颗粒的涂层。
由优选实施例产生的另外优点包括生成通过激光熔覆沉积的MMC层的能力且具有有益的特性，包括但不限于：减少总(激光)热输入、更小的平均碳化物粒度、较高百分比的夹带碳化物、较低的脱碳和碳化物的熔化、用基体材料较低的稀释以及较小的热影响区域。
在一个优选实施例中，MMC层可以含有例如68w％的WC和32w％的NiBSi合金。在试验中已经观察到，当与适当的激光熔覆参数组合使用时，具有这些示例特性的MMC在提供的磨损性能方面产生具有显著改进的特性和特征的涂层。
在一些实施例中，涂层具有与其所施加的物品的尺寸成比例的厚度。例如，涂层的厚度可以与物品的厚度或物品的内径或外径成比例。在特定的实施例中，涂层被施加到具有在约0.1mm至3mm的范围内的厚度。在其他实施例中，涂层被施加到具有在为大致圆柱形物品的外径的约5％至100％的范围内的厚度。在一些实施例中，涂层被施加到提供在被包覆的物品的表面积的约5-100％的范围内的面积覆盖。
在另一方面，本发明提供一种向下钻孔(“DTH”)锤钻组件，包括：
套管；
顶部接头，所述顶部接头可拆卸地与套管的可操作上端接合；
前(或驱动)卡盘，所述卡盘可拆卸地与套管的可操作下端接合；和
钻头，所述钻头可释放地与前(或驱动)卡盘的可操作下端接合；
其中，套管、顶部接头、前卡盘和钻头(统称为组件的“部件”)中的至少一个被构造成使得相应部件的相应前边缘具有比组件的相邻部件的直径小的直径，从而保护组件的该部分的前边缘免于受到磨损。
如下面进一步详细描述的那样，DTH锤钻组件的部件至少部分地涂覆有保护性MMC涂层。已经意外地发现组件的一部分的前边缘上相对于相邻部件的配合表面较小的直径有利地保护前边缘上的涂层，进而由于钻组件的延长的使用寿命且相关地增加生产过程的效率(例如，维护和维修的停机时间较短)以及相关的劳动力和资本成本节省而产生显著的商业利益。
另一个方面，本发明提供一种向下钻孔(“DTH”)锤钻组件，包括：
套管；
顶部接头，所述顶部接头可拆卸地与套管的可操作上端接合；
前(或驱动)卡盘，所述卡盘可拆卸地与套管的可操作下端接合；和
钻头，所述钻头可释放地与前(或驱动)卡盘的可操作下端接合；
其中，套管、顶部接头、前卡盘和钻头中的至少一个(统称为组件的“部件”)至少部分地涂覆有保护涂层，从而保护组件的该部分免于受到磨损。
在一些实施例中，钻组件的相应部件的每一对相邻的面对面配合表面中的至少一个表面涂覆有保护涂层。优选地，钻组件的相应部件的每一个配合表面都涂覆有保护涂层。在特定的实施例中，保护涂层设置在组件的各个部件的与配合表面相邻的一个或多个表面上。
在一些优选实施例中，与组件的相邻部件的上配合表面的外轮廓或直径相比，组件的一个部件的下配合表面具有较小的外轮廓或直径，其中在使用中，较小的下配合表面与较大的上配合表面面对面地邻接。在一个优选实施例中，提供了三个这样的成对的表面对，其中一个部件的下配合表面相对于相邻部件的上配合表面具有较小的外径，其中：第一对配合表面被设置在顶部接头与套管之间，第二对配合表面设置在套管和前或驱动卡盘之间，并且第三对配合表面设置在前或驱动卡盘与钻头之间。在其他实施例中，组件的一个部件的下配合表面与组件的相邻部件的上配合表面相比具有更大的外轮廓或直径，其中在使用中，较大的下配合表面面对表面地邻接较小的上配合表面。
在另一个方面，本发明提供一种向下钻孔(“DTH”)锤钻组件，包括：
套管，所述套管具有限定上配合表面的上开口和限定下配合表面的下开口；和
顶部接头，所述顶部接头具有适于经由上开口可拆卸地容纳在套管中的套口接头以及具有适于邻接上配合表面的前端的凸起部，从而限制套口接头被容纳在套管中的深度；
其中，套管的上配合表面的尺寸相对于凸起部的前端的尺寸是不同的。
在一些实施例中，套管为圆柱形，并且上配合表面和下配合表面是圆形的。优选地，上配合表面和下配合表面中的每一个为环形的形式，具有内径和外径。在一些实施例中，套管具有基本上恒定的横截面轮廓，使得上配合表面的内径和外径与下配合表面的内径和外径为相同的直径。在特定的优选实施例中，套管的下端或前端成型(例如，倾斜或倒角)，使得下配合表面的内径和外径相对于上配合表面的内径和外径更小。
在一些实施例中，套口接头是圆柱形的且具有尺寸形成为穿过上配合表面的内径的外径。
在一些实施例中，凸起部的形状基本上为圆柱形。在特定实施例中，凸起部的前端成型为使得该凸起部具有相对于上配合表面的外径更小的外径。凸起部的成型前端优选地小于凸起部的主体部分。在特定实施例中，凸起部通过形成在其可操作下端、斜面或倒角上的斜面、倒角或类似形状而形成，从而形成凸起部的前端。优选地，套管的上配合表面的尺寸大于凸起部的前端的尺寸。
在一些实施例中，DTH锤钻组件具有前(或驱动)卡盘，所述卡盘具有适于经由下开口可释放地容纳在套管中的套口接头和适于邻接下配合表面的凸起部，从而限制套口接头通纳在套管中的深度；
其中，套管的下配合表面的尺寸相对于凸起部的前端的尺寸是不同的。
优选地，套管的下配合表面的尺寸相对于驱动卡盘凸起部的相应配合表面的尺寸更小。下配合表面和驱动卡盘凸起部的相应配合表面之间的尺寸差异优选地由套管的下端处的轮廓(例如，斜面)提供。
在特定的优选实施例中，驱动卡盘凸起部具有锥形外表面，所述锥形外表面成型为使得其可操作下端小于其可操作上端。在其他实施例中，驱动卡盘凸起部基本上为圆柱形且在其可操作下端处具有斜面。
在一些实施例中，DTH锤钻组件具有钻头，所述钻头包括适于可释放地容纳在驱动卡盘(经由驱动卡盘中的下开口)的套口接头或心轴以及适于邻接驱动卡盘凸起部的下配合表面的钻机凸起部，从而限制钻头容纳在驱动卡盘中的深度；
其中，驱动卡盘的下配合表面的尺寸相对于钻机凸起部的可操作上配合表面的尺寸是不同的。
优选地，驱动卡盘的下配合表面的尺寸相对于钻机凸起部的相应匹配表面的尺寸更小。下配合表面和钻机凸起部的相应配合表面之间的尺寸差异优选地由驱动卡盘凸起部的锥形外表面轮廓(或驱动卡盘凸起部的下端处的斜面)提供。
优选地，顶部接头、套管、前卡盘和钻机中的一个的至少一部分具有沉积在其上的涂层。涂层优选地被施加到顶部接头凸起部、套管、驱动夹盘凸起部和钻头凸起部中的每一个，包括在相应的倾斜端部上。
优选地，涂层是保护涂层，例如用于抵抗侵蚀和磨损的耐磨涂层。优选地通过在此所述的包覆方法并根据本发明的原理和参数将涂层施加到DTH锤钻的相应部分或多个部分。
为了保护激光沉积的MMC的前边缘，DTH锤钻(即，顶部接头、套管和驱动卡盘)的各个部件优选地在包覆过程之前被预加工，使得相应的前边缘具有比相邻的配合直径小的直径，并以与原始开始直径成一定角度向后倾斜。
在一些实施例中，斜面被构造为相对于相应部件的纵向轴线以大约1度至75度的范围内的角度延伸。在一些实施例中，DTH锤钻的各个部件的前边缘直径小于相邻的配合部件直径在0.1mm和10mm之间的范围内的量。
例如，驱动卡盘的前边缘直径可以预加工成包括比钻头的相邻裙边直径小约2mm的斜面，并且以大约45度的角度延伸。类似地，套管的前边缘直径可以预先加工成比相邻的配合驱动卡盘直径小例如大约2mm，以大约45度的角度斜切回原始起始直径。作为另一示例，顶部接头的前边缘直径可以被预加工成小于相邻的配合套管直径大约2mm，并且以大约45度的角度斜切回原始起始直径。
在另一个方面，本发明提供了一种具有至少一个部分的向下钻孔(“DTH”)锤钻，所述至少一个部分具有通过在此所述的包覆方法且根据本发明的原理和参数沉积的涂层。
在一个特别优选的实施例中，涂层作为耐磨保护层施加到气动致动的向下钻孔(“DTH”)锤钻。优选地，涂层在钻机上或沿着钻机的离散位置处或者在钻组件的选定部件或区域上被选择性地施加到DTH锤钻。
在一些实施例中，涂层可以被均匀地施加到钻机的施加有涂层的那些部件或位置中的每一个。在其他实施例中，涂层可以在钻机的特定部件上被施加有相对于施加到钻机的其他部件的涂层的厚度更大的厚度(例如，在特定位置处或在钻机的特定部件上的涂层的厚度可以由在其工作寿命期间钻机的该部件将经受的侵蚀或研磨运动或状态的程度来确定。也就是说，可以在钻组件的预计将受到更苛刻的工作条件的影响的那些区域上采用更大的涂层厚度)。在一些优选的实施例中，耐磨保护涂层可以施加在带或轨道中。优选地，带或轨道在施加涂层的区域内围绕钻机以基本上连续的不间断的方式延伸。带或轨道优选地被沉积成沿着圆周重叠的螺旋形定向的路径延伸，其中带的连续通道(或珠粒)与先前的(或直接相邻的)带重叠。
在一些实施例中，耐磨保护涂层被施加到驱动器接头组件(前卡盘)的外表面、顶部接头组件(锤式联接器)、套管和气动致动的DTH锤钻的钻头中的至少一个或多个。
优选地，DTH钻机的套管包括用于增强套管在套管的预定部分内的耐磨性的辅助涂层的至少一个区域。在一些实施例中，套管具有两个辅助涂层区域，以增强套管的两个相应部分中的耐磨性。在优选实施例中，辅助涂层的一个或多个区域对应于可由使用DTH钻机的相关联机器的夹具接合的位置，从而增强套管承受由于套管与夹具的接触滑动和/或扭转运动所产生的磨损的能力。
在一些实施例中，辅助涂层或辅助涂层的每个区域包括一个或多个涂层带，该带被分隔开预定距离。在一些实施例中，每个带为基本相同的宽度。在其他实施例中，带的宽度可以相对于彼此而变化。在一些实施例中，带之间的间距可以等于、大于或小于带宽。
在一些实施例中，辅助涂层或辅助涂层的每个区域包括具有两个中间间隔区域的三个带。在一些实施例中，套管包括在套管的上端处或相邻于套管的上端的第一辅助涂层区域以及在套管的下端处或相邻于套管的下端的第二辅助涂层区域，其中第一区域被定位成基本对应于辅助机器(例如，用于相对于钻柱松脱和紧固锤钻组件或者相对于锤钻松脱和紧固钻头的机器)的上部夹紧区域的位置，并且第二区域被定位成基本上对应于辅助钻孔机的下部夹紧区域。
优选地，带被构造为围绕套管环向延伸。在其他形式中，带可以另外地或可选地沿套管纵向地延伸。
在一些实施例中，顶部接头具有适于通过上端可释放地容纳在套管中的套口接头以及限定适于邻接套管的上配合表面的前端配合表面的凸起部，从而限制套口接头被容纳在套管中的深度；其中，所述保护涂层被施加到凸起部的外表面。优选地，顶部接头的凸起步的可操作下端具有倾斜的轮廓，使得凸起部的下配合表面具有比套管的上配合表面的直径小的直径。
在一些实施例中，套管的可操作下端具有倾斜轮廓，使得套管的下配合表面相对于驱动卡盘的上配合表面的直径具有较小的直径。
在一些实施例中，驱动卡盘具有适于通过下端可释放地容纳在套管中的凸起部以及限定适于邻接钻头的上配合表面的前端配合表面的凸起部；其中，所述保护涂层被施加到凸起部的外表面。
优选地，驱动卡盘的凸起部具有锥形外表面轮廓，使得该凸起部的前端配合表面小于钻头的上配合表面。
在一些实施例中，钻头具有适于可释放地容纳在驱动卡盘中的下开口中的主轴以及限定钻头的上配合表面并适于邻接驱动卡盘的凸起部的下配合表面的钻头凸起部；其中，所述保护涂层被施加到凸起部的外表面。
在另一方面，本发明提供了一种用于包覆物品的表面的设备/***，所述设备/***包括：
进料结构，所述进料机构与原料供应相关联，所述进料机构被构造成用于将原料朝向物品的表面的一部分供给；和
热源，所述热源用于加热物品的表面的所述部分，使得供给的原料和所述表面部分至少部分地熔化，由此在去除热量时，熔融的原料和表面部分共同形成重叠的珠粒以在物品的表面上限定粘合涂层，其中涂层的每个珠粒与先前沉积的珠粒重叠到大于相应珠粒宽度的50％的程度。
在一些实施例中，热源适于同时加热供给的原料和物品表面的所述部分，使得加热的原料和所述表面的部分至少部分熔化，从而在去除热量时能够形成珠粒。在其他实施例中，热源适于仅加热物品表面的一部分，由此当供给的原料与表面接触时，被加热的表面使供给的原料熔化，从而在表面温度降低或冷却时能够形成珠粒。
另一个方面，本发明提供了一种用于包覆物品的表面的组合物，该组合物包括：
基质材料和加强材料，其中基质材料为粘合剂相并形成组合物的约10至95重量百分比，而加强材料为碳化物相并形成组合物的约5至90重量百分比。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式说明本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明的用于激光熔覆具有涂层的物品的***的示意图；
图2是具有大约50％的珠粒重叠的激光熔覆层的示意图；
图3是具有大约85％的珠粒重叠的激光熔覆层的示意图；
图4是具有大约85％的珠粒重叠的不同特性的激光沉积层的示意图；
图5是具有根据本发明的特性且根据本发明应用的具有激光熔覆层的DTH锤钻的分解立体图；
图6示出根据本发明的修改的DTH锤钻的一个实施例的组装示意性立体图；
图7是图6的DTH锤钻的分解立体图；
图8是图6的DTH锤钻的放大示意性局部视图，示出了套管和钻头的顶部接头的组件；
图9是图6的DTH锤钻的顶部接头的放大示意图，示出了激光熔覆层涂覆区域和倾斜的前端；
图10是图6的DTH锤钻的套管的放大示意性局部视图，示出了附加的激光熔覆层涂覆区域；
图11是图6的DTH锤钻的放大示意性局部视图，示出了套管、驱动卡盘和钻头的组件；
图12是图6的DTH锤钻的钻头的放大示意性局部视图，示出了激光熔覆层涂覆区域；以及
图13是DTH锤钻的另一个实施例的剖面侧视图，示出了顶部接头、控制管、套管、活塞、导套、前接头和钻头。
具体实施方式
参照附图，本发明在第一方面提供了一种用于包覆物品表面的方法和设备。该方法特别适用于包覆金属物体的外表面，例如切割、冲击、钻孔和研磨工具。这种工具可以用于例如具有流体加压驱动、电动机驱动或电磁驱动的便携式动力驱动的冲击式工具中以用于采矿或采石应用。以下说明将参照用于将耐磨涂层沉积在向下钻孔(“DTH”)锤钻上的包覆方法的一个特定用途，如图5至图13所示。然而，应当理解的是包覆层方法不限于通过说明性示例的方式提供的该特定应用，所述特定应用仅是为了突出本发明的优点。
首先参照图1，设备或***1提供用于包覆物品3的外表面2。设备1包括为通过适当的管子或管道(未示出)操作性地连接的进料喷嘴4形式的进料机构，以供应保持在储存器或容器(未示出)中的产生动力的或颗粒状原料物质5。进料喷嘴4被构造用于将原料物质5朝向物品3的外表面2的目标部分供给。
***1还包括为激光器6形式的热源，所述热源用于加热供给的原料5和物品3的表面2的目标部分。激光器6优选地具有控制机构，使得激光器可以被选择性地控制，以产生适用于要涂覆的物品3的特定材料的期望的输出功率。
激光器6被设置成产生期望的功率输出，使得加热的原料和表面的目标部分至少部分地熔化，由此在去除热量时，熔融的原料和表面部分熔合(否则会共同作用或相互作用)以在物品的表面上形成粘合的涂层。
物品1被布置成可相对于进料源和热源(4，6)移动。为了实现这种相对运动，物品可释放地安装到工作站(未示出)。对于通常为圆柱形的物品，例如DTH锤钻的组成部件，工作站包括可旋转的安装组件(未示出)，其中组成部件可以安装在所述安装组件中，使得安装组件的旋转引起物品或组成部件3相应旋转。物品3通常被安装成围绕其纵向轴线旋转。安装组件优选地由适当的驱动装置(例如，电动机)驱动。
在诸如图1所示的一些实施例中，物品1可以具有基本上为平面或平坦的表面，并且工作站可以被构造为使工作站能够线性运动，从而导致安装在该工作站上的物品相应移动。例如，工作站可以适于沿着每一个笛卡尔坐标轴(即x轴、y轴、z轴)移动。然而，为了便于参考，将参考可旋转的安装组件进行以下说明，其中物品在包覆过程期间旋转。
进料源和热源(4，6)也可以相对于工作站和物品3选择性地移动，以提供相应部件之间的期望的位置、方向和间隔。具体地，物品3、进料喷嘴4和热源6都被构造成在包覆过程期间以预定的方式移动，使得原料材料沉积在物品3的表面2上，以沿着期望的路径或图案延伸。对于圆柱形部件，原料材料优选地以环向重叠的螺旋形定向的路径沉积在物品的表面上，其中原料材料的连续焊道(或珠粒)与先前(或紧邻)的珠粒重叠。
工作站、进料喷嘴4和激光器6的移动由计算机数字控制(CNC)单元形式的控制机构控制。CNC单元适于使工作站以期望的速度旋转，并且进料源和热源(4，6)同时沿着工作站/物品的纵向轴线追踪。CNC单元还可以被构造为控制进料喷嘴4的进料速率和激光器6的功率输出。
应当理解的是原料材料可以被选择为具有预定的化学性质，以促进与要涂覆的部件或物品的基材的聚结、熔合、混合和/或粘合。原料材料优选为粉末状金属材料，有利地适用于在激光熔覆过程之后在金属物品的表面上形成坚固的冶金结合的耐磨涂层。
在所述的实施例中，优选的原料材料为金属基质复合材料(MMC)的形式，所述金属基质复合材料具有适于在涂层中提供高的抵抗磨蚀和侵蚀的特性。
MMC的组成包括分散在基质材料内的基质材料和加强材料。MMC包括约5-90％重量百分比的基质材料(即，粘结相)和10-95％重量百分比的加强材料(即，碳化物相)。
基质材料为具有在约15μm至200μm的范围内的粒度的粉末状自熔合金的形式。例如，基质材料可以选自包括但不限于镍、钴和铁的组，优选含有硼或硅的添加物。
镍、钴或铁基自熔合金对于基质材料是优选的，这是因为它们具有较低的熔融温度和对碳化物颗粒相应较低的反应性影响，并且通过碳化物颗粒和基体金属具有优异的润湿特性。
碳化物相加强材料也是颗粒材料，优选地选自包括但不限于由碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硅、钒碳化物和碳化硼组成的组。加强材料优选地由具有在约1μm至350μm的范围内、更优选地在约5μm至200μm的范围内的尺寸的颗粒形成。
碳化钨由于其高硬度、高熔点和低热膨胀系数而优选地作为硬相颗粒。碳化钨由于其表现出良好的润湿性而对于熔融金属也是有利的。碳化钨的一个缺点在于具有低的形成热，使其容易被熔融金属熔化。因此，重要的是碳化钨受到可能的最小程度的热能。
MMC有利地实现基质合金和硬相颗粒的同时包覆、产生复合微结构，其中硬相颗粒在延性基质中保持其完整性。在一种优选的组合物中，金属基质复合物(MMC)层由碳化钨形成，并通过激光热源沉积在镍基自熔合金基质中。
在所述的实施例中，硬相颗粒和基质合金可以通过单独的进入管7被单独地供给到进料喷嘴4，如图1所示。在其他实施例中，硬相颗粒和基质合金可以被混合在一起，以在被运送到进料机构的进料/包覆喷嘴4之前形成具有期望的重量百分比的组合物。
已经发现在一些优选实施例中，单独供给硬质相颗粒和基质合金可以有利地产生在整个涂层上具有基本上更均匀分布的硬相颗粒的MMC沉积物。这在与现有的包层技术相比提高耐磨损性和/或耐腐蚀性状态的能力方面提供了显著的优点。已经观察到在MMC涂层中，延性基质材料首先被磨减。一旦没有足够的基质封装硬相颗粒，则这些颗粒随后被磨减。具体地，已经观察到与具有相对较高的硬相颗粒的百分比或浓度的那些区域相比，具有不均匀的较低百分比的硬相颗粒的MMC沉积层内的这些区域将具有较高的磨损率。因此，本发明的优选实施例使激光熔覆的耐磨涂层能够在整个涂层表面上形成有基本上更均匀分布的硬相颗粒，这对于在此所述的涂层的功能提供了显著的优点。
为了在激光熔覆的MMC层内提供更均匀分布的硬相颗粒，热源(激光器)与进料源相结合能够适于提供基本连续的、稳定的、均匀的原料流到熔池。CNC单元或独立控制和/或感测的装置被设置用于连续监测，并且如果需要的话，将输入参数调整到热源和进料源中的任一个或两者，使得在整个涂覆循环中获得和保持期望的连续、稳定、均匀的原料流。
由在此所述的过程参数和MMC组合物产生的其他优点包括产生通过激光熔覆沉积的具有有益特性的MMC层的能力，所述有益特性包括但不限于：减少总的激光热量输入、较小的平均碳化物粒度、较高百分比的夹带碳化物、较低的脱碳和碳化物的熔化、较低的基体材料稀释度和较小的热影响区域。
在一个优选实施例中，MMC层可以含有例如68w％WC和32w％NiBSi合金。在试验中已经观察到，具有这些示例特性的MMC在与预定的激光熔覆参数结合使用时，产生在磨损性能方面具有显著改进的特性和特征的涂层。
参照图1，进料喷嘴4布置在激光器6的上游，并且适于沿着相对于物品的表面倾斜的轴线或平面供给原料材料5(例如，进料喷嘴沿着轴线相对于物品的表面在0度至90度的范围内供给原料)。进料喷嘴如所呈现的可以适于将原料材料供给到激光束的前面，由此粉末原料材料穿过激光束，或者在其他优选实施例中可以适于到激光束的后面。已经观察到采用沉积MMC层有益的是进料喷嘴被定位在激光束的后面，并且粉末材料被直接供给到由激光束产生的熔池中且不通过激光束。
激光器6适于在基本上正交于物品表面的方向上经由光学聚焦机构发射激光束8。光学聚焦机构为一组透镜9的形式，并且与激光器可操作地相关联以用于将激光束引导并聚焦到物品3的期望目标区域或者表面2的期望部分上。例如，激光器可以具有在约2mm到20mm范围内的最小聚束点直径。
激光器6优选地选自包括但不限于CO2激光器、Nd：YAG激光器、Nd：YVO4激光器、通过Nd：YAG激光器抽运的二极管、二极管激光器、圆盘激光器和光纤激光器的组。
如预示的那样，激光器6具有用于选择性地调节、控制和设置激光器的功率输出的控制或调节装置。激光器优选地具有在大约3kW到20kW的范围内的功率输出。本领域技术人员当然会理解，本发明不限于具有在规定功率范围内操作的激光器的应用，而是还可以被选择为具有预期的包覆应用所需的功率要求。
然而，已经观察到本发明确实提供了相对于总的层材料流量能够使用较低激光功率输出的特定优点。例如，本发明的包覆方法有利地使得在给定的激光功率(较高的材料流量和更快的激光扫描速度)下对于预定厚度的层获得更快的激光熔覆沉积速率。
激光器6将物品3的表面2熔化到预定深度，从而在物品的表面上形成熔融粘合区。原料材料5同时被熔化。MMC的预定化学特性被选择成使得粘合区中的熔融原料和基底金属在熔池内聚结，以在金属基材或基底的表面上形成冶金结合的耐磨层。
如上所述，控制物品表面熔化的深度的能力减少了原料被熔融粘合区内的基底金属的稀释，从而在形成耐磨涂层时基本上保持原料的初始和预期的材料特性。原料的材料特性包括例如其组成和硬度。在这种情况下，几何稀释被定义为基底中的包层深度与总包层高度之比。受到在窄加工范围内对激光器参数进行适当精确的控制，通过在此所述的激光熔覆方法可以获得小于5％的稀释率。然而，在约5％和10％的范围内的稀释率更典型且容易获得。
如下文进一步详细说明的，通过使用相对较高的热源移动速度出现较低比热能的使用。具体地，增加的扫描速度需要多次流通(减小的间距/增加的重叠)来获得期望的厚度，这有利于减小熔池的尺寸。增加的扫描速度还降低了基材中的导电损失，从而使给定材料进料速率需要的功率更低。因此且有利地，这使得对于相同的激光功率能够使用增加的材料进料速率和热源扫描速度。
参照图4，该实施例的进料机构4适于使不同特性的层在物品的整个表面上以单程或单一步骤沉积。进料机构具有用于在单程中沉积两种涂层的两个进料喷嘴(4A，4B)。
图4的进料机构4包括适于沉积第一原料材料5A的第一进料喷嘴4A和适于沉积第二原料材料5B的第二进料喷嘴4B。第一喷嘴4A适于将第一原料材料5A直接沉积到物品1的表面2上以形成涂层的主亚表层10，而第二喷嘴4B适于将第二原料材料5B沉积到第一亚表层上以形成涂层的次亚表层11。
通过结合多于一个进料喷嘴并通过相应的喷嘴将不同的原料材料输送到熔池，沉积的涂层结构可以有利地被定制成适合特定应用的要求(例如，期望的耐磨特性)。涂层的每一个亚表层的厚度可以通过相关联的喷嘴的相应进料速率来控制，并且可以彼此为相同的厚度，或者相对于另一个亚表层的厚度而变化。此外，应当理解的是以单程沉积不同特性的层的能力有利地消除了对第二次通过的要求，从而导致整个过程的效率的提高且伴随劳动力、时间和成本的节省。
参照图2至图4，为了获得涂层横过物品3的表面2的期望区域的区域覆盖，沉积的珠粒与先前沉积的珠粒重叠。沉积的珠粒可以在珠粒宽度的大约40％到60％的范围内重叠，并且每一个珠粒都获得所需的层的厚度/高度。已经发现当与在4,000mm/min至40,000mm/min的范围内增加的激光热源移动速度相联系时，在75％至95％的范围内减小的节距/增加的珠粒重叠在提高涂层的包覆特性(包括改进的耐磨性)方面提供了特别的优点。
对于不同特性的激光沉积层，如图4所示，涂层可以具有大于50％的珠粒重叠。在图4中，不同特性的激光沉积层具有大约85％的珠粒重叠。
热源(激光器)6被构造为使得涂层的珠粒或轨道以预定移动速度被沉积或施加到表面，所述预定移动速度为激光器(并因此以及熔池)相对于物品3的表面2移动的速度；也就是说，激光器6沿着物品表面或者在物品表面上移动的速度。例如，在激光器的功率输出在4kW到10kW的范围内的情况下，移动速度通常可以被设置在500mm/min至2,000mm/min的范围内。然而，令人吃惊且有利的是已经发现通过增加激光器的移动速度可以获得改进的包覆特性(包括改进的耐磨性)。已经发现在增加的移动速度在4,000mm/min到40,000mm/min的范围内的情况下，同时减小的间距/增加的珠粒重叠(例如，在75％至95％的范围内)在提高涂层的包覆特性(包括改进的耐磨性)方面提供了特别的优点。在此所述的激光器的较高移动速度有利于制造涂层具有基本上均匀分布的硬相颗粒、基材基本上较低的稀释且具有较小的热影响区域的涂层。
参照图5至图13，示出了气动致动的向下钻孔(“DTH”)锤钻12的一个实施例。基于在此所述的配方和技术，DTH钻机12具有特定的易磨损部件和已经通过耐磨涂层被处理的区域。
涂层沿着钻机的长度在离散位置处被选择性地施加到DTH钻机12。参见图13，DTH钻机12具有顶部接头13、控制管14、套管15、活塞16、导套17、前卡盘18和钻头19。
在图5和图6中，DTH钻机具有施加到顶部接头13、套管15、前卡盘18和钻头19的预定区域的耐磨涂层。
在图5的实施例中，涂层基本上均匀地施加到DTH钻机的被施加涂层的那些部件、区域、位置或区中的每一个上。
相比之下，在图6的实施例中，涂层被施加到与图5的实施例中相同的部件，但是在特定区域中的涂层相对于施加在钻机的其他部分上的涂层的厚度具有更大的厚度。例如，特定位置或者钻机的特定部分上的涂层的厚度可以根据钻机的该部分在该钻机的工作期期间预期受到侵蚀或磨蚀运动或状态的程度来确定。也就是说，可以在钻机的预期会受到更苛刻的工作条件的那些区域上采用更大的涂层厚度。
在图6中，DTH钻机12的套管15具有两个区域20，其中用于增强这些区域中的套管的耐磨性的辅助涂层21被沉积。在图6的实施例中，辅助涂层21的两个区域20被定位成与使用中夹紧DTH钻机12的相关联的钻孔机(未示出)的夹具(未示出)相对应。因此，辅助涂层21增强了套管15承受由于套管相对于夹具的夹爪滑动接触和/或扭转运动所产生的磨损的能力。
辅助涂层21的每一个区域20都包括三个涂层带。每一个带被构造成以不间断的方式环向围绕套管延伸。在所示的实施例中，所述带的宽度相等且均匀地分隔开预定的距离(例如，带宽可以等于带之间的间距的宽度)。
辅助涂层的第一区域布置在套管的可操作上端处或者相邻于该可操作上端布置，使得第一区域被定位成与钻孔机的上部夹具的夹爪的位置基本一致。辅助涂层的第二区域布置在套管的可操作下端处或者相邻于该可操作下端布置，使得第二区域被定位成与钻孔机的下部夹具的夹爪的位置基本一致。
已经发现通过使相应的部件使得组件的每一个部件的前边缘相对于组件中紧邻部件的配合表面的尺寸都具有较小的直径，可以显著提高DTH锤钻组件的部件的前边缘上的MMC耐磨涂层的寿命。
在所述的实施例中，如图7最容易看到，顶部接头13的前边缘被斜切，以提供顶部接头13和套管15的配合表面之间的直径差(还参见图8和图9)。类似地，套管15的前边缘被斜切以提供套管15和前卡盘18的配合表面之间的直径差(图10)。前卡盘18的外表面是锥形的，以在前卡盘18和钻头19的配合表面之间提供直径差(图12)。
作为示例，提供以下工艺参数以说明本发明的潜在优点。在包覆方法的一个示例性实施例中，移动设备被构造为以5,000mm/min的移动速度相对于激光束移动物品的表面。热源和进料源被构造为提供大约85％的重叠。通过增加移动速度以及增加每个珠粒与之前的珠粒的重叠，每个流道的包层高度和整个熔池的尺寸会显著降低，从而最大限度地减小粉末进料中的少量不一致的影响以及减小熔池搅拌的影响。
在这些参数下，与基体金属结合的模式也改变。代替激光束直接熔化和混合基材和粉末(如标准激光熔覆工艺参数所要求的那样)，激光将基材加热到允许基质材料中的硼和硅作为助熔剂和脱氧元素的温度，以便允许低熔点自熔合金与基体金属相互湿润并熔合，并通过晶间合金/内聚机制产生冶金结合，类似于用喷涂和熔融工艺实现的那样。
在用这些参数进行的实验试验中，发现在沉积期间将激光功率降低到5,000瓦是有益的。对于直径为100mm的试件，15.91rpm的增加的转速(从4.77rpm的标准参数设定增加)降低了到基材中的热传导损失，从而引起没有预期的不得不降低获得预先沉积的层的期望熔化以及基材的加热所需的激光功率的需求，以便实现良好结合且均匀的耐磨层。还发现对于74gpm的相同的总粉末进料速率沉积更厚的层。
在不将本发明的范围或功效限制于任何特定理论命题的情况下，假设熔池的延伸由于移动速度的增加而增加了注射粉末的集水效率。在这些试验的基础上，还发现增加的移动速度会降低基体金属中的热传导损失，因此沉积层在其返回时保持较高的温度，以便由激光束照射以用于随后的材料沉积。因此，需要较低的激光功率才能获得所需的熔化。因此，新工艺比现有的激光熔覆工艺更有效率。
沉积物的多个部分的金相检查展现出具有均匀分布的WC颗粒、无裂纹、孔隙率非常小、明显降低对WC颗粒的热效应以及小到不可测量的几何稀释度的微结构。
进一步假设可以获得WC的更高的移动速度、增加的粉末进料速率和/或更高的保留体积％。
使用6kW的CO2激光器并保持期望的MMC层厚度，应用以下参数：
激光功率＝5,500瓦
激光光斑直径＝4mm
移动速度＝183.33mm/sec-11,000mm/min
间距/重叠率＝0.6mm/85％
包层高度＝1.2mm
总的粉末进料速率＝110gpm
保留的WC体积＝63％
183.33mm/sec的移动速度×4mm的光斑尺寸＝733mm2/sec
5,500瓦的激光功率除以733mm2/sec，给出了比能＝7.50焦耳/mm2/sec
基体金属直接受到特定的激光能量7.50除以(4mm除以0.6)＝1.125焦耳/mm2/sec.
每次通过的沉积厚度＝180微米
在这些示例性参数下，与标准激光熔覆参数相比获得76％的沉积率增加量。
使用上述参数沉积的层的多个部分的金相检查展现出具有均匀分布的WC颗粒、无裂纹、孔隙率非常小、明显降低对WC颗粒的热效应以及小到不可测量的几何稀释度的微结构。
通过增加移动速度可以通过该方法容易地获得更薄的层。例如，将移动速度增加到366.6mm/sec-22,000mm/min并保持所有其他参数相同，获得了0.6mm的沉积厚度(每次通过90微米的沉积厚度)。
影响并导致激光熔覆的MMC层的提高的抵抗磨蚀和侵蚀的性能的因素包括：沉积层中夹带的硬质颗粒的总百分比、夹带的硬质颗粒的尺寸和形状、沉积层内的硬质颗粒的分布以及夹带的硬质颗粒的化学特性和硬度。因此，有利的是通过在此所述的方式激光熔覆MMC层，以便提供均匀分布在沉积层内的高百分比的夹带的硬质颗粒，并且所夹带的硬质颗粒具有适用于应用的化学性质、尺寸和硬度。
影响并导致在激光熔覆的MMC层内夹带的硬质颗粒的提高的总百分比以及夹带的硬质颗粒在沉积层内的分布的因素包括：硬质颗粒在被输送到熔池之前与基质材料混合的过程的精度、进料机构的质量和精度、激光器所施加的比能以及由于熔池内的温度梯度和对流导致的熔池搅拌的特性和程度。
几个样本的测试结果已经通过XFM扫描证明，与现有的包覆技术相比，在镍基质中具有碳化钨(WC)的激光熔覆的涂层的示例性实施例显著减少不期望的铁到包层中的迁移，而与WC浓度无关。
应当理解的是本发明在其各个方面和优选实施例中提供了许多优点。本发明部分地是为了提高激光熔覆的MMC沉积物的耐腐蚀性而开发的，并且在各种优选实施例中，在本上下文中提供以下一个或多个优点：基材的不可测量的几何稀释度；提高的沉积效率；对硬相颗粒的较低热影响；增加保留的硬相颗粒百分比而不增加孔隙度或裂纹的能力；沉积较小尺寸的硬相颗粒的能力；显著改进硬相颗粒的分布；更平滑的沉积表面光洁度；沉积层内的降低的残余应力形成；较少的变形；以非常快的移动速度施加薄涂层的能力(使得该工艺能够与传统方法竞争成本效益，所述传统方法例如为用于沉积保护层的硬铬电镀)；较低的激光能量输入到基体金属中；较小的热影响区域；以及在一个步骤中沉积不同特性的层的能力。根据显著改进的涂层方法，本发明还提供了具有显著提高的耐磨特性的DTH锤钻。
在这些和其他方面中，本发明表现出优于现有技术的实际和商业上的显著改进。
虽然已经参考具体实施例说明了本发明，但是本领域技术人员将会理解本发明可以以许多其他形式来实施。还应当理解的是，所述的本发明的各个方面和实施例可以独立地或结合所有可行的变型以及其他方面和实施例的组合来实现。所有这些变型和组合应被视为已经在此公开。

Claims (34)

1.一种包覆物品的表面的方法，所述方法包括以下步骤：
提供原料材料的供应，所述原料材料是具有包括基质材料和分散在所述基质材料中的加强材料的组合物的金属基质复合物；
通过进料源将所述原料材料供给所述物品的所述表面的一部分；
通过热源加热所述物品的所述表面的所述部分，使得供给的所述原料材料和所述表面的所述部分至少部分地熔化，由此在除去热量后，熔融的原料和所述表面部分形成粘合的涂层，所述粘合的涂层通过将珠粒重叠在所述物品的所述表面上的方式被沉积，其中每一个沉积的珠粒与先前沉积的珠粒重叠的范围在为相应的珠粒宽度的50％到95％的范围内；和
控制所述进料源和所述热源，以使所述粘合的涂层的珠粒以至少500mm/min的表面速率沉积；
从而提供具有在整个所述基质材料中基本均匀分布的所述加强材料的所述粘合的涂层；
其中表面速率增加并且珠粒重叠的范围同时增加到75％至90％的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沉积的珠粒重叠的范围在为珠粒宽度的75％至95％的范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，包括提供选择性可编程控制装置的步骤，所述装置用于控制所述进料源和所述热源相对于所述物品的移动。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制装置被构造为使所述粘合的涂层的珠粒以至少2000mm/min的表面速率沉积。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制装置被构造为使所述粘合的涂层的珠粒以至少4000mm/min的表面速率沉积。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热源为激光器的形式。
7.根据权利要求6所述的方法，包括将所述激光器的功率输出设置在3kW至20kW的范围内的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，包括将所述激光器的功率输出设置在4kW至10kW的范围内的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，包括提供光学聚焦机构的步骤，所述光学聚焦机构用于将来自所述激光器的激光束，引导和聚焦到所述物品的所述表面的期望部分。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，包括将多层不同特性的涂层沉积在所述物品的所述表面上的步骤。
11.根据权利要求10所述的包覆物品的表面的方法，包括为进料机构提供至少两个进料喷嘴的步骤，所述至少两个进料喷嘴用于在单次涂覆中沉积两种涂层，其中所述进料机构包括第一进料喷嘴和第二进料喷嘴，所述第一进料喷嘴适于将第一原料材料直接沉积到所述物品的所述表面上以形成所述涂层的主亚表层，所述第二进料喷嘴适于沉积第二原料材料，从而适于将所述第二原料材料沉积到所述主亚表层上以形成所述涂层的次亚表层。
12.根据权利要求10所述的包覆物品的表面的方法，包括在所述物品的所述表面上在单次涂覆中沉积所述多层不同特性的涂层的步骤。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述基质材料是耐磨的且由自熔合金形成。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述加强材料为颗粒状、粉末状或纤维状的材料。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述加强材料为微粒状材料。
16.根据权利要求13所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述基质材料选自包括镍、钴和铁的组。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述加强材料选自包括以下材料的组：碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硅、碳化钒和碳化硼。
18.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述金属基质复合物包括5重量百分比-90重量百分比的粘结相基质材料和10重量百分比-95重量百分比的硬相颗粒加强材料。
19.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆物品的表面的方法，其中，所述金属基质复合层含有68wt.％的WC和32wt.％的NiBSi合金。
20.一种用于包覆物品的表面的***，所述***包括：
进料机构，所述进料机构与原料材料的供应相关联，所述原料材料为金属基质复合物，所述金属基质复合物具有包括基质材料和分散在所述基质材料内的加强材料的组合物，其中所述进料机构被构造成将所述原料材料供给所述物品的所述表面的一部分；
热源，所述热源用于加热所述物品的所述表面的所述部分，使得供给的所述原料材料和所述表面的所述部分至少部分地熔化，由此在除去热量时，熔融的原料和所述表面部分共同形成重叠的珠粒，以在所述物品的所述表面上限定粘合的涂层，并且所述涂层的每一个珠粒与先前沉积的珠粒重叠的范围在为相应珠粒宽度的50％至95％的范围内；
所述***还包括：控制器，所述控制器用于控制所述进料机构和所述热源，以使所述粘合的涂层的珠粒以至少500mm/min的表面速率沉积；
从而提供具有在整个所述基质材料中基本均匀地分布所述加强材料的所述粘合的涂层；
其中表面速率增加，并且珠粒重叠的范围同时增加到75％至90％的范围内。
21.根据权利要求20所述的***，其中，所述控制器被构造为能使所述粘合涂层的珠粒以至少2000m/min的速率沉积。
22.根据权利要求20或21所述的***，其中，所述控制器被构造为能使所述粘合涂层的珠粒以至少4000m/min的速率沉积。
23.根据权利要求20至21中任一项所述的***，其中，所述进料机构为重力进料机构或加压进料机构。
24.根据权利要求20至21中任一项所述的***，其中，所述进料机构包括至少一个进料喷嘴，所述至少一个进料喷嘴与所述原料材料的储存器可操作地相关联。
25.根据权利要求20至21中任一项所述的***，其中，所述进料机构适于使多层不同特性的涂层在单次涂覆中沉积在所述物品的所述表面。
26.根据权利要求25所述的***，其中，所述进料机构具有在单次涂覆中沉积两种涂层的至少两个进料喷嘴，其中所述进料机构包括第一进料喷嘴和第二进料喷嘴，所述第一进料喷嘴适于将第一原料材料直接沉积到所述物品的所述表面上以形成所述涂层的主亚表层，所述第二进料喷嘴适于将第二原料材料沉积到所述主亚表层上以形成所述涂层的次亚表层。
27.根据权利要求26所述的***，其中，所述第一原料材料被容纳在第一储存器中，所述第一进料喷嘴与所述第一储存器连通且可操作地相关联，使得所述第一原料材料能够通过所述第一进料喷嘴供给。
28.根据权利要求26所述的***，其中，所述第二原料材料被容纳在第二储存器或容器中，所述第二进料喷嘴与所述第二储存器连通且可操作地相关联，使得所述第二原料材料能够通过所述第二进料喷嘴供给。
29.根据权利要求26所述的***，其中，所述第一进料喷嘴和所述第二进料喷嘴都与原料材料的单个储存器连通，由此使相同的原料用于所述主亚表层和所述次亚表层。
30.根据权利要求20至21中任一项所述的***，其中，所述热源为适于发射激光束的激光器的形式，所述激光器被构造成以预定的能量等级使用，以用于同时加热和熔化所述物品的所述表面的所述部分并单独地输送原料以形成熔池。
31.根据权利要求30所述的***，包括：光学聚焦机构，所述光学聚焦机构与所述激光器可操作地相关联，以用于将所述激光束引导并聚焦到所述物品的所述表面的期望部分上。
32.根据权利要求20至21中任一项所述的***，包括：工作站，所述物品能够可释放地安装到所述工作站，所述进料机构、所述热源和所述工作站被构造成能够在其之间进行相对移动，以提供所述进料机构、所述热源和所述物品之间的期望的位置、取向以及间距。
33.根据权利要求32所述的***，其中，所述控制器与所述工作站可操作地相关联以用于控制所述工作站的移动，从而控制所述物品的所述表面相对于所述进料机构和所述热源的相对位置和/或取向。
34.根据权利要求20至21中任一项所述的***，其中，所述物品为切削工具、冲击工具、钻具和研磨工具中的一种。
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