CN108165982A - 一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐蚀涂层的方法 - Google Patents
一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐蚀涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种采用超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，属于表面处理技术领域。本发明通过选择合适的镍基粉末、调整粉末汇聚点和激光焦点的位置、调节工艺参数等方法，可快速精确地生产出表面平整度好、厚度小、无缺陷的耐磨耐腐蚀涂层，实现了超高速率激光熔覆，达到提高生产效率、节约生产成本的目的。
Description
技术领域
本方法属于先进制造、绿色制造技术领域，具体涉及一种超高速率激光熔覆制备镍基涂层的方法。
背景技术
镍基材料与普通碳钢及不锈钢相比，具有耐高温、耐氧化、抗腐蚀以及耐磨损等优点，广泛应用于石油、化工、天然气汽车、食品、仪表、阀门、耐蚀泵、海洋等领域。但镍基材料的使用在提高性能的同时也增加了成本，尤其是一些特殊要求的零件，由于贵金属加入量较大，成本往往比普通碳钢增加数倍。
设想如果在碳钢或者其它低成本铁制品表面制备镍基耐磨耐腐蚀涂层，就能同时达到降低成本和获得耐磨耐蚀性的目的。目前，制备这种涂层的方法主要有热喷涂、电镀、激光熔覆三种方法。其中热喷涂制备的涂层孔隙率较高，致密度差；电镀工艺镀层薄，防腐性能差，且该产业造成严重资源浪费和环境污染；传统的激光熔覆技术虽然可制备高质量较薄的涂层，但效率低下，成本高，也限制了其产业推广。
传统的激光熔覆技术，是在激光束作用下将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。其激光束绝大部分能量作用在基体材料上并形成熔池，粉末同步进入熔池之前保持固体颗粒状态，进入熔池后才熔化成液态，激光束离开后快速冷却凝固形成与基体材料呈冶金结合的熔覆层。
传统激光熔覆存在效率低下、成本高等上述问题，因此需要寻求一种更好的激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法。
发明内容
本发明提供一种超高速率激光熔覆制备镍基材料涂层的方法，可以实现短时间内完成大面积镍基材料涂层的快速制备，在满足材料的性能、尺寸、结构要求的同时，极大的提高工作效率。需要说明的是，本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于20m/min。
本发明的超高速激光熔覆技术是一种新型、高效的激光熔覆技术，其激光束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。由于不需要在基体表面形成较深的熔池，故与传统激光熔覆技术相比，激光能耗明显下降，工作效率也提高了几十甚至上百倍。粉末熔滴极高的凝固速率，使涂层在制备过程中基本不被氧化，保证了涂层的性能。
根据本发明一方面，提供了一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）设定超高速率激光熔覆的工艺参数；
（3）将表面光洁无缺陷的基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于基体待熔覆面的位置，使得激光束大部分能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到镍基材料耐腐蚀涂层。
根据本发明另一方面，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90% 。
根据本发明另一方面，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
根据本发明另一方面，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
根据本发明另一方面，还包括：（5）保持基体旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1500W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
根据本发明另一方面，所述工艺参数为：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为1100～1600W，送粉速率为5～25g/min。
根据本发明另一方面，本发明技术方案的具体内容是：
该方法的步骤是：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～50μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度120～150℃、保温时间1.5～3.5h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1500W，送粉速率为5～25g/min；
（3）将表面光洁无缺陷的基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑和粉斑相对基体待熔覆面的位置：要求光斑与粉斑重合，距待熔覆面0.5～2mm；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层；
（5）保持基体旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1400W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
本发明相对于传统激光熔覆方法的优势在于：熔覆速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，本发明涂层成分受基体材料影响更小，同时基体温度梯度更小，变形量更小，有利于产品后续的装配，涂层不易氧化，性能更加优越。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供了一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法。优选的，该方法的步骤包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）设定超高速率激光熔覆的工艺参数；
（3）将表面光洁无缺陷的基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于基体待熔覆面的位置，使得激光束大部分能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到镍基耐磨耐腐蚀涂层。
优选的，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90% 。
优选的，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
优选的，还包括：（5）保持基体旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1400W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
优选的，所述工艺参数为：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1500W，送粉速率为5～25g/min。
优选的，镍基粉末以液滴的形式滴入基体表面的熔池与基体结合。
该方法中，激光束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量例如80%以上的激光束能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。由于不需要在基体表面形成较深的熔池，故与传统激光熔覆技术相比，激光能耗明显下降，工作效率也提高了几十甚至上百倍。粉末熔滴极高的凝固速率，使涂层在制备过程中基本不被氧化，保证了涂层的性能。
实施例2
提供了一种采用超高速激光熔覆在抽油杆表面制备镍基材料涂层的方法，抽油杆基体材料为20CrMoA，包括以下工艺步骤：先用车床车削加工抽油杆基体，加工至小于成品直径0.4mm，然后用同轴送粉的超高速率激光熔覆方法在基体表面熔覆镍基涂层，再使用激光重熔方法熔化涂层表面未完全熔化的粉末保证涂层表面粗糙度。其具体工艺步骤为：
（1）对镍基Ni45粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～45μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度130℃、保温时间2h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1.2mm，立柱表面线速度即熔覆速率为50m/min，每转进给量0.25mm，激光功率为1300W，送粉速率为25g/min；
（3）将表面光洁无油污、无缺陷、直径小于成品直径0.4mm的基体装夹在数控机床上，并调整光斑和粉斑相对基体待熔覆面的位置：使光斑与粉斑在高于待熔覆面1mm的位置重合；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（2）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到厚度为0.35mm的耐腐蚀涂层；
（5）不送粉，对熔覆涂层表面进行激光重熔，保持抽油杆旋转线速度50m/min、每转进给量0.25mm和激光焦点位置不变，将激光功率降低至1050W对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
本发明采用超高速率激光熔覆技术在抽油杆基体上制备镍基耐磨耐腐蚀涂层，涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，且制备精度高加工余量小，简化制造工艺流程。本发明熔覆速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，本发明涂层成分受基体材料影响更小，同时基体温度梯度更小，变形量更小，有利于抽油杆后续的装配，涂层不易氧化，性能更加优越。
Claims (6)
1.一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
（1）对镍基粉末筛分及净化处理，经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）设定超高速率激光熔覆的工艺参数；
（3）将表面光洁无缺陷的基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对于基体待熔覆面的位置，使得激光束大部分能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到镍基耐磨耐腐蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90% 。
3.根据权利要求1所述的一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种超高速率激光熔覆制备镍基耐磨耐腐蚀涂层的方法，其特征在于还包括：（5）保持基体旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1500W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种超高速率激光熔覆制备镍基耐腐蚀涂层的方法，其特征在于所述工艺参数为：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为1100～1600W，送粉速率为5～25g/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180615 |