CN108611634A - 一种激光加热制备表面薄层的方法 - Google Patents

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宋振纶
王郑
胡方勤
郑必长
姜建军
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    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
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Abstract

本申请公开了一种激光加热制备表面薄层的方法，至少包括以下步骤：(1)将自熔合金粉沉积在基体表面；(2)通过脉冲激光加热将步骤(1)中所述沉积在基体表面的自熔合金粉熔化，使之与基体反应，冷却后在基体表面得到合金薄层。所述方法可制备与基体冶金结合的表面薄层，结合强度高、表面平整，制备效率高、无污染，对激光设备要求低。

Description

一种激光加热制备表面薄层的方法
技术领域
本申请涉及一种激光加热制备表面薄层的方法，属于表面工程领域。
背景技术
激光熔覆技术可制备与基体冶金结合的表面层，结合强度高、致密度好，目前已被用于机械零部件的耐磨耐蚀防护、修复与再制造。但是，常规激光熔覆技术制备的表面层厚度均在0.5mm以上，难以替代电镀、化学镀或真空沉积工艺用于制备防护薄层。如采用高端的增材制造(3D打印)设备或近年来刚出现的超高速激光熔覆设备，可制备与基体冶金结合的表面层，厚度可低至0.1mm，但不仅设备价格昂贵，高达数百万元，而且上述设备对熔覆合金粉的粒度均匀性、表面质量、含氧量要求高，限制了其应用范围。因此，为实现薄层激光熔覆的大规模应用，需要一种可用现有激光设备实现的薄层熔覆技术。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种激光加热制备表面薄层的方法，该方法可制备与基体冶金结合的表面薄层，结合强度高、表面平整，制备效率高、无污染，对激光设备要求低。
本申请的目的在于提供一种简单方便、对激光设备要求低、适用的基体范围广的激光加热防护薄层制备技术，可替代电镀等高污染技术制备薄防护层，并可用于精密机械零部件的修复与再制造。
所述激光加热制备表面薄层的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
(1)将自熔合金粉沉积在基体表面；
(2)通过脉冲激光加热将步骤(1)中所述沉积在基体表面的自熔合金粉熔化，使之与基体反应，冷却后在基体表面得到合金薄层。
可选地，所述方法使用同轴送粉器在钢构件基体表面沉积50～300μm厚的自溶合金粉，使用脉冲激光器加热熔化自溶合金粉，冷却后形成表面薄层，必要时进行表面重熔处理以进一步提高表面层质量。
可选地，步骤(1)中所述自熔合金粉通过同轴送粉器沉积在基体表面。
可选地，步骤(1)中所述自熔合金粉包括Ni基自溶合金、Co基自溶合金、Fe基自溶合金中的至少一种；
所述自熔合金粉的颗粒尺寸为5～50μm。
可选地，所述自熔合金粉的成分为Ni基、Co基或Fe基自溶合金。
可选地，步骤(1)中所述基体包括碳钢、低合金钢、不锈钢中的至少一种；
所述基体在自熔合金粉沉积之前进行清洁处理。
可选地，所述清洁处理为：表面清洗去除表面污迹与氧化层。
可选地，所述基体的成分为碳钢、低合金钢或不锈钢。
可选地，步骤(2)中熔覆过程中功率密度为5×1012～10×1012W/m3。
所述功率密度＝功率/(光斑面积×粉厚度)。
可选地，步骤(2)中熔覆过程中道次间搭接率不低于30％；相邻激光光斑的重叠率不低于50％。
可选地，步骤(2)中熔覆结束后进行重熔处理。
可选地，所述重熔的热输入为熔覆热输入的40～80％。
所述熔覆为：通过脉冲激光加热将所述沉积在基体表面的自熔合金粉熔化，使之与基体反应形成表面层的过程。
步骤(2)中所述与基体反应为熔化的自熔合金粉与基体反应。
可选地，步骤(2)中所述薄层的厚度为50～300μm。
作为具体的实施方式，本申请中所述激光加热制备表面薄层的方法：首先将钢构件表面清洗去除表面污迹与氧化层，使用同轴送粉器在其表面沉积50～300μm厚的Ni基、Co基或Fe基自溶合金粉层，根据需求选择熔覆层成分；使用脉冲激光器加热熔化自溶合金粉，所用激光设备、电流、扫描速度、脉冲频率、脉冲宽度、光斑尺寸等可灵活选择，但需保证功率密度在5×1012～10×1012W/m3(功率/(光斑面积×粉厚度))之间，以确保自溶合金的流动性以及对基体良好的润湿性；道次间的搭接率不低于30％、相邻光斑的重叠率不低于50％，以获得均匀的微观组织和熔覆层厚度。在熔覆层厚度较小或热输入较低时，可能会出现表面不平整或者开裂的问题，此时可进行重熔处理提高表面层质量，重熔时热输入为熔覆时的40～80％。
本申请中所述(与基体冶金结合的)表面薄层制备方法，用于钢质构件的耐磨耐蚀防护或修复。步骤：将钢构件表面清洗去除污迹及氧化层，使用同轴送粉器在其表面沉积50～300μm厚的Ni基、Co基或Fe基自溶合金粉，使用脉冲激光器加热熔化自溶合金粉，功率密度5×1012～10×1012W/m3，道次间搭接率不低于30％、光斑重叠率不低于50％，获得表面薄层，必要时进行重熔处理进一步提高表面层质量。
本申请的另一方面，提供了上述任一项所述的方法在钢质构件的耐磨耐蚀防护或修复中的应用。
本申请中，“热输入”，是指单位面积单位时间内的能量输入。
本申请中，“道次间的搭接率”，是指激光熔覆时相邻道次之间的重叠比例，等于(1-道次间隔/光斑直径)×100％。
本申请能产生的有益效果包括：
本申请中的优点在于制备的表面薄层与基体冶金结合，厚度小、结合强度高、表面平整，制备效率高、无污染，对激光设备的要求低，可替代电镀等高污染技术用于制备防护薄层。
附图说明
图1为本发明的实施过程示意图。
图2为实施例1中制备的熔覆薄层截面形貌。
图3为实施例2中制备的熔覆薄层截面形貌。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用FEI Qunta250扫描电子显微镜进行形貌分析。
实施例1
将厚度为5mm的AISI4340低合金钢板表面机械打磨去除表面污迹与氧化层，依次用清水和酒精冲洗后吹干；
使用同轴送粉器在其表面沉积80μm厚的NiCrBSi自溶合金粉(牌号：FZNCr-60B，标准：YS/T527-2006)，合金粉粒度约15μm；
使用脉冲激光器加热，熔覆电流30A、脉冲频率10Hz、脉宽2毫秒、光斑直径0.8mm、扫描速度200mm/min、道次间隔0.5mm；
熔覆后进行重熔处理，重熔时除脉宽改为1毫秒之外(熔覆脉宽2毫秒，重熔脉宽1毫秒，则重熔的热输入为熔覆热输入的50％)，其余参数与熔覆过程相同；重熔结束后，冷却，得到熔覆的表面薄层，标记为1#。
本实施例中所述方法的实施过程示意图如图1所示。
实施例2
将厚度为5mm的AISI304不锈钢板表面机械打磨去除污染物与氧化层，依次用清水和酒精冲洗后吹干；
使用同轴送粉器在其表面沉积200μm厚的NiCrBSi自溶合金粉(牌号：FZNCr-60A，标准：YS/T527-2006)，合金粉粒度约40μm；
使用脉冲激光器加热，熔覆电流30A、脉冲频率20Hz、脉宽3毫秒、光斑直径0.8mm、扫描速度400mm/min、道次间隔0.6mm；
熔覆后进行重熔处理，重熔时除脉宽改为2毫秒之外，其余参数与熔覆过程相同；重熔结束后，冷却，得到熔覆的表面薄层，标记为2#。
本实施例中所述方法的实施过程示意图如图1所示。
实施例3
将厚度为5mm的20碳钢板表面机械打磨去除污染物与氧化层，依次用清水和酒精冲洗后吹干；
使用同轴送粉器在其表面沉积100μm厚的司太立6Co基合金粉，合金粉粒度约20μm；
使用脉冲激光器加热，熔覆电流20A、脉冲频率20Hz、脉宽2毫秒、光斑直径0.8mm、扫描速度400mm/min、道次间隔0.5mm。
熔覆后进行重熔处理，重熔时除脉宽改为1毫秒之外，其余参数与熔覆过程相同；重熔结束后，冷却，得到熔覆的表面薄层，标记为3#。
本实施例中所述方法的实施过程示意图如图1所示。
实施例4
将厚度为5mm的20碳钢板表面机械打磨去除污染物与氧化层，依次用清水和酒精冲洗后吹干；
使用同轴送粉器在其表面沉积100μm厚的Fe60铁基自溶合金粉(成分：重量比Cr16％、Ni 12％、B 4％、Si 3％，Fe余量)，合金粉粒度15～20μm；
使用脉冲激光器加热，熔覆电流20A、脉冲频率20Hz、脉宽2毫秒、光斑直径0.8mm、扫描速度400mm/min、道次间隔0.5mm；
熔覆后进行重熔处理，重熔时除脉宽改为1毫秒之外，其余参数与熔覆过程相同；重熔结束后，冷却，得到熔覆的表面薄层，标记为4#。
本实施例中所述方法的实施过程示意图如图1所示。
实施例5形貌表征
对样品1#～4#进行形貌结构表征，典型的如图2和图3所示。图2为实施例1中制备的熔覆薄层样品1#的截面形貌图，从图中可以看出，表面薄层的厚度大约在约50μm，从图中可以看出获得的表面薄层具有均匀的微观组织和熔覆层厚度以及较高的表面层质量。
图3为实施例2中制备的熔覆薄层样品2#的截面形貌图，从图中可以看出，表面薄层的厚度大约在约140μm，从图中可以看出获得的表面薄层具有均匀的微观组织和熔覆层厚度以及较高的表面层质量。
其他样品的测试结果与上述测试结果类似，得到的表面薄层厚度在50～300μm范围内，获得的表面薄层具有均匀的微观组织和熔覆层厚度以及较高的表面层质量。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种激光加热制备表面薄层的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
(1)将自熔合金粉沉积在基体表面；
(2)通过脉冲激光加热将步骤(1)中所述沉积在基体表面的自熔合金粉熔化，使之与基体反应，冷却后在基体表面得到合金薄层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述自熔合金粉通过同轴送粉器沉积在基体表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述自熔合金粉包括Ni基自溶合金、Co基自溶合金、Fe基自溶合金中的至少一种；
所述自熔合金粉的颗粒尺寸为5～50μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述基体包括碳钢、低合金钢、不锈钢中的至少一种；
所述基体在自熔合金粉沉积之前进行清洁处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中熔覆过程中功率密度为5×1012～10×1012W/m3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中熔覆过程中道次间搭接率不低于30％，相邻激光光斑的重叠率不低于50％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中熔覆结束后进行重熔处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述重熔过程的热输入为熔覆过程的热输入的40～80％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述薄层的厚度为50～300μm。
10.权利要求1至9任一项所述的方法在钢质构件的耐磨耐蚀防护或修复中的应用。
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