CN108774729A - 基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法 - Google Patents

基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，采用激光熔覆技术对预置双层预置粉末进行扫描，激光的高温致使双层预置粉末同时熔化凝固成型，采用此方法制造的涂层表面无裂纹等缺陷，涂层厚度均匀，效率高，可实现产量化可实现微孔结构陶瓷涂层，改善零件表面的耐磨性能，增强零件表面硬度，被广泛应用于航天航空、冶金、化工等领域。

Description

基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法。
背景技术
表面改性技术(Surface Modified Technique)是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
激光熔覆技术在表面改性技术中越来越显示它的优势，激光熔覆是以高能束作为热源在材料表面熔覆一层材料，从而使材料表面形成与基材材料成分、组织和性能不同的表面熔覆层。与普通涂覆和化学热处理等方法相比，激光熔覆具有热影响区小、热输入低、热变形小等优点。激光熔覆技术常应用以金属粉末材料为主，与金属材料相比，陶瓷材料具有些更为优越的性能，如硬度高、耐高温和良好的腐蚀性能等。在理论上，陶瓷材料和金属材料很难结合，但是随着纳米级粉末的出现，细小的陶瓷颗粒在高能量密度激光的作用下，使陶瓷材料熔覆在金属基体成为可能。激光熔覆陶瓷涂层可以将金属材料较高的韧性和良好的工艺性与陶瓷的材料优异的耐磨性、耐腐蚀性能有机的结合起来。
目前国内有三篇关于双层涂层制备新方法，专利号为CN102677126B的发明专利，提出了一种镁基表面致密氧化镁/羟基磷灰石纳米纤维双层涂层的制备方法，其主要工艺是利用微弧氧化技术在镁或镁合金表面制备含磷和钙的多孔氧化镁涂层，然后再特定的水热环境下对多孔氧化镁涂层进行水处理进而得到氧化镁/羟基磷灰石纳米纤维双层涂层。专利号为CN105925939B的发明专利是一种氧化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺，利用镀膜的方法在缸套表面制备双层氧化钛涂层，此方法制备的涂层与基体为机械结合，结合强度较低。CN103746128B的发明专利是一种高温固体氧化物电池金属连接体表面双层涂层制备方法，第一层采用电镀沉积方法制备涂层，第二层采用化学沉积法制备的涂层，此两种方法为传统制备涂层的方法，结合强度较低。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，采用激光熔覆技术对预置双层预置粉末进行扫描，激光的高温致使双层预置粉末同时熔化凝固成型，采用此方法制造的涂层表面无裂纹等缺陷，涂层厚度均匀。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，包括步骤：
(1)制备金属空心粉末；
(2)制备陶瓷粉末；
(3)采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层；
(4)而后在其表面采用电磁沉积技术预置陶瓷粉末涂层；
(5)采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层。
进一步地，所述步骤(1)具体地，制备的金属空心粉末置于旋转式混粉设备中加以混合；制备好的粉末用筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。
进一步地，所述步骤(1)，金属空心粉末材料为316不锈钢金属。
进一步地，所述步骤(2)具体地，采用喷雾干燥法制备陶瓷粉末，热处理温度为1000-1200℃，保温时间为2-3h，将不同温度热处理后的粉末用筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。
进一步地，所述步骤(2)，陶瓷粉末为纳米团聚体陶瓷粉末。
进一步地，所述步骤(3)和(4)中，微孔金属粉末涂层与基体为机械结合，陶瓷粉末涂层与微孔金属粉末涂层也是机械结合。
进一步地，所述步骤(3)和(4)中，电磁沉积技术在真空条件下进行。
进一步地，所述步骤(5)中，扫描后陶瓷涂层与微孔金属涂层、微孔金属涂层与基体涂层之间为冶金结合。
进一步地，所述步骤(3)和(4)中，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为3～4KW，脉冲偏压为-140V～-130V，占空比为45％～55％，氮气分压强30％～40％，工作气压为0.28～0.32Pa；陶瓷涂层电磁沉积参数为溅射功率为4～5KW，脉冲偏压为-150～-140V，占空比为45％～50％，氮气分压强45％～50％，工作气压为0.45～0.5Pa。
进一步地，所述步骤(5)中，激光熔覆工艺参数为激光功率为1000W～2000W，扫描速度为0.05～0.10m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。
有益效果：本发明采用激光熔覆技术一次扫描成型，效率较高；微孔结构可以减少陶瓷涂层的残余应力，增强陶瓷涂层与基体的结合强度。本发明可实现产量化，可实现制备微孔结构陶瓷涂层，改善零件表面的耐磨性能，增强零件表面硬度，被广泛应用于航天航空、冶金、化工等领域。
附图说明
图1是涂层结构原理图；
图2是一次扫描成型双涂层的形成机理图；
图3是涂层微观显微结构形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，采用激光熔覆技术对预置双层预置粉末进行扫描，激光的高温致使双层预置粉末同时熔化凝固成型，采用此方法制造的涂层表面无裂纹等缺陷，涂层厚度均匀，包括如下步骤：
(1)制备金属空心粉末，将金属空心粉末和造孔剂置于旋转式混粉设备中加以混合；球磨过程中以高纯氩气作为保护气氛以防止氧化；制备好的粉末先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中；
金属空心粉末材料可以为316不锈钢金属，最终得到的粉末粒度为25μm-125μm。
(2)采用喷雾干燥法制备纳米团聚体陶瓷粉末，热处理温度在1000-1200℃之间，保温时间为2-3h，将不同温度热处理后的粉末，先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中；
纳米团聚体粉末可以选择厂家为美国Framat公司，粉末颗粒度为40μm-100μm。
(3)采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为4KW，脉冲偏压为-140V，占空比为45％，氮气分压强30％-40％，工作气压为0.32Pa；
电磁沉积技术是射频磁控溅射沉积技术，此技术是在真空的条件下进行，保证沉积后的涂层无氧化现象，进一步保证激光熔覆过程中无氧化物等杂质浸入，涂层无杂质、裂纹等缺陷。
(4)而后在其表面采用此技术预置陶瓷粉末涂层，陶瓷涂层的电磁沉积参数为溅射功率为5KW，脉冲偏压为-150V，占空比为50％，氮气分压强45％-50％，工作气压为0.45Pa；
微孔金属粉末涂层与基体为机械结合，而后在其表面的陶瓷粉末涂层，其与微孔金属粉末涂层也是机械结合。
(5)如图2所示，采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层；激光熔覆工艺参数为激光功率为1000W-2000W，扫描速度为0.05-0.10m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。
采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，扫描后陶瓷涂层与微孔金属涂层、微孔金属涂层与基体涂层之间为冶金结合。
如图3所示，由于陶瓷熔点较高，微孔金属熔点较低，当激光照射陶瓷时，陶瓷还未熔化前，传递给微孔金属的能量足以使其发生熔化凝固，待陶瓷方法熔化凝固成型时，微孔涂层已经制备完成。在制备双层涂层过程中，虽然微孔涂层和陶瓷涂层几乎同时形成，但微孔金属先发生熔化凝固，微孔对陶瓷涂层具有松懈作用，可以减少陶瓷涂层凝固过程中的残余应力，避免裂纹等缺陷的产生。
实施例1
首先制备金属316不锈钢金属空心粉末，不锈钢粉末置于旋转式混粉设备中加以混合，旋转速度为130r/min，时间为30min；球磨过程中以高纯氩气作为保护气氛以防止氧化。制备好的粉末先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用喷雾干燥法制备纳米团聚体陶瓷粉末，热处理温度在1000℃之，保温时间为2.3h，将不同温度热处理后的粉末，先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层，而后在其表面采用此技术预置陶瓷粉末涂层，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为4KW，脉冲偏压为-140V，占空比为45％，氮气分压强30％％，工作气压为0.32Pa。陶瓷涂层的电磁沉积参数为溅射功率为5KW，脉冲偏压为-150V，占空比为50％，氮气分压强45％，工作气压为0.45Pa。然后采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层。激光熔覆工艺参数为激光功率为1000W，扫描速度为0.05m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。制备的涂层无气孔、杂质、裂纹等缺陷，满足工艺要求。
实施例2
首先制备金属316不锈钢金属空心粉末，不锈钢粉末置于旋转式混粉设备中加以混合，旋转速度为130r/min，时间为30min；球磨过程中以高纯氩气作为保护气氛以防止氧化。制备好的粉末先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用喷雾干燥法制备纳米团聚体陶瓷粉末，热处理温度在1100℃之间，保温时间为2.3h，将不同温度热处理后的粉末，先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层，而后在其表面采用此技术预置陶瓷粉末涂层，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为4KW，脉冲偏压为-140V，占空比为45％，氮气分压强35％，工作气压为0.32Pa。陶瓷涂层的电磁沉积参数为溅射功率为5KW，脉冲偏压为-150V，占空比为50％，氮气分压强47％，工作气压为0.45Pa。然后采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层。激光熔覆工艺参数为激光功率为1500W，扫描速度为0.07m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。制备的涂层无气孔、杂质、裂纹等缺陷，满足工艺要求。
实施例3
首先制备金属316不锈钢金属空心粉末，不锈钢粉末置于旋转式混粉设备中加以混合，旋转速度为130r/min，时间为30min；球磨过程中以高纯氩气作为保护气氛以防止氧化。制备好的粉末先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用喷雾干燥法制备纳米团聚体陶瓷粉末，热处理温度在1200℃之间，保温时间为2.3h，将不同温度热处理后的粉末，先后用200目和300目的筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。然后采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层，而后在其表面采用此技术预置陶瓷粉末涂层，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为4KW，脉冲偏压为-140V，占空比为45％，氮气分压强40％，工作气压为0.32Pa。陶瓷涂层的电磁沉积参数为溅射功率为5KW，脉冲偏压为-150V，占空比为50％，氮气分压强50％，工作气压为0.45Pa。然后采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层。激光熔覆工艺参数为激光功率为2000W，扫描速度为0.10m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。制备的涂层无气孔、杂质、裂纹等缺陷，满足工艺要求。

Claims (10)

1.一种基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：包括步骤：
(1)制备微孔金属粉末；
(2)制备陶瓷粉末；
(3)采用电磁沉积技术在基体表面预置微孔金属粉末涂层；
(4)而后在其表面采用电磁沉积技术预置陶瓷粉末涂层；
(5)采用激光熔覆技术对电磁沉积制备的预置涂层进行激光扫描，一次成型制备双层涂层。
2.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(1)具体地，将金属空心粉末和造孔剂置于旋转式混粉设备中加以混合；制备好的粉末用筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。
3.根据权利要求2所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(1)，金属空心粉末材料为316不锈钢金属。
4.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(2)具体地，采用喷雾干燥法制备陶瓷粉末，热处理温度为1000-1200℃，保温时间为2-3h，将不同温度热处理后的粉末用筛子筛过后，储存在干燥的罐体中。
5.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(2)，陶瓷粉末为纳米团聚体陶瓷粉末。
6.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中，微孔金属粉末涂层与基体为机械结合，陶瓷粉末涂层与微孔金属粉末涂层也是机械结合。
7.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中，电磁沉积技术在真空条件下进行。
8.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(5)中，扫描后陶瓷涂层与微孔金属涂层、微孔金属涂层与基体涂层之间为冶金结合。
9.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中，微孔涂层电磁沉积工艺参数为溅射功率为3～4KW，脉冲偏压为-140V～-130V，占空比为45％～55％，氮气分压强30％～40％，工作气压为0.28～0.32Pa；
陶瓷涂层电磁沉积参数为溅射功率为4～5KW，脉冲偏压为-150～-140V，占空比为45％～50％，氮气分压强45％～50％，工作气压为0.45～0.5Pa。
10.根据权利要求1所述的基于激光熔覆技术的双层涂层一次扫描成型方法，其特征在于：所述步骤(5)中，激光熔覆工艺参数为激光功率为1000W～2000W，扫描速度为0.05～0.10m/s，光斑直径2mm，扫描间距1mm。
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