專利名稱：一種基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于激光表面熔覆制備表面熔覆層的技術(shù)，特指一種通過在金屬表面基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法。
背景技術(shù)：
據(jù)發(fā)達國家統(tǒng)計，每年因腐蝕、磨損、疲勞等原因造成的損失約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3％～5％，我國每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失達200億元。我國有幾萬億元的設(shè)備資產(chǎn)，每年因磨損和腐蝕而使設(shè)備停產(chǎn)、報廢所造成的損失都逾千億元。磨損在零件表面發(fā)生，腐蝕從零件表面開始，疲勞裂紋由表面向內(nèi)延伸，老化是零件表面與介質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果，即使變形，也表現(xiàn)為表面相對位置的錯移。所以“癥結(jié)”都是表面問題。因此，利用表面工程技術(shù)，在基體表面生成一層性能優(yōu)異并與基體材料牢固結(jié)合的熔覆層，是解決上述問題的有效手段。激光表面熔覆是金屬表面制備熔覆層常用的方法。由于激光熔覆技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，并能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益，因此，世界上各工業(yè)先進國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。早在70年代末，美國AVCO公司就汽車發(fā)動機許多易磨損件進行了激光熔覆技術(shù)的研究，并獲得了激光熔覆的美國專利(United States Patent 3952180)。我國激光熔覆技術(shù)的研究始于80年代初，近年來研究工作十分活躍，并產(chǎn)生了一批相關(guān)專利，如申請?zhí)?8101293.0、92108749.7、03136919.7、200310108499.X、92114666.3、03125212.5等。
以上所研究的激光熔覆主要集中在熔覆及其相關(guān)設(shè)備，其熔覆層所用合金或復(fù)合材料基本在涂覆前配制，熔覆層的性能不能根據(jù)零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其可根據(jù)零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足，從而獲得多元混雜復(fù)合表面熔覆層。
實現(xiàn)本發(fā)明的目的技術(shù)方案是首先根據(jù)金屬基體表面的性(功)能要求，進行二維平面網(wǎng)格造型，再利用數(shù)控系統(tǒng)按各部位的要求送相應(yīng)成分的粉料，并通過選擇光斑直徑、功率、掃描方式等激光熔覆工藝參數(shù)控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。
本發(fā)明基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，包括以下各步驟第一步，首先通過失效分析，有針對性地研究失效機理及其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行表面微結(jié)構(gòu)(性能)設(shè)計及優(yōu)化。
第二步，根據(jù)金屬基體表面各部位的性(功)能要求，利用數(shù)控系統(tǒng)進行二維平面網(wǎng)格造型，網(wǎng)格夾角為15°～90°，并確定各部位熔覆材料的成分、熔覆寬度和熔覆量；第三步，對金屬表面進行清理，必要時可噴砂處理；第四步，根據(jù)第一步確定的要求，選擇各部位熔覆材料和工藝，進行熔覆處理，通過多元復(fù)合的協(xié)同效應(yīng)，對零件表面進行性能擬合，在工件工作表面上形成一系列與性能要求優(yōu)化匹配的、并具有一定成分、密度(間距)、寬度、厚度、角度及形狀的涂層網(wǎng)格，發(fā)揮各網(wǎng)格的特性和網(wǎng)格間的協(xié)同效應(yīng)，使整個表面涂層的性能特點接近理想的性(功)能要求。
本發(fā)明不僅可用于金屬零件的表面改性，而且可用于剩余壽命的失效、報廢零部件的再制造，延長產(chǎn)品的使用壽命、減少環(huán)境污染、節(jié)約能源和資源。
本發(fā)明的優(yōu)點是將零件表面的失效分析理論、計算機數(shù)控技術(shù)與激光熔覆技術(shù)進行綜合運用，克服傳統(tǒng)的激光表面熔覆技術(shù)不能根據(jù)零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足，從而獲得多元混雜復(fù)合表面熔覆層。
1.對待處理表面進行失效分析，優(yōu)化設(shè)計表面二維網(wǎng)格和各微區(qū)的熔覆成分，使整個熔覆層的工作狀態(tài)可接近理想的性(功)能要求；2.激光束進行后一道網(wǎng)格熔覆時所產(chǎn)生的熱效應(yīng)對前一道網(wǎng)格起到后熱處理作用，有利于其內(nèi)應(yīng)力的減小或消除，改善熔覆層的質(zhì)量和結(jié)合強度；3.利用激光束熔覆形成與零件表面服役條件相匹配的、連續(xù)、均勻的多道(種)功能網(wǎng)格，各道網(wǎng)格承擔(dān)相應(yīng)的作用，以滿足零件的性(功)能要求；4.各個微觀單元的成分、寬度、形貌、分布密度便于調(diào)整，可大幅度調(diào)整熔覆層的性能。


圖1是45鋼基體上熔覆具有減摩和“自適應(yīng)性”耐疲勞磨損的表面熔覆層示意圖；圖2是內(nèi)燃機汽缸的再制造表面熔覆與汽缸磨損特性相匹配熔覆層示意圖。
圖1中1為固體潤滑網(wǎng)格單元，2為“自適應(yīng)性”耐疲勞磨損網(wǎng)格單元，3為基礎(chǔ)熔覆單元，4為固體潤滑網(wǎng)格交匯點，a、b、c為各網(wǎng)格單元的寬度，α為網(wǎng)格夾角。
圖2中I為缸套內(nèi)表面上止點附近區(qū)，II為沖程中部區(qū)，III為缸套下部區(qū)；5為固體滑網(wǎng)格單元，6為基礎(chǔ)熔覆單元，7為固體潤滑網(wǎng)格交匯點；d、e為各網(wǎng)格單元的寬度，α1和α2為I區(qū)和II區(qū)網(wǎng)格夾角。
具體實施例方式
下面利用實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
實施例的制備過程為在表面失效理論分析的基礎(chǔ)上，進行二維網(wǎng)格造型和各微區(qū)熔覆層成分優(yōu)化，利用計算機數(shù)控技術(shù)控制激光束和待處理工件的相對運動，對待處理表面進行激光照射，同時將配制好的粉末噴向待處理表而，獲得與零件表面服役條件相匹配的網(wǎng)格化多元混雜復(fù)合熔覆層。
實施例一.
金屬基體45鋼，表面網(wǎng)格造型如圖1所示，夾角α為20°～90°。圖中1為固體潤滑網(wǎng)格單元，采用MoS2為固體潤滑相，Ni基自熔合金為黏結(jié)相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成與潤滑性能優(yōu)化要求相匹配的并通過交匯點4相互連通的連續(xù)、均勻、縱橫交錯的固體潤滑網(wǎng)絡(luò)；圖中2為“自適應(yīng)性”耐疲勞磨損網(wǎng)格單元，粉末成分為Ti-50％atNi；圖中3為基礎(chǔ)熔覆單元，采用粒度為14μm的SiCp為硬質(zhì)相，Ni基自熔合金為基體相，SiCp不低于10％vol，此單元所占面積不小于50％。激光熔覆參數(shù)為激光功率1.5～3KW、光斑直徑2～5mm、掃描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。
實施例二.
本實施例為磨損失效內(nèi)燃機汽缸的再制造，參見圖2。將因磨損失效內(nèi)燃機汽缸內(nèi)表面進行清理，必要時可磨去一薄層。根據(jù)汽缸套表面工作長度上的磨損情況，缸套內(nèi)表面上止點附近區(qū)I磨損最嚴(yán)重，沖程中部區(qū)II次之，下部區(qū)III最輕。因此，熔覆網(wǎng)格亦按三個區(qū)域設(shè)計，如圖2所示，夾角α為20°～70°。其中5為固體滑網(wǎng)格單元，采用MoS2為固體潤滑相，Ni基自熔合金為黏結(jié)相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成與潤滑性能優(yōu)化要求相匹配的并通過交匯點7相互連通的連續(xù)、均勻、縱橫交錯的固體潤滑網(wǎng)絡(luò)，I區(qū)的網(wǎng)格夾角α1和間距a小于II區(qū)的網(wǎng)格夾角α2和間距b；6為基礎(chǔ)熔覆單元，采用粒度為14μm的SiCp為硬質(zhì)相，Ni基自熔合金為基體相，SiCp不低于10％vol，I區(qū)成分中SiCp高于II區(qū)和III區(qū)。激光熔覆參數(shù)為激光功率1.5～3KW、光斑直徑2～5mm、掃描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。熔覆層厚度依缸套磨損情況和技術(shù)要求確定，如磨損過大，可在低層先熔覆一層Ni基合金。
權(quán)利要求
1.基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其特征是首先根據(jù)金屬基體表面的性或功能要求，進行二維平面網(wǎng)格造型，再利用數(shù)控系統(tǒng)按各部位的要求送相應(yīng)成分的粉料，并通過選擇光斑直徑、功率、掃描方式等激光熔覆工藝參數(shù)控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其特征是第一步，首先通過失效分析進行表面微結(jié)構(gòu)或性能的設(shè)計及優(yōu)化；第二步，根據(jù)金屬基體表面各部位的性或功能要求，利用數(shù)控系統(tǒng)進行二維平面網(wǎng)格造型，網(wǎng)格夾角為15°～90°，并確定各部位熔覆材料的成分、熔覆寬度和熔覆量；第三步，對金屬表面進行清理，必要時可噴砂處理；第四步，根據(jù)第一步確定的要求，選擇各部位熔覆材料和工藝，進行熔覆處理，在工件工作表面上形成一系列與性能要求優(yōu)化匹配的、并具有一定成分、密度、寬度、厚度、角度及形狀的涂層網(wǎng)格。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特指一種通過在金屬表面進行二維造形制備多元混雜表面熔覆層的方法。其特征在于首先根據(jù)金屬基體表面的性(功)能要求，進行二維平面網(wǎng)格造型，再利用數(shù)控系統(tǒng)按各部位的要求送相應(yīng)成分的粉料，并通過激光熔覆工藝參數(shù)控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。本發(fā)明的優(yōu)點是將零件表面的失效分析理論、計算機數(shù)控技術(shù)與激光熔覆技術(shù)進行綜合運用，克服傳統(tǒng)的激光表面熔覆技術(shù)不能根據(jù)零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足，從而獲得與零件表面服役條件相匹配的網(wǎng)格化多元混雜復(fù)合熔覆層，使整個熔覆層的工作狀態(tài)接近理想的性(功)能要求，滿足零件表面的功能特性。
文檔編號B23K26/34GK1814861SQ20061003862
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者戈曉嵐, 張永康, 蔡蘭 申請人:江蘇大學(xué)