專利名稱：以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械零件表面處理方法，尤其是一種利用粉末為原料進(jìn) 行激光重融得到表面涂層的方法，具體地說是一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激 光熔覆得到涂層的方法。
技術(shù)背景自1974年Gnanamuthu提出申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆 方法專利之后，激光熔覆技術(shù)在短短的30多年內(nèi)發(fā)展非常迅速，已成為制備 高性能涂層的主流技術(shù)之一。激光熔覆材料通常是以單質(zhì)元素或化合物制成的粉末(以下簡稱粉末) 直接引入激光熔池， 一般采用預(yù)置和送粉兩種方式。其中，預(yù)置式激光熔覆 是先將要添加的熔覆粉末置于基材被強(qiáng)化的表面部位，然后再用激光照射熔 化，使其熔覆于基材表面形成涂層。激光熔覆技術(shù)常用的粉末預(yù)置方法主要 包括熱噴涂法和化學(xué)粘結(jié)法。其中，熱噴涂法，主要有火焰噴涂和等離子噴 涂；化學(xué)粘結(jié)法，則是采用粘結(jié)劑將粉末制成膏狀涂覆于基材表面。眾所周知，熱噴涂法在預(yù)置粉末的過程中除需要專用的噴涂設(shè)備外，其 粉末的損失量很大(約為30%~40%)，此外該方法對粉末粒度等方面的要求較 高，例如粉末若過細(xì)則會堵塞噴嘴等等；對于化學(xué)粘接法而言，由于使用了 各種粘結(jié)劑，盡管采取了如干燥等一些措施，但在激光熔覆的過程中還是極 易產(chǎn)生氣孔等缺陷，同時粘結(jié)劑的加入對熔覆層成分也會產(chǎn)生不同程度的不 利影響。由此可見，粉末預(yù)置處理對提高激光熔覆質(zhì)量至關(guān)重要，它直接影 響了最終涂層的性能和質(zhì)量，而據(jù)申請人所知，目前人們對于提高激光熔覆 涂層質(zhì)量措施的原理大多側(cè)重于溫度場之類的研究方面而忽略了粉末預(yù)置對 于提高涂層質(zhì)量、降低制造成本的作用。到目前為止，尚未得到一種粉末利 用率高、對粉末粒度等方面的適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)置時不引入雜質(zhì)元素的可用于激
光熔覆的粉末預(yù)置方法可供推廣，無法適應(yīng)激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，并在一定程度上制約了激光熔覆技術(shù)的進(jìn)步。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的用于激光熔覆中因未重視粉末預(yù)置而造成浪 費(fèi)大、涂層質(zhì)量不高的問題，發(fā)明一種可供推廣的粉末利用率高、對粉末粒 度適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)置時不會引入雜質(zhì)元素的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得 到涂層的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，其特征是它包括一、 基材處理即對需進(jìn)行涂層的基材表面進(jìn)行毛化處理并清洗干凈， 并將其作為粉末壓片模具的一部分；二、 粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉 末進(jìn)行壓制，使粉末成片狀或環(huán)狀壓置于基材需進(jìn)行涂層處理的表面上；三、 熔融將已粘連有粉末片或粉末環(huán)的基材從粉末壓片模具中取出， 置于激光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶 金結(jié)合，即得到所需的涂層。所述的毛化方法包括噴砂毛化、切削加工毛化及特種加工毛化中的一種 或幾種。所述的基材毛化后的表面粗糙度為Ra50~12.5。 本發(fā)明的技術(shù)方案之二是一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，其特征是它包括一、 基材處理即將需進(jìn)行涂層的基材表面清洗干凈；二、 粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉 末進(jìn)行壓制，將粉末直接或間接壓制成與基材表面形狀相配的片狀、環(huán)狀或 曲面狀粉末片或粉末環(huán)；三、 機(jī)械粘結(jié)采用機(jī)械固定方法將上述壓制所得的粉末片或粉末環(huán)與 基材相連接；四、 熔融將上述經(jīng)過機(jī)械固定后，連接有粉末環(huán)或粉末片的基材置于 激光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié) 合，即得到所需的涂層。所述的間接制造與基材表面形狀相配的粉末片或粉末環(huán)是指先將粉末壓 制成平板狀，然后將平板狀粉末片或粉末環(huán)置于基材表面上或模具中再壓制 出與基材表面形狀相配的粉末片或粉末環(huán)。所述的模具工作表面與待處理基材表面的形狀相一致。所述的機(jī)械固定法為壓力固定法以及除化學(xué)粘結(jié)劑粘結(jié)以外的所有機(jī)械 固定方法，如包邊、卡接等。 本發(fā)明的有益效果(1) 本發(fā)明的方法基本不存在粉末損失的情況，粉末利用率極高，這對 于節(jié)約一般都較為昂貴的熔覆粉末、提高激光熔覆的經(jīng)濟(jì)性能具有非常積極 的意義。(2) 本發(fā)明的方法對粉末粒度基本不限制，尤其是適用于不適宜用熱噴 涂等方法預(yù)置的超細(xì)粉體。(3) 本發(fā)明的方法不采用粘結(jié)劑，有效地避免了采用粘結(jié)劑所帶來的如 在熔覆層中引入雜質(zhì)元素等不足。(4) 本發(fā)明的方法具有工藝簡單、所用設(shè)備通用、過程容易控制等特點(diǎn)， 具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價值?？傊景l(fā)明不僅有利于提高涂層粉末的利用率，而且不會在熔融過程 中產(chǎn)生氣孔等缺陷，有利于提高涂層質(zhì)量，有利于激光熔覆技術(shù)的普及推廣。


圖1是本發(fā)明的制作環(huán)狀粉末片的模具結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的粘連有平面狀粉末片的待熔融基材結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明的曲面狀粉末片的成形過程示意圖。 圖4是本發(fā)明的曲面狀粉末片的成形過程及其與基材固定結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖中101為上模，102為墊片，103為下模，104為基材(待處理表面
為圓柱面)，105為粉末環(huán)，106為墊片；201為粉末片，202為基材；301為 待成形的平面狀粉末片，302為平面粉末片301壓制成形后的與基材表面相 匹配的曲面狀粉末片，303為待處理表面為曲面的基材，304為成形模具上模; 401為待成形的平面狀粉末片，402為平面粉末片401壓制成形后的與基材表 面相匹配的曲面狀粉末片，403為待處理表面為曲面的基材，404為固定用陶 瓷片(三片或三片以上)。實(shí)施例一。如圖1、 2所示。一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，它包括以下步驟一、 基材處理即對需進(jìn)行涂層的基材表面進(jìn)行毛化處理并清洗干凈， 并將其作為粉末壓片模具的一部分；所述的毛化處理包括噴砂毛化、切削加 工毛化及特種加工毛化中的一種或幾種，毛化處理后基材的表面粗糙度應(yīng)控 制在Ra50 12.5之間，過人則會影響重融效果，過小則會影響壓制后的粉末 片或粉末環(huán)與基材之間的結(jié)合力，甚至可能無法將基材連接粉末片一起從模 具中取出。二、 粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉 末進(jìn)行壓制，使粉末成片狀(如圖2中的201)或環(huán)狀(如圖1中的105)粘 結(jié)在基材(圖1中的104或圖2中的202)需進(jìn)行涂層處理的表面上；粉末 的量可根據(jù)待處理表面面積和涂層的厚度加上適當(dāng)?shù)膿p耗通過計算加以確定(可通過現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn))。三、 熔融將己粘連有粉末片或粉末環(huán)的基材從粉末壓片模具中取出， 置于激光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶 金結(jié)合，即得到所需的涂層。激光熔融過程所采用的設(shè)備和方法與現(xiàn)有技術(shù) 相同。實(shí)施例二。如圖1、 2、 3、 4所示。一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，它包括以下步驟 一、基材處理即將需進(jìn)行涂層的基材表面清洗干凈；
二、 粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉 末進(jìn)行壓制，將粉末直接或間接壓制成與基材表面形狀相配的片狀、環(huán)狀或 曲面狀粉末片或粉末環(huán)；直接壓制是指將下模設(shè)計成與待處理基材表面的形狀相一致，直接壓制出相匹配的粉末環(huán)或粉末片(粉末片可為圖2所示的平 面結(jié)構(gòu)，也可為圖3， 4所示的曲面結(jié)構(gòu)，還可為折面結(jié)構(gòu)或各種復(fù)雜的型面， 粉末環(huán)可為圖1所示的圓環(huán)，也可為曲線環(huán))，間接壓制是指先壓制出平面形 粉末片，再將粉末片置于基材上，在壓力設(shè)備上將平面形粉末片壓制成與基 材表面相匹配的形狀，如圖3、 4所示。同理，粉末的量可根據(jù)待處理表面面 積和涂層的厚度加上適當(dāng)?shù)膿p耗通過計算加以確定(可通過現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí) 現(xiàn))。三、 機(jī)械粘結(jié)采用機(jī)械固定方法將上述壓制所得的粉末片或粉末環(huán)與 基材相連接；機(jī)械固定法可采用壓力固定法，也可采用陶瓷片固定法，如圖 4所示，圖4中的404就是所說的陶瓷片，陶瓷片的下部可通過粘結(jié)的方法 與基材相連，其上部超出基材的上表面，將粉末片包絡(luò)在陶瓷片中即可。四、 熔融將上述經(jīng)過機(jī)械固定后，帶有粉末環(huán)或粉末片的基材置于激 光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合， 即得到所需的涂層。激光熔融過程所采用的設(shè)備和方法與現(xiàn)有技術(shù)相同。下面結(jié)合附圖和實(shí)例，但不僅僅限于所列實(shí)例，對本發(fā)明關(guān)鍵點(diǎn)的粉末 處理作進(jìn)一步的說明，以幫助對本發(fā)明的理解。實(shí)例l:基體材料為市購45鋼，熔覆材料為市購Ni60噴涂粉末(粒度 為150目)。首先將基材切削加工成尺寸為O30X20mm圓柱體，加工后基材 的表面粗糙度為Ra12.5，用丙酮將基材清洗干凈，置于壓片模具內(nèi)(壓片模 具由圖1中101上模、102墊片、103下模、104基材、106墊片組成)；然后 將粉末添加到模具中，在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上進(jìn)行壓制；壓制結(jié)束后， 將壓制好的粉末片(圖1中的105)連同基材(圖1中的104) —起從下模中 取出，即可獲得在基材上預(yù)置好粉末的待熔覆毛坯，完成粉末預(yù)置。 實(shí)例2:基體材料為市購GH4033，熔覆材料為市購平均粒徑為75um的 NiCrAlY粉末。首先將基材線切割成30X6X4mm的四方體，對待熔覆強(qiáng)化表 面進(jìn)行噴砂處理，噴砂后基材的表面粗糙度為Ra50，用丙酮將基材清洗干凈 并置于壓片模具內(nèi)；然后將粉末添加到模具中，在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上 進(jìn)行壓制；壓制結(jié)束后，將壓制好的粉末片(圖2中的201)連同基材(圖2 中的202) —起從下模中取出，即可獲得在基材上預(yù)置好所需粉末厚度的待 熔覆毛坯，完成粉末預(yù)置。實(shí)例3:基體材料為市購GH4033，熔覆材料為市購平均粒徑為75tim的 NiCrAlY粉末，基材為30X6X10ram的四方體，用丙酮將基材清洗干凈備用。 首先將粉末置于壓片模具內(nèi)在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上壓制成30X6Xlmm 的粉末片；然后將壓好后的粉末片置于清洗干凈的基材表面上，四周用四塊 陶瓷片固定，即完成粉末預(yù)置。實(shí)例4:基體材料為市購GH4033，熔覆材料為市購平均粒徑為20nm的 Al203粉末，基材為30X6X10mm的四方體，用丙酮將基材清洗干凈備用。首 先將粉末在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上壓制成30X6X0. 4mm的粉末片；將壓好 后的粉末片置于清洗干凈的基材表面上，四周用四塊陶瓷片固定，即完成粉 末預(yù)置。實(shí)例5:基體材料為市購45鋼，熔覆材料為市購Ni60噴涂粉末(粒度 為150目)，基材表面為直線曲面(圖3中的303和圖4中的403)。首先將 粉末添加到壓片模具中，在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上壓制成平板狀粉末片(圖 3中的301和圖4中的401);然后將壓制好的平板狀粉末片置于清洗干凈后 的基材表面上，在壓力設(shè)備(如壓片機(jī))上利用模具(圖3中的304)將粉 末片壓制成與基材表面一致的形狀(圖3中的302和圖4中的402);用四塊 陶瓷片(圖4中的404)將粉末片和基材固定，即完成粉末預(yù)置。本說明書未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，其特征是它包括一、基材處理即對需進(jìn)行涂層的基材表面進(jìn)行毛化處理并清洗干凈，并將其作為粉末壓片模具的一部分；二、粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉末進(jìn)行壓制，使粉末成片狀或環(huán)狀壓置于基材需進(jìn)行涂層處理的表面上；三、熔融將已粘連有粉末片或粉末環(huán)的基材從粉末壓片模具中取出，置于激光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，即得到所需的涂層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的毛化方法包括噴砂毛化、切削加工毛化及特種加工毛化中的 一種或幾種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的基材毛化后的表面粗糙度為Ra50~12.5。
4、 一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，其特征是它包括一、 基材處理即將需進(jìn)行涂層的基材表面清洗干凈；二、 粉末處理將待熔融粉末置于壓片模具中，在壓力設(shè)備上對所加粉 末進(jìn)行壓制，將粉末直接或間接壓制成與基材表面形狀相配的片狀、環(huán)狀或 曲面狀粉末片或粉末環(huán)；三、 機(jī)械粘結(jié)采用機(jī)械固定方法將上述壓制所得的粉末片或粉末環(huán)與 基材相連接；四、 熔融將上述經(jīng)過機(jī)械固定后，連接有粉末環(huán)或粉末片的基材置于 激光加工設(shè)備中進(jìn)行激光熔融，使所述的粉末片或粉末環(huán)與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié) 合，即得到所需的涂層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的間接制造與基材表面形狀相配的粉末片或粉末環(huán)是指先將粉 末壓制成平板狀，然后將平板狀粉末片或粉末環(huán)置于基材表面上或模具中再 壓制出與基材表面形狀相配的粉末片或粉末環(huán)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的粉末片為曲面片狀結(jié)構(gòu)，所述的粉末環(huán)為圓環(huán)或曲線環(huán)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的模具工作表面與待處理基材表面的形狀相一致。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法， 其特征是所述的機(jī)械固定法為壓力固定法以及除化學(xué)粘結(jié)劑粘結(jié)以外的所有 機(jī)械固定方法，如包邊、卡接等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以壓片法預(yù)置粉末進(jìn)行激光熔覆得到涂層的方法，其關(guān)鍵點(diǎn)是采用壓片法將粉末預(yù)置于待熔覆的基材表面上。本發(fā)明方法具有粉末利用率高、對粉末粒度等方面的適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)置時不引入雜質(zhì)元素、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C23C24/10GK101158039SQ20071013547
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者于守鑫, 孫業(yè)斌, 左敦穩(wěn), 焦光明, 王宏宇 申請人:南京航空航天大學(xué)