專利名稱：一種冶金熱軋輥工作層的激光直接沉積制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種冶金熱軋輥工作層材料的激光直接 金屬沉積制造的方法和裝置。
背景技術(shù)：
為滿足對(duì)熱軋輥使用性能的要求，熱軋輥材質(zhì)的升級(jí)換代和制造技術(shù)的進(jìn)步是提 高其耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命的重要途徑。熱軋輥材質(zhì)的發(fā)展經(jīng)歷了從冷硬鑄鐵到高Cr鑄 鐵，從半高速鋼、高速鋼到硬質(zhì)合金的質(zhì)的飛躍。熱軋輥的制造技術(shù)也從傳統(tǒng)的鍛造法和向 復(fù)合鑄造法發(fā)展。離心復(fù)合鑄造、連續(xù)澆鑄外層成形法、噴射沉積法、熱等靜壓、電渣重熔、 表面堆焊法等復(fù)合方法都受到國(guó)內(nèi)外軋輥研究和制造部門的重視，并在提高使用壽命等方 面取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。近年來(lái)在軋輥制造方面的專利也是局限于傳統(tǒng)鑄造方法的改進(jìn)(一 種離心鑄造高速鋼軋輥制造方法，專利號(hào)=03114582. 5 ；碳化鎢精軋輥制造工藝技術(shù)，申請(qǐng) 號(hào)=89107615. 8)和輥套與輥芯的裝配方面(超硬合金復(fù)合軋輥及使用它的熱軋鋼方法，申 請(qǐng)?zhí)?01802062. 3)。在制造工藝及生產(chǎn)成本等方面仍然存在一定的不足和局限性。為了提高工作層材料的利用率，降低軋輥報(bào)廢造成的材料浪費(fèi)，表面強(qiáng)化技術(shù)和 再制造技術(shù)成為提高熱軋輥使用壽命的重要手段。軋輥表面感應(yīng)加熱淬火、堆焊、熱噴焊、 激光淬火、激光熔凝、激光熔覆和激光合金化技術(shù)等都取得了比較顯著的效果。但是上述技 術(shù)處理的強(qiáng)化層比較薄(0.3 2mm)，對(duì)使用壽命的貢獻(xiàn)有限。眾所周知，軋輥有效工作層 的厚度是影響產(chǎn)品成本的重要因素之一，工作層越薄，單位成本越高。反之，單位成本越低。 因此，增加熱軋輥的有效工作層厚度來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命是其表面強(qiáng)化的重要發(fā)展方向。激光輔助直接金屬沉積技術(shù)為制備具有一定厚度和性能的三維改性層或部件提 供了可能。激光輔助直接金屬沉積技術(shù)是一種綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光涂覆和快速原 型的新制造技術(shù)，是一種基于材料添加的制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)沉積材料和基體的冶金結(jié)合。 可在不加工(少加工)和無(wú)模具的情況下，從CAD設(shè)計(jì)的三維實(shí)體數(shù)據(jù)快速地制造出復(fù)雜 的實(shí)體樣件，具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍寬、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)， 可以制造硬金屬或者稀有金屬組件，修復(fù)難熔和貴重組件等等。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和快速 原型技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)該方法制備各種功能涂層正成為表面技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向 之一。密歇根大學(xué)用該方法沉積制備了 H13工具鋼零件；俄亥俄州立大學(xué)利用激光輔助近 凈形制造法制備出Ti-V和Ti-Mo成分梯度合金；國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)用激光快速原型方法制 備出Ti基合金-ReneSSDT高溫合金的梯度材料。迄今，未見(jiàn)有關(guān)應(yīng)用激光輔助直接金屬沉 積技術(shù)制備熱軋輥工作層的研究成果的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用激光輔助直接金屬沉積方法制備冶金熱軋輥工作 層的方法和裝置。它綜合了冶金軋輥的制造技術(shù)和材質(zhì)兩個(gè)方面，旨在利用激光輔助金屬 直接沉積技術(shù)在特定的工藝條件下在廉價(jià)熱軋輥芯部材料表面上制備出強(qiáng)韌化、高耐磨工作層。在制造技術(shù)方面，利用現(xiàn)有的激光輔助直接金屬沉積技術(shù)自行發(fā)明了沉積設(shè)備并探索了沉積工藝；在材質(zhì)方面，在現(xiàn)有高速鋼和硬質(zhì)合金軋輥成分的基礎(chǔ)上，發(fā)明了新的性能 優(yōu)良的沉積層粉末。激光輔助直接金屬沉積技術(shù)是材料添加工藝，可以得到形狀和尺寸較為精確的成 形件，可以省去前后處理工序，節(jié)約材料，提高生產(chǎn)效率。由于可以增加沉積層數(shù)，故可得到 所需厚度的沉積層。在沉積層設(shè)計(jì)中，采用高速鋼、Co基合金等作為基底材料并添加不同含量的增強(qiáng)、 增韌微細(xì)顆粒來(lái)保證沉積層的高硬度和高耐磨性；通過(guò)添加稀土元素降低和抑制裂紋；通 過(guò)成分設(shè)計(jì)和交錯(cuò)沉積方式，改變成分和微結(jié)構(gòu)的梯度分布來(lái)調(diào)控沉積層的殘余應(yīng)力分布 并實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)韌化。實(shí)施本發(fā)明方法的裝置包括CO2激光器及其控制系統(tǒng)、工作臺(tái)、電機(jī)系統(tǒng)、送粉系 統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)編程系統(tǒng)。沉積粉末采用同軸同步送粉方式。其具體實(shí)施過(guò)程如下(1)用汽油、酒精等去油、去污溶劑去除輥芯表面油污和銹，然后用砂紙打磨其表 面進(jìn)一步去除污物。(2)將類高速鋼粉末或者將機(jī)械混合好的以Co基合金等作為基底材料并添加不 同含量的增強(qiáng)、增韌微細(xì)顆粒的粉末放入送粉系統(tǒng)，在由工作臺(tái)控制行程的的輥芯表面開(kāi) 始激光輔助同步送粉直接金屬沉積制造軋輥工作層。沉積方法采用交錯(cuò)沉積方式。根據(jù)工 作層厚度要求沉積相應(yīng)的厚度。對(duì)于Co基合金添加硬質(zhì)相的粉末中硬質(zhì)相的含量采取逐 層增加的方式，以得到梯度沉積層。類高速鋼粉末粒度為60 150 μ m，其組成按重量百分比為(0.6% -1.5% )C、 (4% -5% )Cr、(2% -5% )Mo、(1% -4% )V、(5% -15% )W、(4% -10% )Co、(0-3% )Nb、 0. 3% Si、0. 4% Mn，余量為 Fe。其具體工藝參數(shù)如下激光功率為0. 4 IkW光斑直徑為0. 5 1. 5mm同層中前后道次搭接寬度為40% 60%上下層間步長(zhǎng)為0. 2 0. 3mm掃描速度為0. 4 0. 8m/min。Co基合金粉末粒度為60 150 μ m，WC粒度為100 180 μ m，添加的稀土元素 (Ce或Y)的粒度為200 400 μ m。Co基合金粉末組成按重量百分比為26% Cr、11 % Ni、 8%1、0.5%(，余量為Co。Co基合金復(fù)合粉末整體組成按重量百分比為(30%-60%)WC、 (0. 5% -1.5% )Ce或者Y，余量為Co基合金。其具體工藝參數(shù)如下激光功率為0. 6 1. 3kff光斑直徑為0. 5 1. 5mm同層中前后道次搭接寬度為40% 60%上下層間步長(zhǎng)為0. 2 0. 3mm掃描速度為0. 3 0. 6m/min下一層較前一層中粉末中WC的遞增量為3% 6%。
(3)室溫下冷卻沉積層。(4)機(jī)器打磨沉積層表面，或者對(duì)其進(jìn)行微切削，使其達(dá)到工作輥的尺寸和精度要 求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.利用高功率CO2激光器在本發(fā)明的實(shí)施裝置中可以實(shí)現(xiàn)冶金熱軋輥工作層的直接制造。相對(duì)于現(xiàn)在普遍使用的同軸送粉裝置，該發(fā)明中的送粉裝置由于在外側(cè)增設(shè)了一 個(gè)保護(hù)氣體的通道，減少了粉末的飛散，使更多粉末匯聚于熔池，提高了粉末利用率及粉末 的保護(hù)程度。2.相對(duì)于傳統(tǒng)軋輥制造工藝，如離心鑄造等方法，激光輔助直接金屬沉積技術(shù)制 造軋輥工作層材料可以省去前后處理工序，節(jié)約材料，提高生產(chǎn)效率。由于可以增加沉積層 數(shù)，故可得到所需厚度的沉積層，比激光表面合金化技術(shù)得到的合金化層在厚度上提高很 多，可降低軋輥單位成本，延長(zhǎng)其使用壽命。3.在沉積層設(shè)計(jì)中，采用高速鋼、Co基合金等作為基底材料并添加不同含量的增 強(qiáng)、增韌微細(xì)顆粒以及稀土元素可以保證沉積層的高硬度和高耐磨性；成分設(shè)計(jì)和交錯(cuò)沉 積方式可以改變成分和微結(jié)構(gòu)的梯度分布，從而調(diào)控沉積層的殘余應(yīng)力分布并實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)韌 化。預(yù)期不僅可以強(qiáng)化軋輥工作層表面，亦可用于軋輥的修復(fù)和再制造，顯著延長(zhǎng)軋輥的使 用壽命，降低生產(chǎn)成本，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是激光輔助直接制造裝置圖。圖2是噴嘴的局部放大示意圖1終聚焦系統(tǒng)，2激光束，3保護(hù)氣體接口，4粉末接口，5噴嘴，6軋棍，7CNC工作臺(tái)， 8電機(jī)，9夾具，10增設(shè)的保護(hù)氣體通道。圖3是沉積方式示意圖。圖4激光輔助金屬直接沉積試樣的組織與形貌(a)沉積十層單壁墻橫截面顯微組織；(b)兩層試樣表面宏觀形貌
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1、圖2和圖3詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明裝置、工藝和粉末的細(xì)節(jié)和工作情況。 如圖1和圖2所示，激光束2通過(guò)終聚焦系統(tǒng)1后照射在軋輥6上。粉末輸送采取同軸同 步送粉方式，配置好的粉末經(jīng)過(guò)機(jī)械混合均勻后通過(guò)送粉系統(tǒng)由送粉氣體送入和激光出口 同軸的粉末接口 4，同時(shí)粉末運(yùn)行過(guò)程中采取氣體保護(hù)，保護(hù)氣體通道接口為3。該裝置在 粉末流動(dòng)腔外面增設(shè)了保護(hù)氣體的另外一個(gè)通道10，其作用一是匯聚粉末于熔池，提高粉 末利用率，二是增加反應(yīng)過(guò)程中對(duì)粉末的保護(hù)程度。軋輥6的空間三維運(yùn)動(dòng)由CNC工作臺(tái) 7控制，沿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)由固定在數(shù)控機(jī)床上的由電機(jī)8帶動(dòng)的夾具9控制。如圖3所示，具體沉積方式為確定好初始沉積點(diǎn)后，開(kāi)動(dòng)CNC工作臺(tái)7先沿軋輥軸 向(X方向)沉積，沉積一個(gè)軋輥軸向長(zhǎng)度后，CNC工作臺(tái)7停止運(yùn)動(dòng)；通過(guò)電機(jī)8帶動(dòng)使軋 輥旋轉(zhuǎn)一定角度，使后續(xù)道次An和前面道次Aim進(jìn)行搭接，然后CNC工作臺(tái)7反方向運(yùn)動(dòng)； 依次進(jìn)行沉積；沉積完整個(gè)軋輥側(cè)面后，CNC工作臺(tái)7在高度方向下降一個(gè)沉積層厚度的距離，在結(jié)束點(diǎn)開(kāi)始沿軋輥周長(zhǎng)方向沉積。CNC工作臺(tái)7先保持不動(dòng)，電機(jī)8帶動(dòng)軋輥旋轉(zhuǎn)，沉 積一個(gè)軋輥周長(zhǎng)后，電機(jī)8停止運(yùn)動(dòng)；開(kāi)動(dòng)CNC工作臺(tái)7，使軋輥在軸向前進(jìn)一定長(zhǎng)度，使后 續(xù)道次Bn與前面道次Bim同樣進(jìn)行相同搭接率的搭接，然后電機(jī)8帶動(dòng)軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)；依次進(jìn) 行沉積。直至得到所需厚度的沉積層。實(shí)施例一類高速鋼粉末用汽油、酒精等去油、去污溶劑去除輥芯表面油污和銹，然后用砂紙打磨輥芯表面 進(jìn)一步去除污物，便于沉積層的沉積；然后將機(jī)械混合好的待沉積粉末裝入送粉系統(tǒng)，調(diào)節(jié) 保護(hù)氣體、送粉氣體流速以及粉末流量控制系統(tǒng)以得到所需的粉末流量；打開(kāi)CO2激光器， 在輥芯表面進(jìn)行粉末沉積。如圖3所示，先沿軋輥軸向(X方向)沉積，后續(xù)道次An和前面 道次Aim進(jìn)行搭接，沉積完整個(gè)軋輥側(cè)面后，在結(jié)束點(diǎn)開(kāi)始沿軋輥周長(zhǎng)方向沉積，后續(xù)道次 Bn與前面道次Bim同樣進(jìn)行相同搭接率的搭接。具體工藝參數(shù)如下激光功率0.8kW，光斑 直徑1mm，搭接寬度為0. 5mm，掃描速度V = O. 5/min，上下層間步長(zhǎng)為0. 25mm。類高速鋼粉末組成為1·2% CA% Cr,2% Mo,4% V,8% ff,8% Co,2% Nb,0. 3% Si、0. 4% Mn, Fe 余量。實(shí)施例二 Co基合金復(fù)合粉末用汽油、酒精等去油、去污溶劑去除輥芯表面油污和銹，然后用砂紙打磨輥芯表面 進(jìn)一步去除污物，便于沉積層的沉積；然后將機(jī)械混合好的待沉積粉末裝入送粉系統(tǒng)，調(diào)節(jié) 保護(hù)氣體、送粉氣體流速以及粉末流量控制系統(tǒng)以得到所需的粉末流量；打開(kāi)CO2激光器， 在輥芯表面進(jìn)行粉末沉積。如圖3所示，先沿軋輥軸向(X方向)沉積，后續(xù)道次An和前面 道次Aim進(jìn)行搭接，沉積完整個(gè)軋輥側(cè)面后，在結(jié)束點(diǎn)開(kāi)始沿軋輥周長(zhǎng)方向沉積，后續(xù)道次 Bn與前面道次Bim同樣進(jìn)行相同搭接率的搭接。具體工藝參數(shù)如下激光功率lkW，光斑直 徑1mm，搭接寬度為0. 5mm，掃描速度V = 0. 4/min，上下層間步長(zhǎng)為0. 25mm。Co基合金復(fù)合粉末組成為30% WC、0.8% C，余量為Co基合金。后一層中WC含量較前一層中的遞增量為5%。圖4(a)為沉積十層Co基合金+WC粉末的單壁墻的橫截面圖，可見(jiàn)其高度達(dá)到了 3.25mm。圖4(b)為利用交錯(cuò)沉積方式在平面基體上沉積的底面積為25mmX 25mm兩層試樣 表面宏觀形貌，兩層沉積層的厚度達(dá)到1. 46mm。激光表面合金化強(qiáng)化和修復(fù)失效軋輥時(shí)，強(qiáng) 化層厚度一般在0. 3 0. 5mm。可見(jiàn)，利用該技術(shù)可大幅度提高軋輥工作層厚度，再配合工 作層高的耐磨性可大大延長(zhǎng)軋輥壽命。
權(quán)利要求
一種制造熱軋輥工作層的方法，利用激光輔助直接金屬沉積技術(shù)制造軋輥工作層，其特征在于采用類高速鋼粉末和Co基合金復(fù)合粉末作為軋輥工作層材料。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于類高速鋼粉末的組成按重量百分比為 (0. 6% -1. 5% )C、(4% -5% )Cr、(2% -5% )Mo、(1% -4% )V、(5% -15% )W、(4% -10% ) Co、(0-3% )Nb、0. 3% Si、0. 4% Mn，余量為 Fe ；其粉末的粒度為 60 150 μ m。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于Co基合金復(fù)合粉末的組成按重量百分比為 (30% -60% )WC, (0.5% -1.5% )Ce或Y，余量為Co基合金；Co基合金的粒度為60 150 μ m,硬質(zhì)相WC粒度為100 180 μ m，Ce或Y的粒度為200 400 μ m。
4.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于當(dāng)采用類高速鋼粉末作為工作層材料時(shí)，激光 輔助直接沉積的具體工藝參數(shù)為激光功率為0. 4 lkW，光斑直徑為0. 5 1. 5mm,同層中 前后道次搭接寬度為40% 60%，上下層間步長(zhǎng)為0. 2 0. 3mm，掃描速度為0. 4 0. Sm/mirio
5.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于當(dāng)采用Co基合金復(fù)合粉末作為工作層材料 時(shí)，激光輔助直接沉積的具體工藝參數(shù)為激光功率為0. 6 1. 3kff,光斑直徑為0. 5 1. 5mm,同層中前后道次搭接寬度為40 % 60 %，上下層間步長(zhǎng)為0. 2 0. 3mm,掃描速度為 0. 3 0. 6m/min，下一層較前一層中粉末中WC的遞增量為3% 6%。
6.權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于先沿軋輥軸向沉積，后續(xù)道次An* 前面道次Aim進(jìn)行搭接，沉積完整個(gè)軋輥側(cè)面后，在結(jié)束點(diǎn)開(kāi)始沿軋輥周長(zhǎng)方向沉積，后續(xù) 道次Bn與前面道次Bim同樣進(jìn)行相同搭接率的搭接。
7.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述制造熱軋輥工作層的方法的裝置，包括依次相連的計(jì)算機(jī) 控制裝置、激光工作系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)及工作臺(tái)，其特征在于在送粉系統(tǒng)的噴嘴結(jié)構(gòu)的外側(cè) 增設(shè)了一個(gè)外層的保護(hù)氣體通道(10)。
全文摘要
一種冶金熱軋輥工作層材料的激光輔助直接金屬沉積制造方法和裝置，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，其特征在于采用類高速鋼粉末和Co基合金復(fù)合粉末作為軋輥工作層材料，具體為將類高速鋼粉末或者將機(jī)械混合好的以Co基合金等作為基底材料并添加不同含量的增強(qiáng)、增韌微細(xì)顆粒的粉末放入送粉系統(tǒng)，在由工作臺(tái)控制行程的的輥芯表面開(kāi)始激光輔助同步送粉直接金屬沉積制造軋輥工作層。沉積方法采用交錯(cuò)沉積方式。根據(jù)工作層厚度要求沉積相應(yīng)的厚度。對(duì)于Co基合金添加硬質(zhì)相的粉末中硬質(zhì)相的含量采取逐層增加的方式，以得到梯度沉積層。本發(fā)明利用激光輔助金屬直接沉積技術(shù)在特定的工藝條件下在廉價(jià)熱軋輥芯部材料表面上制備出強(qiáng)韌化、高耐磨工作層。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101818342SQ20091026306
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者劉常升, 孫桂芳, 張永康, 李鵬, 錢曉明, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)