本發(fā)明涉及激光技術(shù)和涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用激光重熔與激光熔覆相結(jié)合的工藝在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層的方法。

背景技術(shù)：

鑄鐵具有比鋼還好的鑄造性、耐磨性、消震性、切削加工性以及低的缺口敏感性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。

但在服役過程中常因局部摩擦、腐蝕、氧化等出現(xiàn)缺陷而導(dǎo)致工件整體報(bào)廢。激光熔覆由于其優(yōu)異的性能已成為再制造的重要工藝。但在熔覆過程中由于熔覆材料與基體物理性能的差異以及基材屬性等常存在氣孔、裂紋缺陷，如附圖5所示，極大的阻礙了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展。

針對此問題許多學(xué)者進(jìn)行了研究，閆世興等研究了灰鑄鐵激光熔覆nicufebsi合金的氣孔行為，發(fā)現(xiàn)熔覆層中的氣孔主要是源于基體中石墨的熔解、造氣反應(yīng)生成的co。并指出熔池內(nèi)部的強(qiáng)對流是影響氣孔的內(nèi)在因素。研究了工藝參數(shù)對氣孔的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕档图す夤β?、掃描速度，提高基體預(yù)熱溫度等通過延長液態(tài)熔池存在的時(shí)間可減少氣孔缺陷，但是并沒有從根源上減少氣體的產(chǎn)生。而通過預(yù)熱基體改善熔覆層缺陷，不僅增加成本，還改變了基體組織。通過調(diào)整工藝參數(shù)改善熔覆缺陷，只能延長氣體溢出時(shí)間，不能從根本上解決氣孔缺陷的問題，還影響工作效率。本發(fā)明采用激光重熔與激光熔覆相結(jié)合的工藝，通過改變基材表層的元素分布，杜絕了自由碳的存在，從根本上杜絕了氣體的產(chǎn)生，目前還未見相關(guān)的報(bào)道與專利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將激光重熔與激光熔覆相結(jié)合的新工藝，在鑄鐵件表面獲得無氣孔、裂紋缺陷的熔覆層。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層的方法，包括以下步驟：

（1）試樣預(yù)處理；

先對鑄鐵基材進(jìn)行線切割成45×35×10m³的試樣后，用砂紙打磨至600-1000#,在丙酮溶液中超聲波清洗10～15min，在用去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干試樣；

（2）對預(yù)處理的試樣進(jìn)行激光重熔處理；

激光重熔的工藝參數(shù)為：激光功率p為200～1500w，掃描速度v為10～600mm/min，光斑直徑d為0.8～3mm，搭接率m為30～60%，焦距h為180～220mm，保護(hù)氣流l為4～15l/min；

所述步驟（2）中激光重熔為二次或多次重熔，激光重熔后的重熔層表面應(yīng)光滑平整、重熔層內(nèi)部無氣孔；

（3）對激光重熔處理后的試樣進(jìn)行激光熔覆處理；

進(jìn)行激光熔覆處理之前，先對熔覆材料進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為100～120℃，時(shí)間為8～10h；通過激光熔覆處理使激光重熔處理后的試樣表面和熔覆材料同時(shí)熔化并快速凝固成熔覆層；激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率p為400～2000w，掃描速度v為60～800mm/min，光斑直徑d為0.8～3mm，送粉電壓u為5～35v，搭接率m為30～60%，焦距h為180～220mm，保護(hù)氣流l為4～15l/min；

（4）對激光熔覆處理后的試樣進(jìn)行后續(xù)處理，包括機(jī)加工、除油和打磨，使試樣表面光潔，完成在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層。

進(jìn)一步地，所述步驟（1）中的鑄鐵基材包括：蠕墨鑄鐵、灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

進(jìn)一步地，所述步驟（3）中的熔覆材料包括鈷基自熔合金、鎳基自熔合金、鐵基自熔合金和納米陶瓷/金屬基復(fù)合材料。

本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明采用激光重熔基體后結(jié)合激光熔覆的方法制備的熔覆層，與基材成冶金結(jié)合，無氣孔缺陷，涂層均勻致密，性能優(yōu)異。

2、本發(fā)明激光重熔只改變了基體表層的化學(xué)成分、組織。而通過預(yù)熱基材來減少氣孔缺陷，對工件整體進(jìn)行了熱處理，改變了原有的組織。相比通過調(diào)整工藝參數(shù)，適當(dāng)?shù)慕档蛼呙杷俣取⒓す夤β蕘頊p少氣孔缺陷，效果更明顯，并且不受熔覆工藝參數(shù)的限制。

3、本發(fā)明采用激光重熔對工件表層的化學(xué)成分、組織進(jìn)行調(diào)整，杜絕了基材表層游離石墨的存在，很大程度的減少了表層的碳含量，從根本上解決了由于基材中的碳含量過高而導(dǎo)致激光熔覆過程中容易出現(xiàn)氣孔缺陷的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的重熔截面形貌圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的熔覆層截面形貌。

圖2中附圖標(biāo)記：a-蠕墨鑄鐵基材、b-熔覆層。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1從重熔層頂部到基材的線掃描分析。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的xrd圖譜。

圖5為無預(yù)重熔的激光熔覆層截面形貌。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍和應(yīng)用范圍。

實(shí)施例1

一種在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層的方法，包括以下步驟：

1.試樣預(yù)處理；先對鑄鐵基材進(jìn)行線切割成45×35×10m³的試樣后，用砂紙打磨至800#,在丙酮溶液中超聲波清洗10min，在用去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干試樣；

2.對預(yù)處理的試樣進(jìn)行激光重熔處理；激光重熔的工藝參數(shù)為：激光功率p為400w，掃描速度v為30mm/min，光斑直徑d為2mm，搭接率m為30%，焦距h為209mm，保護(hù)氣流l為6l/min；

3.重復(fù)步驟2，進(jìn)行二次激光重熔處理；

4.選取鎳基合金粉末為熔覆材料，所述鎳基合金粉末各成分含量如下：si含量1.8～3.0wt%、cr含量0～6.0wt%、b含量0.8～1.2wt%、fe含量0～0.5wt%、mn含量0～0.5wt%、c含量0～0.05wt%，余量為ni，鎳基合金粉末的粒度為200～300目；對鎳基合金粉末進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為120℃，時(shí)間為8h。

5.利用光纖激光器對激光重熔處理后的試樣進(jìn)行激光熔覆處理，使激光重熔處理后的試樣表面和熔覆材料同時(shí)熔化并快速凝固成熔覆層；激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率p為800w，掃描速度v為180mm/min，光斑直徑d為2mm，搭接率m為30%，送粉電壓u為7v，焦距h為209mm，保護(hù)氣流l為6l/min。

6.對激光熔覆處理后的試樣進(jìn)行后續(xù)處理，包括機(jī)加工、除油和打磨，使試樣表面光潔，完成在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層。

實(shí)施例2

一種在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層的方法，包括以下步驟：

1.試樣預(yù)處理；先對鑄鐵基材進(jìn)行線切割成45×35×10m³的試樣后，用砂紙打磨至800#,在丙酮溶液中超聲波清洗10min，在用去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干試樣；

2.對預(yù)處理的試樣進(jìn)行激光重熔處理；激光重熔的工藝參數(shù)為：激光功率p為1000w，掃描速度v為400mm/min，光斑直徑d為3mm，搭接率40%，焦距h為200mm，保護(hù)氣流l為15l/min；

3.重復(fù)步驟2，進(jìn)行二次激光重熔處理；

4.選取鐵基合金粉末為熔覆材料，所述鐵基合金粉末各成分含量如下：si含量2.5～7.5%,cr含量3～6%,b含量1.3～2.0%,c含量0.15～0.75%,ni含量10～25%，余量為fe，鐵基合金粉末的粒度為200～300目；對鐵基合金粉末進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為100℃，時(shí)間為10h，干燥后送入光纖激光器的送粉裝置。

5.利用光纖激光器對激光重熔處理后的試樣進(jìn)行激光熔覆處理，使激光重熔處理后的試樣表面和熔覆材料同時(shí)熔化并快速凝固成熔覆層；激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率p為1800w，掃描速度v為540mm/min，光斑直徑d為3mm，搭接率40%，送粉電壓u為20v，焦距h為200mm，保護(hù)氣流l為15l/min。

6.對激光熔覆處理后的試樣進(jìn)行后續(xù)處理，包括機(jī)加工、除油和打磨，使試樣表面光潔，完成在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層。

實(shí)施例3

一種在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層的方法，包括以下步驟：

1.試樣預(yù)處理；先對鑄鐵基材進(jìn)行線切割成45×35×10m³的試樣后，用砂紙打磨至1500#,在丙酮溶液中超聲波清洗15min，在用去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干試樣；

2.對預(yù)處理的試樣進(jìn)行激光重熔處理；激光重熔的工藝參數(shù)為：激光功率p為1600w，掃描速度v為240mm/min，光斑直徑d為2mm，搭接率50%，焦距h為209mm，保護(hù)氣流l為15l/min；

3.重復(fù)步驟2，進(jìn)行二次激光重熔處理；

4.選取鈷基合金粉末為熔覆材料，所述鈷基合金粉末各成分含量如下：si含量0.2～0.4wt%、cr含量4～12wt%、b含量0.8～1.2wt%、fe含量0～1wt%、o含0～0.01wt%、c含量0.75～0.95wt%、w含量7～8%、ni含量9.3-11.3%、p含量0～0.01%,余量為co，鎳基合金粉末的粒度為200～300目；對鈷基合金粉末進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為120℃，時(shí)間為8h，干燥后送入光纖激光器的送粉裝置。

5.利用光纖激光器對激光重熔處理后的試樣進(jìn)行激光熔覆處理，使激光重熔處理后的試樣表面和熔覆材料同時(shí)熔化并快速凝固成熔覆層；激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率p為2000w，掃描速度v為360mm/min，光斑直徑d為3mm，搭接率50%，送粉電壓u為30v，焦距h為200mm，保護(hù)氣流l為15l/min。

6.對激光熔覆處理后的試樣進(jìn)行后續(xù)處理，包括機(jī)加工、除油和打磨，使試樣表面光潔，完成在鑄鐵表面制備無缺陷熔覆層。

對實(shí)施例1、實(shí)施例4制得的熔覆層，利用掃描電鏡（sem）、光學(xué)顯微鏡觀察重熔層與熔覆層的截面形貌，利用能譜儀（eds）分析重熔層與基體的元素分布，利用x射線衍射分析儀（xrd）檢測重熔層的物相結(jié)構(gòu)；測定結(jié)果見圖1至圖4及表1，測定結(jié)果表明：

由圖1和圖2可知，實(shí)施例1的重熔層與熔覆層無明顯氣孔缺陷，主要是經(jīng)過二次重熔后，重熔層再次熔化，原重熔層中的氣孔能夠有再次溢出的機(jī)會(huì)，因此凝固后的二次重熔層無氣孔缺陷。經(jīng)過二次重熔后基體表層碳元素大部分得到燒損，無游離狀態(tài)的石墨，無氣孔缺陷，故后續(xù)的激光熔覆層無明顯氣孔缺陷。

由表1可知，實(shí)施例1經(jīng)過二次重熔后的重熔層碳元素由于燒損或與氧反應(yīng)，碳元素含量得到明顯的減少。由圖3可知，實(shí)施例1二次激光重熔后的熔覆層碳、鐵元素分布十分均勻，碳元素含量得到明顯的減少。

由圖4可知，二次激光重熔后無石墨相存在，重熔層物相為fe3c、α-fe和γ-fe。

表1為本發(fā)明實(shí)施例1重熔層上下層與蠕墨鑄鐵基材選區(qū)元素分析的各元素具體含量。