一种可控孔隙镍基涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可控孔隙镍基涂层的制备方法，包括如下步骤：A：抛光、清洗、除污；B：激光熔覆：使用同轴送粉器将镍基粉末送入基体表面，形成激光熔覆熔池，逐层用激光扫描进行激光熔覆使熔覆熔池形成气泡；C:洛伦兹力体积力耦合：在B步骤所述熔覆熔池内部形成气泡基础上，同时引入可调梯度洛伦兹力,对步骤B过程形成的气泡进行分布调节使其形成的气孔在熔覆层中由表面至里面深度方向呈梯度分布或呈均匀分布。本发明专利技术方法通过调整施加在基材表面的直流电流大小及熔池表面的磁场强度梯度来影响洛仑兹力的下降梯度。这不仅适用于激光熔覆镍基涂层，可同时适用焊接、激光熔凝等产生熔池的加工形式，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种镍基涂层的制备方法，特别涉及一种隙孔隙可调的镍基涂层的制备方法。
技术介绍
激光熔覆技术作为一种新型的制造技术，已越来越多的应用于工业生产中。在熔覆的过程中，由于环境中的水分、载气或者熔覆材料存在C，Ti等元素，熔覆层经常不可避免随机产生气孔。但随着使用条件的日益苛刻，对涂层的性能要求也越来越高。在某些应用场合中，在满足力学性能要求同时，需对熔覆层的抗震性、热传导性提出要求。根据相关文献的研究表明涂层中气孔的数量及分布对上述性能产生重要的影响，因此需对熔覆层中气孔进行调节。但单纯依靠改变激光熔覆工艺参数或者粉末工艺，很难对熔覆层中气孔含量及分布进行定量控制，为解决上述问题本专利技术提供了一种孔隙可调的镍基涂层制备方法。关于外加磁场对激光焊接和熔覆过程的调控技术，国内外学者已经开展了一系列的研究。如德国的Bachmann等通过静态磁场改善了铝合金焊接熔池形貌，不莱梅实验室的Gatzen M等研究发现交变磁场对元素分布产生影响，但上述学者所采用的洛仑兹力均为自身感应洛仑兹力，而非外加洛仑兹力且未对气孔进行研究。国内也有众多学者对其展开研究，如公开的文件(CN102899661)提出了一种采用磁场辅助激光熔覆的方法，该方法特点是仅采用单纯磁场作用激光熔覆熔池得到晶粒取向一致，细腻均匀的涂层。公开的文件(CN102703897)提出了一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合涂层的方法，因该方法采用了旋转磁场，这也使得内部洛伦兹力是呈周期性变化，其作用结果往往使得熔覆层组织、元素、颗粒等分布更加均匀，不能调控气孔、颗粒等的定向运动，且未涉及熔覆工艺与磁场的组合调控；公开的文件(CN104195541)，提出一种电磁复合场辅助激光熔覆的方法及装置，文件中所提供方法主要采用电磁复合场调控对象为组织、颗粒、元素、表面形貌，未涉及激光熔覆气泡的生成工艺以及对气泡运动调控，国内外针对外场的专利技术或者研究大多其中于材料的组织、性能、熔池运动，而往往将气孔作为缺陷避免其产生。
技术实现思路
本专利技术要克服现有激光熔覆技术不能对气孔分布调控的缺陷，提供一种可控孔隙镍基涂层的制备方法。本专利技术所述的一种可控孔隙镍基涂层的制备方法，包括如下步骤：A：抛光、清洗、除污：对基材表面进行打磨处理，直至表面光亮达到表面粗糙度小于Ra1.6，再使用丙酮或者酒精进行擦拭清洗将表面油污去除，并在通风处晾干；B：激光熔覆：使用同轴送粉器将镍基粉末送入基材表面，形成激光熔覆熔池，逐层用激光扫描进行激光熔覆使熔覆熔池形成气泡，按以下参数调整镍基粉末Ti、C含量、粉末粒径、粉末球形度、保护气中的水分含量并结合激光工艺参数控制熔覆层气孔数量；所述的镍基粉末质量分数为：Ni 50.0～55.0％，Cr 12.0～17.10％，C 0.08～0.2％，Si 0～0.35％，Mn0～0.35％，S 0～0.018％，P0～0.015％，Al 0.30～0.70％，Ti 1.10～2％，Mo 2.8～3.30％，Nb 4.75～5.50％，余量为Fe；所述粉末粒径d＝50～150μm；所述粉末球形度为0.6～0.9；所述保护气中水分含量质量分数为0.05～2％；所述激光工艺参数控制在激光功率为800～1800W；扫描速度为6～15mm/s；保护气流量为10～80HF/min；送粉量8～20g/min；通常在上述条件下，所述熔覆层产生的气孔形状为球形，直径范围为5μm～100μm，所述熔覆层气孔的总体积为熔覆层总体积的0.1～5％；C:洛伦兹力体积力耦合：在B步骤让所述熔覆熔池内部形成气泡基础上(也就是通常所说的“起泡”)，同时引入可调梯度洛伦兹力,对步骤B过程形成的气泡进行分布调节使气泡形成的气孔在熔覆层中由表面至里面深度方向呈梯度分布或呈均匀分布，这里起初在液态流体中的气泡，在激光扫描过程中气泡被凝固前沿捕获，保留在熔覆层中形成气孔；所述的洛伦兹力调节方法为：在基体通入平行于基材表面的直流电流，直至扫描结束,电流密度大小为0～106A/m2，同时，将基体置于梯度稳态磁场中，直至扫描结束,使得熔池表面的磁场强度为0～2T，磁场强度随着熔池的深度增加而均匀降低，磁场强度下降的梯度为0.01～0.06T/mm。通常所述的保护气为惰性气体，如氩气。进一步，所述基体在激光熔覆以前与可提供直流电流的外接电源连接以待连通。通常所述直流电流为稳态直流电流，由低压大额定电流蓄电池提供，即外接电源为低压大额定电流蓄电池，所述低压大额定电流蓄电池的电压为2～6V，放电能力：300～600Ah。本专利技术优选所述镍基粉末质量分数为：Ni 52.5％，Cr 15％，C 0.1％，Si 0.3％，Mn 0.3％，S 0.01％，P 0.01％，Al 0.4％，Ti 1.5％，Mo 3％，Nb 5％，Fe 21.88％。再进一步，所述磁场由电磁铁提供，磁场方向与熔覆熔池表面平行，同时垂直于所述激光扫描方向，磁场梯度调节通过改变双侧接触矩形磁极长度和\\或宽度来实现，所述的所述矩形磁极的宽度为10mm～40mm，所述的长度为80～120mm。更进一步，所述洛仑兹力的方向通过改变通入电流方向或者磁场方向进行调节。为具体地，所述的可控孔隙镍基涂层的制备方法，推存所述的激光功率为1600W,扫描速度为10mm/s,送粉量为10g/min,保护气流量20HF/min，熔覆层形成球形气孔，按以上操作，所产生的熔覆层球形气孔直径范围为5μm～100μm，产生气孔总体积占熔覆层体积的0.1～0.2％，且气孔无规则分布，并且熔覆层形貌良好，无裂纹。本方案在步骤B工艺及粉末条件下，所述的熔覆层是指通过激光熔化覆盖在基体表面的材料并与之形成冶金结合的涂层。区别于其他激光涂层制备方法，本方法所针对的调控对象为气孔，主要粉末及保护气优选内容还包括：通过调整镍基粉末Ti,C含量分别为1.5％与0.1％，控制保护气中的水分含量为2％，为起泡提供原料以产生CO,CO2等气体，控制镍基粉末粒径(50～75μm)及球形度(0.8～0.9)，提高粉末与保护气中水分的结合能力，对熔覆层进行“起泡”，并在气泡形核，长大过程中施加洛伦兹力，以加速或者抑制气泡运动，从而对熔覆层中气泡数量及分布进行调节。通常，本专利技术通过步骤C调节磁场强度使其为1～2T，电流密度为105～106A/m2，同时使得洛仑兹力方向与熔覆熔池表面垂直向内，这会使得气泡溢出数量增加，得到熔覆层中残留气孔体积百分比0～0.1％且分布于熔覆层上部；这样可以得到的无气孔或气孔含量极少的镍基涂层。如果我们在步骤C调节磁场强度使其为1～2T，电流密度为105～106A/m2，同时使得洛伦兹力方向与熔覆熔池表面垂直向外，会使得气泡溢出数量减少，熔覆层中残留气孔体积百分比5～20％，且分布于熔覆层底部。这样可以得到的镍基涂层残留气孔较多，并且大多分布在涂层的较底层。如果，我们调节磁场强度为0.1～0.5T，电流密度大小为0～105A/m2，同时使得洛伦兹力方向垂直熔覆熔池表面向内，这会使得气泡形核的能量降低，所述熔覆熔池中气泡增多，此时洛仑兹力较小，流体的拖曳力占主导，气泡受到流体搅拌作用而使得熔覆层气孔变得均匀。具体的，所述的可控孔隙镍基涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控孔隙镍基涂层的制备方法，包括如下步骤：A：抛光、清洗、除污：对基材表面进行打磨处理，直至表面光亮达到表面粗糙度小于Ra1.6，再使用丙酮或者酒精进行擦拭清洗将表面油污去除，并在通风处晾干；B：激光熔覆：使用同轴送粉器将镍基粉末送入基体表面，形成激光熔覆熔池，逐层用激光扫描进行激光熔覆使熔覆熔池形成气泡，按以下参数调整镍基粉末Ti、C含量、粉末粒径、粉末球形度、保护气中的水分含量并结合激光工艺参数控制熔覆层气孔数量；所述的镍基粉末质量分数为：Ni 50.0～55.0％，Cr 12.0～17.10％，C 0.08～0.2％，Si 0～0.35％，Mn0～0.35％，S 0～0.018％，P0～0.015％，Al 0.30～0.70％，Ti 1.10～2％，Mo 2.8～3.30％，Nb 4.75～5.50％，余量为Fe；所述粉末粒径d＝50～150μm；所述粉末球形度为0.6～0.9；所述保护气中水分含量质量分数为0.05～2％；所述激光工艺参数控制在激光功率为800～1800W；扫描速度为6～15mm/s；保护气流量为10～80HF/min；送粉量8～20g/min；C:洛伦兹力体积力耦合：在B步骤所述熔覆熔池内部形成气泡基础上，同时引入可调梯度洛伦兹力,对步骤B过程形成的气泡进行分布调节使其形成的气孔在熔覆层中由表面至里面深度方向呈梯度分布或呈均匀分布；所述的洛伦兹力调节方法为：在所述的基体通入平行于所述基体表面的直流电流直至扫描结束，电流密度大小为0～106A/m2，同时，将所述的基体置于梯度稳态磁场中直至扫描结束，使得熔池表面的磁场强度为0～2T，磁场强度随着熔池的深度增加而均匀降低，磁场强度下降的梯度为0.01～0.06T/mm。...

【技术特征摘要】
1.一种可控孔隙镍基涂层的制备方法，包括如下步骤：A：抛光、清洗、除污：对基材表面进行打磨处理，直至表面光亮达到表面粗糙度小于Ra1.6，再使用丙酮或者酒精进行擦拭清洗将表面油污去除，并在通风处晾干；B：激光熔覆：使用同轴送粉器将镍基粉末送入基体表面，形成激光熔覆熔池，逐层用激光扫描进行激光熔覆使熔覆熔池形成气泡，按以下参数调整镍基粉末Ti、C含量、粉末粒径、粉末球形度、保护气中的水分含量并结合激光工艺参数控制熔覆层气孔数量；所述的镍基粉末质量分数为：Ni 50.0～55.0％，Cr 12.0～17.10％，C 0.08～0.2％，Si 0～0.35％，Mn0～0.35％，S 0～0.018％，P0～0.015％，Al 0.30～0.70％，Ti 1.10～2％，Mo 2.8～3.30％，Nb 4.75～5.50％，余量为Fe；所述粉末粒径d＝50～150μm；所述粉末球形度为0.6～0.9；所述保护气中水分含量质量分数为0.05～2％；所述激光工艺参数控制在激光功率为800～1800W；扫描速度为6～15mm/s；保护气流量为10～80HF/min；送粉量8～20g/min；C:洛伦兹力体积力耦合：在B步骤所述熔覆熔池内部形成气泡基础上，同时引入可调梯度洛伦兹力,对步骤B过程形成的气泡进行分布调节使其形成的气孔在熔覆层中由表面至里面深度方向呈梯度分布或呈均匀分布；所述的洛伦兹力调节方法为：在所述的基体通入平行于所述基体表面的直流电流直至扫描结束，电流密度大小为0～106A/m2，同时，将所述的基体置于梯度稳态磁场中直至扫描结束，使得熔池表面的磁场强度为0～2T，磁场强度随着熔池的深度增加而均匀降低，磁场强度下降的梯度为0.01～0.06T/mm。2.如权利要求1所述的可控孔隙镍基涂层的制备方法，其特征在于：所述基体在激光熔覆以前与可提供直流电流的外接电源连接以待连通，所述直流电流为稳态直流电流，外接电源为低压大额定电流蓄电池。3.如权利要求1所述的可控孔隙镍基涂层的制备方法，其特征在于：所述磁场由电磁铁提供，磁场方向与熔覆熔池表面平行，同时垂直于所述的激光扫描方向，通过改变双侧接触矩形磁极长度和\\或宽度来实现磁场梯度调节，所述矩形磁极的宽度为10mm～40mm，所述矩形磁极的长度为80～120mm。4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梁，胡勇，姚建华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33