一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及加工方法技术

本发明专利技术公开一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及加工方法，将管状金属层作为金属基体，填充物作为陶瓷颗粒增强相，结合了送粉式和送丝式的优点，在激光的作用下不仅可以形成陶瓷颗粒均匀分布过程稳定柔顺的熔滴过渡过程，而且熔覆效率高，材料利用率高，自动化程度高，且丝材可实现连续的稳定插注过渡过程。在此之外，由于是利用激光作为热源，热输入精确可控，可制备稀释率低，增强颗粒均匀分布，致密无缺陷的复合涂层。

A kind of ceramic particle reinforced metal matrix composite coating and its processing method by laser melting deposition based on tubular cored wire

【技术实现步骤摘要】
一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及加工方法
本专利技术属于激光熔化沉积技术，更加具体的说，尤其是涉及使用一种管状粉芯丝材进行陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其加工方法。
技术介绍
随着我国经济发展及科技水平的提高，在工业制造领域内对生产设备的数量及质量也日益增大。在设备的实际服役过程中，其零件的性能决定了生产效率。在机械设备的工作过程中不可避免的与外接环境相接触，如高温、高压或摩擦等，这样会在金属零件的外表面产生一定的作用，例如金属的失效，包括磨损、腐蚀、疲劳与断裂等往往都是由金属表面开始的。例如磨损首先发生在金属零件的表面，随着零件与外部环境接触时间的增加，表面作用产生的缺陷会逐渐向零件内部扩展，最终使零件发生失效。若是采用适当的表面处理方法，可以使得磨损引起的失效减少30％左右。因此为了减少表面磨损所造成的损失，研发一种具有高硬度高耐磨性的新型涂层及加工方法迫在眉睫。而机械零件的加工方法对零件的性能有很大的影响，故选择合适的材料加工处理方法则起到了关键的作用。陶瓷颗粒金属基复合涂层MMCp(particlereinforcedmetal-matrixcomposites)从20世纪60年代起逐渐成为了世界各国学者及企业的研究热点之一，且在航空航天、汽车、矿山油井等领域得到了广泛的应用。对于金属基复合涂层，目的在于把基体优越的塑性韧性和成形性与增强体的高承受载荷能力和高硬度高耐磨性能结合起来。以提高表面耐磨性为目标的陶瓷颗粒金属基复合涂层，首先需要增强颗粒自身要具有较高的硬度和强度，以减少在磨损过程中的破碎及失效以便更好的起到支撑载荷的作用。常用的陶瓷颗粒增强相则为氧化物陶瓷如Al2O3,TiO2,碳化物陶瓷SiC,WC，氮化物陶瓷SiN4,AlN为主另外基体材料作为陶瓷颗粒的粘结剂也应该具有一定的强度，因此可以更好的为硬质颗粒相提供有效的支撑作用，使得陶瓷颗粒的的抗磨损能力得到有效的发挥。目前研究较多的是以Fe、Ni、Co、Ti等金属为基体。另外一个需要考虑的关键问题是，陶瓷颗粒相与基体相在原则上需要有较好的润湿性，这样在受热形成涂层的过程中陶瓷相与基体相之间会形成冶金结合，可以增强增强相与基体相之间的钉扎作用，使得在受到外界磨损的情况下，颗粒相不易脱落。现阶段在工业领域内得到应用的表面耐磨损涂层制备方法有氩弧熔覆技术，热喷涂技术及激光熔覆技术等。其中氩弧熔覆是利用电弧作为热源进行表面堆焊，但是由于氩弧的能量难以精确控制，其热输入一般较大，导致母材的热影响区较大，稀释率较高，而且在较大热输入的影响下，焊缝内部会存在一些较为粗大的晶体组织，影响涂层性能。在此之外，热喷涂技术是采用某种高温热源，将熔覆材料(通常为粉末材料)熔化，并利用高速射流将熔化后的熔覆材料喷射到经过预处理后的基材表面形成涂层的一种技术，其中应用最广的为等离子热喷涂技术。等离子喷涂的热源为等离子弧，其热源具有高温和高速的特点。但是等离子喷涂制备的涂层疏松，多孔且有微裂纹，涂层与基材的结合不良等缺陷。与氩弧熔覆及热喷涂技术相比，利用激光熔化沉积(LaserMetalDeposition，LMD)制备表面涂层的表面改性方法，具有涂层与基材结合强度高，稀释率低，方便灵活，可以对复杂零件表面进行加工，加热速度快，对基材的影响小，且加工效率高，污染小，是一种绿色高效的表面改性技术，因而受到了广泛的关注。最重要的是，利用激光在制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层时具有更加突出的优势。上述激光熔化沉积方法的按照熔敷材料的形态又分为粉末法与丝材法。目前大部分研究集中于粉末状的材料的成形技术，激光熔化粉末材料主要是金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末，主要是因为送粉法的可以提高零件的成形精度和生产效率，但是金属粉末的利用率却很低，最高仅20％～30％，大部分的粉末需要复杂的装置对粉末进行回收，并且同时还要考虑粉尘对工作环境的污染，同时粉末中的气体极易在熔覆层道里形成气孔、夹渣等缺陷，另外熔覆层道表面粗糙度较高。激光送丝熔化沉积技术则是用金属丝代替粉末作为熔敷材料，将丝材送进激光在基体或熔敷层上的作用区域中，激光将金属丝熔化的同时，激光束按照设定的路径对基体进行扫描，最终沉积出致密的涂层或零件。激光送丝熔化成形与激光送粉熔化成形技术相比，具有的优势是：(1)在成形过程中，送丝熔敷的材料利用率能达到100％，可以减少材料的浪费，显著降低生产成本；(2)送粉熔敷成形过程中，为了得到成形良好的零件，需要复杂的送粉喷嘴与送粉器来控制粉末流束，而丝状的材料的送给过程和送料的精确度仅需要一台送丝机就可以控制，所以送丝法更加适合自动化生产；(3)送粉熔敷成形中粉末的粒度与成分极大的影响了成形零件的精度和性能，所以粉末的价格明显高于丝材。因此激光送丝熔化成形技术具有广泛的发展前景。但是在现阶段，基于丝材的激光熔化沉积法工艺所采用的基本以实心焊丝为主，在这种条件下，陶瓷颗粒相无法通过丝材加入，若要获得陶瓷颗粒增强的金属基复合涂层，需要外加送粉机进行送粉，这样一来，陶瓷粉末材料的利用率也较低，丝材的优势便不能充分充分的发挥。另外，有一些学者进行了粉芯焊丝的激光熔覆研究，该焊丝粉芯填充物大多为纯金属粉或外加其它元素例如碳粉的复合粉末，在激光的作用下，原位形成陶瓷相。但是在激光加工过程中熔池的冷却速度很快，在快速冷却条件下，成分复杂的粉末体系间的冶金反应进行不充分，反而会产生气孔裂纹等缺陷，故这种方法并未在工业领域内获得广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对现有技术在制备颗粒增强金属基复合涂层工艺方面的局限性，提出了一种新的基于管状粉芯丝材激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其加工方法，其创新点在于粉芯填充物作为增强颗粒相，外层管状金属作为基体金属，利用激光作为热源，将该管状粉芯丝材在送丝嘴的帮助下精确送入熔池，形成复合涂层。该方法结合了送丝式及送粉式的优点，不仅材料利用率高可达到100％，熔覆效率高，而且当熔化丝材处于稳定插注过渡时，熔道内增强颗粒分布均匀，基本无太大的烧损，熔道成型良好。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现。管状粉芯丝材，由位于中央位置的填充陶瓷粉末和外层金属组成，外层金属为管状，包裹填充陶瓷粉末。外层金属作为基体金属，如Fe、Ni、Ti、Co。填充陶瓷粉末为陶瓷颗粒和/或合金元素，陶瓷颗粒为WC、TiC、SiC，合金元素为Ti、Ni、V、,Mn、Si、Cr、Co、Al、Cu、B或者稀土元素。陶瓷颗粒和合金元素同时进行使用时，按照需求进行配料即可。丝材直径的范围在1.0mm至3.0mm间，外层金属厚度在0.2mm至0.6mm间。该种材料组合体系实际上是将管状金属层作为金属基体，填充物作为陶瓷颗粒增强相，结合了送粉式和送丝式的优点，在激光的作用下不仅可以形成陶瓷颗粒均匀分布过程稳定柔顺的熔滴过渡过程，而且熔覆效率高，材料利用率高。一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层及其加工方法，按照下述步骤进行：步骤1，设置位置...

【技术保护点】
1.一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，按照下述步骤进行：/n步骤1，设置位置/n激光束由激光器发出，由光纤传输至激光头，在激光头的引导下激光束照射至工件表面形成激光斑点；工件由夹具固定在工作台上，工作台可实现二维运动；保护气通过保护气喷嘴提供，其与工件间的夹角β在30度到60度范围内，送丝嘴与工件间的夹角α在15度到60度范围内；管状粉芯丝材由送丝嘴送至激光头和工件之间，光丝间距小于等于工件表面激光斑点直径的一半且不等于零，管状粉芯丝材与工件间的距离为0—2mm且不等于零；所述管状粉芯丝材，由位于中央位置的填充陶瓷粉末和外层金属组成，外层金属为管状，包裹填充陶瓷粉末；/n步骤2，设置保护气流量、送丝速度、激光功率、激光斑点直径和工作台行走速度；/n步骤3，施焊并保持前向送丝形成连续的稳定插注过渡过程，在高能激光束的作用下，管状粉芯丝材丝材端部与母材熔化，管状粉芯丝材丝材熔化金属与母材的熔化金属形成了液态熔池，管状粉芯丝材由送丝嘴传输不断地插入熔池中，外层金属在激光与熔池的能量下不断熔化维持熔池形貌，填充陶瓷粉末在外层金属熔化后分散在液态熔池中，随着工件向相反的方向移动，管状粉芯丝材平稳过渡最终形成熔覆层。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，设置位置
激光束由激光器发出，由光纤传输至激光头，在激光头的引导下激光束照射至工件表面形成激光斑点；工件由夹具固定在工作台上，工作台可实现二维运动；保护气通过保护气喷嘴提供，其与工件间的夹角β在30度到60度范围内，送丝嘴与工件间的夹角α在15度到60度范围内；管状粉芯丝材由送丝嘴送至激光头和工件之间，光丝间距小于等于工件表面激光斑点直径的一半且不等于零，管状粉芯丝材与工件间的距离为0—2mm且不等于零；所述管状粉芯丝材，由位于中央位置的填充陶瓷粉末和外层金属组成，外层金属为管状，包裹填充陶瓷粉末；
步骤2，设置保护气流量、送丝速度、激光功率、激光斑点直径和工作台行走速度；
步骤3，施焊并保持前向送丝形成连续的稳定插注过渡过程，在高能激光束的作用下，管状粉芯丝材丝材端部与母材熔化，管状粉芯丝材丝材熔化金属与母材的熔化金属形成了液态熔池，管状粉芯丝材由送丝嘴传输不断地插入熔池中，外层金属在激光与熔池的能量下不断熔化维持熔池形貌，填充陶瓷粉末在外层金属熔化后分散在液态熔池中，随着工件向相反的方向移动，管状粉芯丝材平稳过渡最终形成熔覆层。


2.根据权利要求1所述的一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，外层金属作为基体金属，如Fe、Ni、Ti、Co；填充陶瓷粉末为陶瓷颗粒和/或合金元素，陶瓷颗粒为WC、TiC、SiC，合金元素为Ti、Ni、V、,Mn、Si、Cr、Co、Al、Cu、B或者稀土元素；直径为1—3mm，外层金属厚度为0.2—0.6mm。


3.根据权利要求1所述的一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，激光头在机械手臂的带动下进行运动实现调节；保护气喷嘴与工件间的夹角β为30—45度；送丝嘴与工件间的夹角α为30—50度。


4.根据权利要求1所述的一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，激光斑点为圆形，其直径d为3—5mm；激光斑点为正方形时，选择其中心作为园形激光斑点的中心，其边长作为圆形激光斑点的直径，长度为3—5mm。


5.根据权利要求1所述的一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，其特征在于，保护气流为氮气、氦气或者氩气，保护气流量在10L/min到30L/min范围内；激光功率在900W到1300W之间时，送丝速度在1mm/s到7mm/s之间，工作台行走速度在1mm/s到6mm/s之间。


6.一种基于管状粉芯丝材的激光熔化沉积陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的加工方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，设置位置
激...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨立军，赵圣斌，孙涛，许赛，黄一鸣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12