一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法技术

本发明专利技术公开了一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法。首先，对待修复模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1500‑2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为4～6mm，送粉量为25‑30g/min，搭接量50%；对修复模具表面进行后续机加工，再进行喷砂及超声清洗；放入PVD炉内，进行氩离子清洗，然后打开靶材，通入氮气，沉积PVD硬质膜；获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件，模具表面硬度可达2500HV，耐磨性提高约5倍。

【技术实现步骤摘要】
一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法
本专利技术涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法。
技术介绍
模具被誉为“工业之母”，广泛应用于机械、汽车、航空、军工、能源等领域。模具在服役过程中因受到复杂热力循环作用，易产生磨损、裂纹、疲劳等，导致模具失效，影响产品质量，甚至导致停产，严重造成经济损失。增材再制造技术基于数字模型驱动的金属增材修复技术，可将磨损或失效模具进行修复与升级改造。激光增材再制造技术是当前最流行的绿色再制造技术之一，它以高能束激光为热源，具有热量输入低、稀释小、热影响区小及变形小等特点，在高附加值模具的再制造领域具有广阔的应用前景。通常，在相同的服役环境下，模具修复区在后期服役过程中极可能再次出现磨损等失效情况。因此，有必要对模具修复区进行表面改性处理。物理气相沉积(PVD)涂层具有高的表面硬度、良好的热稳定性和耐磨性，有望有效提高模具的使用寿命，降低生产成本和保证加工产品的质量。但目前在激光增材修复模具钢表面进行PVD涂层强化的研究尚未见报道。本专利技术公开一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法，该方法能在保证模具修复质量的情况下，同时提高修复模具的表面性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法。一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法，包括以下步骤：步骤一：对待修复模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；步骤二：采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为4～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量50%；步骤三：对修复模具表面进行后续机加工，恢复模具尺寸及精度，再进行喷砂及超声清洗；步骤四：将修复模具放入PVD炉内，进行氩离子清洗；步骤五：打开靶材，通入氮气，沉积PVD硬质膜；步骤六：进行模具修复与改性后续处理，退火温度400℃，退火时间2h，获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件。在步骤二中，激光扫描速度V的数值根据P/200≤V≤P/120原则进行选取，其中P为激光功率，单位为W，V的单位为mm/s；合金粉末为混合粉，其中包括质量分数为95%的A100合金钢粉末，3%的纯铬粉与2%的纯铝粉，填充路径为交叉扫描路径。在步骤四中，氩离子清洗工艺参数为：当PVD炉腔内真空度为小于5´10-3Pa时，通入氩气并控制流量在100～300sccm，气压小于0.3Pa，样品温度400～550℃，负偏压550V，轰击时间7～12min。在步骤五中，沉积PVD硬质涂层工艺参数为：真空度调节为0.25～5.8Pa，偏压为-45～-175V，通入氮气，气压为2.2～5.5Pa，温度控制在420～485℃，靶材为AlCr靶，靶材电流75～115A，沉积3.8～5.8h，制得PVD硬质膜层。所述的模具钢，包括冷作模具钢(如Cr12MoV)、热作模具钢(如H13)和塑料模具钢(如40Cr)。本专利技术通过对激光增材修复工艺的严格筛选，获得优化的修复窗口如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为4～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量50%；通过对沉积PVD硬质涂层工艺参数的优化，获得优化的PVD工艺参数如下：真空度调节为0.25～5.8Pa，偏压为-45～-175V，通入氮气，气压为2.2～5.5Pa，温度控制在420～485℃，靶材为AlCr靶，靶材电流75～115A，沉积3.8～5.8h。最后，按上述工艺参数及方法进行增材修复及表面PVD镀膜，获得无冶金缺陷且组织细密的修复试样，并在修复表面获得高性能PVD硬质涂层。本专利技术通过激光增材修复技术对磨损模具进行快速修复，并通过PVD技术在模具表面引入陶瓷涂层，能有效提高修复零件的表面耐磨耐腐蚀性能。附图说明图1为现有方法得到的模具钢修复试样金相图；图2为本专利技术得到的模具钢激光增材修复与PVD涂层强化试样金相图。具体实施方式实施例1以Cr12MoV钢为例。步骤一：对待修复Cr12MoV钢模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；步骤二：采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1700W，扫描速度为17mm/s，光斑直径为5mm，送粉量为26g/min，搭接量50%；步骤三：对修复模具表面进行后续机加工，恢复模具尺寸及精度，再进行喷砂及超声清洗；步骤四：将修复模具放入PVD炉内，进行氩离子清洗；步骤五：进行PVD镀膜，参数如下：真空度调节为2.2～2.5Pa，偏压为-100V，通入氮气，气压为3.6Pa，温度控制在450℃，靶材为AlCr靶，靶材电流95A，沉积4.5～5h；步骤六：进行模具修复与改性后续处理，退火温度400℃，退火时间2h，获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件。图1为采用已有方法所获得的模具钢修复试样金相图。修复模具试样内部结构致密，无明显气孔及裂纹等缺陷，修复区显微结构以较粗大的等轴晶为主，修复区的平均硬度约为478HV。图2为采用本专利技术实施例1所获得的模具钢复合处理试样金相图。修复模具试样不仅内部致密，无明显气孔及裂纹等缺陷，且修复区显微结构以等轴晶为主，晶内具有细小的亚结构组织，修复区的平均硬度为492HV；修复试样表面具有一层明显的白亮涂层，白亮PVD硬质涂层的硬度高达2500HV，显著提高修复表面的耐磨性能。实施例2以H13钢为例。步骤一：对待修复40Cr钢模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；步骤二：采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1900W，扫描速度为17mm/s，光斑直径为4.8mm，送粉量为29g/min，搭接量50%；步骤三：对修复模具表面进行后续机加工，恢复模具尺寸及精度，再进行喷砂及超声清洗；步骤四：将修复模具放入PVD炉内，进行氩离子清洗；步骤五：进行PVD镀膜，参数如下：真空度调节为2.4Pa，偏压为-110V，通入氮气，气压为3.5Pa，温度控制在465℃，靶材为AlCr靶，靶材电流90A，沉积4.5～5h；步骤六：进行模具修复与改性后续处理，退火温度400℃，退火时间2h，获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件，修复区的平均硬度为488HV，表面PVD硬质涂层的硬度2400HV，模具耐磨性能提高约5倍。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：对待修复模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；/n步骤二：采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为4～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量50%；/n步骤三：对修复模具表面进行后续机加工，恢复模具尺寸及精度，再进行喷砂及超声清洗；/n步骤四：将修复模具放入PVD炉内，进行氩离子清洗；/n步骤五：打开靶材，通入氮气，沉积PVD硬质膜；/n步骤六：进行模具修复与改性后续处理，退火温度400℃，退火时间2h，获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件。/n

【技术特征摘要】
1.一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对待修复模具表面进行前处理，包括待修复区机械加工、清洁、喷砂及烘干；
步骤二：采用激光增材修复工艺对模具进行修复，其中工艺参数如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为4～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量50%；
步骤三：对修复模具表面进行后续机加工，恢复模具尺寸及精度，再进行喷砂及超声清洗；
步骤四：将修复模具放入PVD炉内，进行氩离子清洗；
步骤五：打开靶材，通入氮气，沉积PVD硬质膜；
步骤六：进行模具修复与改性后续处理，退火温度400℃，退火时间2h，获得具有高硬、高耐磨表面的模具钢增材修复零件。


2.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与PVD涂层强化方法，其特征在于：在步骤二中，激光扫描速度V的数值根据P/200≤V≤P/120原则进行选取，其中P为激光功率，单位为W，V的单位为mm/s。


3.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与PV...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖辉，肖文甲，谢盼，康海燕，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44