一种超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的测试方法技术

本发明专利技术是一种测试超高速激光熔覆涂层与基体之间结合强度的方法。针对极薄的超高速熔覆涂层与基体结合强度测试难度大的问题，开展超高速激光熔覆涂层工艺、结构设计，借助自制夹具辅助完成结合强度的测试。在基体表面制备多层超高速激光熔覆涂层，在保证超高速熔覆涂层的高度达到3mm以上，再使用传统激光熔覆技术将涂层总高度增加至与基材厚度相近。采用机械加工方法，获得一定尺寸的拉伸样品，并设计便于在万能试验机上装夹的夹具，用于连接试样和试验机，最后在万能试验机上进行拉伸试验，根据拉断位置和拉伸强度曲线分析涂层与基体的结合强度。的结合强度。的结合强度。

【技术实现步骤摘要】
一种超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的测试方法


[0001]本专利技术属于表面工程领域，涉及超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的测试方法。

技术介绍

[0002]激光熔覆是通过在基体材料表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基材表面形成与其为冶金结合的熔覆涂层。该技术可以实现在价格低廉的基材表面制备一层高性能的熔覆涂层，赋予基材新的性能。通过激光熔覆对零件的表面进行改性处理不仅可以缩短制造周期，而且对稀有金属也起到了节约保护的作用。关于激光熔覆的研究起源于20世纪70年代，经过四十多年的发展，该技术已经取得了巨大的发展。通过激光熔覆技术制备的涂层有着诸多的优点，如：激光熔覆过程有着极快的冷却速度，这就导致涂层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀性能也比较好。激光熔覆技术加工灵活，不受零件表面形状的影响，可以实现零件复杂表面和难加工位置的修复和强化。但是由于激光熔覆的加工效率不高，一直制约着该技术在工业上的大范围应用。
[0003]为了提高激光熔覆的加工效率，超高速激光熔覆是继激光熔覆发展而来的一项新的技术。超高速激光熔覆将粉末的交汇位置上调至熔池的上方，激光束先将交汇的粉末熔化，透过粉末的剩余激光用于对基体的加热，激光的能量更多的用于加热粉末，极大的提高了熔覆过程中的沉积速率。更少的激光作用于基体，使得基体的热影响区减小，稀释率降低。虽然超高速激光熔覆继承了传统激光熔覆的诸多优点，且提高了熔覆的效率，但是极低的稀释与扩散势必会降低涂层与基体的结合强度。
[0004]超高速激光熔覆技术形成的界面结构在使用过程中将面对复杂、苛刻的热、力和摩擦力等服役条件，在实际服役过程中界面结构一旦失效都将影响整个构件的使用，这对于零部件来讲，将影响工业生产的进度，停滞的生产进度也将产生巨大的经济损失，所以开展超高速激光熔覆涂层与基体界面结合强度研究对其推广应用具有重要意义。
[0005]由于激光熔覆与基体之间形成了较强的冶金结合，一般的胶带法对涂层抗拉强度的测试会受到胶带粘结强度的限制，而单测试涂层的抗剪切强度又不能全面的反应涂层与基体的结合强度。为此通过传统激光熔覆加大涂层的厚度，以方便制备拉伸试样。传统激光熔覆拥有跟高的稀释率，因此加厚涂层之间的结合强度要大于超高速激光熔覆涂层与基体的结合强度，但是要保证传统激光熔覆的热影响区不会影响到第一层超高速激光熔覆涂层与基体的结合区域。此方法测试涂层的结合强度相比较其他的方法更加直观，具有说服力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的提出了一种测试超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的方法，采用厚度为11~12.5mm的板状基体样品，首先在基材表面上采用超高速激光熔覆技术通过多层多道熔覆制备3mm以上的熔覆涂层，其中选择三种超高速激光熔覆的工艺参数，为超高速激光熔
覆产品工艺参数的选择提供参考。然后采用传统激光熔覆技术将涂层厚度增加至与基体厚度相近，然后通过磨床、线切割制备一半基体一半熔覆层的拉伸薄片。拉伸薄片的尺寸厚度为0.75~1mm；宽度为5~7.5mm；总长为22~25mm。借助自制的夹具在拉伸试验机上进行测试。通过万能拉伸试验机得到的拉伸曲线，分析出涂层与基体的结合强度，该方案工艺简单。实验数据更加直观。
[0007]本专利技术通过以下步骤实现涂层与基体结合强度的测试。
[0008]前期准备：将基体用于熔覆的端面用酒精清洗，去除油污，将用于熔覆的粉末放入干燥箱中干燥2h。
[0009]熔覆：（1）使用往复运动装置，配合超高速激光熔覆送粉头，采用多层熔覆，制备高度为3mm以上的熔覆涂层。（2）使用传统激光熔覆送粉头，采用多层熔覆。将熔覆涂层加厚至高出基体厚度0.5mm左右。
[0010]机加工处理：(1)使用磨削装置将涂层的厚度磨至与基体等厚。(2)用线切割装置切取厚度为0.75~1mm的薄片试样。
[0011]夹具的制备：选用长100mm宽30mm高6mm的板状材料，使用线切割设备制备夹具，夹具与试样的配合为间隙配合，间隙为0.1mm左右。将切下的余料沿横向均分成两块小薄片，用作在做拉伸试验时用作压紧试样（夹具与试样的连接如图2所示）。
[0012]拉伸：将两块夹具固定在拉伸试验机的两端，中间用试样连接并用薄片压紧。进行拉伸试验，得到试样的拉伸曲线。
[0013]分析：观察拉断位置，分析拉伸曲线。（1）断裂面位于超高速激光熔覆涂层和基体的结合面，则拉伸曲线的强度极限σ
b
正是超高速熔覆涂层与基体的结合强度。（2）断裂面位于基体内，则拉伸曲线的强度极限σ
b
为基体的拉断强度，而超高速涂层与基体的结合强度要高于基体的拉断强度。（3）断裂面位于涂层内，则拉伸曲线的强度极限σ
b
为涂层间的结合强度。而超高速激光熔覆涂层与基体的结合强度要高于涂层之间的结合强度。
[0014]本专利技术提供一种可以准确的测试超高速激光熔覆层与基体结合强度的方法，实验方法简单，实验结果更加直观。对于超高速激光熔覆涂层的服役寿命提供重要的参考数据。
[0015]本专利技术提供了三种不同的超高速激光熔覆的工艺参数,为超高速激光熔覆产品工艺参数选择提供参考。优选的：激光功率为800~1000W；扫描速度为200~300mm/s；送粉速度为3.5~4r/min；激光光斑为圆形光斑，直径为1mm；搭接率为70%以上（具体实例参数如图1所示）；并且本专利技术根据国家标准拉伸件设计了三种不同尺寸的拉伸试样。
[0016]在多层熔覆过程中，超高速激光熔覆层的厚度为0.4~0.6mm，普通激光熔覆层的厚度为1.2~1.5mm。
附图说明
[0017]图1为三个拉伸试样的尺寸图。
[0018]图2为拉伸示意图。
实施例
[0019]下面结合实例对本测试方法进行进一步的说明。
[0020]本实例采用45钢作为基体，熔覆材料采用商业粉Ni60。使用往复运动装置，配合超
高速激光熔覆送粉头，采用多层熔覆，制备超高速激光熔覆涂层。超高速激光熔覆的工艺参数如下：激光功率800~1000W，扫描速度200~300mm/s，送粉率4r/min，搭接率70%。实施例中选择三种不同的工艺参数如表一所示，研究激光功率和扫描速度对结合强度的影响。超高速激光熔覆涂层的厚度为3mm左右。传统激光熔覆的工艺参数如下：激光功率1800W，扫描速度7mm/s，送粉率1.5r/min，搭接率50%，采用传统激光熔覆将涂层加厚至10~14mm。后续试样的制备在磨床和线切割设备上进行。
[0021]所有试样均为图2所示统一尺寸，每一个尺寸的试样均通过表一中三种不同的工艺参数制备三个薄片拉伸试验。每一个尺寸的试样均对应一个拉伸夹具，夹具与试样之间的配合间隙应保持在0.1mm左右。
[0022]实验结果分析：根据万能拉伸试验机上得出的拉伸曲线和试样的断裂位置分析涂层的结合强度。采用该方法测试的涂层的结合强度更加直观。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明是一种用于测试超高速激光熔覆涂层和基体结合强度的方法，其特征在于首先基材上采用多层多道熔覆，制备大于3mm的超高速激光熔覆涂层，由于超高速熔覆涂层的涂层厚度较小，为了获得更厚涂层，采用传统激光将熔覆技术将涂层增高到与与基材厚度相近，最后通过磨床、线切割设备加工出一半基体材料一半熔覆层的薄片试样;试样的尺寸为国家标准拉伸件各尺寸的等比例缩小；设计两块夹具辅助微小尺寸样品拉伸试验的进行;最后采用万能试验机对上述样品进行拉伸实验，根据试样的拉断位置和拉伸强度曲线判断出界面的结合强度。2.如权利要求1所述的一种用于超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的测试方法，其特征在于;试样的尺寸为国家标准拉伸件尺寸的等比例缩小。3.如权利要求1所述的一种用于超高速激光熔覆涂层与基体结合强度的测试方法，其特征在于，超高速激光熔覆涂层的高度应在3mm以上，避免通过传统激光熔覆增厚时，传统激光熔覆的热输入影响到超高速激光熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洋，刘进，谭娜，王浩，王琳宁，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：