激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的方法技术

一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的方法，其方法步骤为：(1)先将高熔点、高硬度的陶瓷相装入自动送粉器的装料斗内；(2)防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；(4)其移动的距离为激光光斑直径的80～20％；(5)工作结束。本发明专利技术的优点是：(1)陶瓷相在基材内的注入深度大、体积百分含量高，金属陶瓷涂层与基材的化学成分呈平缓梯度过渡，陶瓷相在激光感应复合熔注过程中的烧损小，获得的金属陶瓷涂层具有组织致密、硬度高、韧性好、耐磨损、无气孔和裂纹等一系列优异性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备金属陶瓷涂层的方法，尤其涉及一种。
技术介绍
在具有一定塑性的基材表面制备高硬度与高耐磨等性能的金属陶瓷涂层，既可以充分发挥基材的塑性与韧性优势，也可以充分利用金属陶瓷涂层的高硬度与高耐磨性能， 从而大幅度提升基材的整体性能(高强度、高韧性、高硬度及高耐磨性能的结合)。因此，金属陶瓷涂层制备技术在耐磨损构件的制造与关键零部件的表面强化与修复等领域具有广阔的应用前景。目前，制备金属陶瓷涂层的技术主要有热喷涂、热喷焊、堆焊、激光熔覆、激光熔注等。其中，热喷涂技术具有工艺成熟、操作简单、施喷环境宽泛及效率高等优点，但涂层与基材呈机械结合，在使用的过程中易剥落。热喷焊技术可以有效改善喷涂时结合力低的缺点，但由于火焰温度低及加热时间长，使粘结金属与陶瓷相的交互作用时间过长，导致陶瓷相在喷焊过程中烧损严重，耐磨功能相的硬度严重降低，从而降低了涂层的硬度与耐磨损性能，因此应用受到限制。基于高能束热源的堆焊技术(等离子弧堆焊、电子束堆焊等)为制备金属陶瓷涂层注入了新的活力，该技术可提高焊接效率，提高堆焊层结合强度。但是， 由于热源的输入功率较大，不但使陶瓷相发生大量的烧损，导致涂层的硬度与耐磨性降低， 而且容易使涂层的稀释率与基材的热影响区变大，导致基材发生严重的变形；激光熔覆是目前制备金属陶瓷涂层的一种常用方法，相对于热喷涂、热喷焊与堆焊而言，其具备以下优点组织致密、稀释率低、粘结金属与陶瓷相选择范围广、基材热影响与热变形小、涂层与基材呈结合强度高的冶金结合。但是，激光熔覆效率低与熔覆层易产生裂纹的问题极大地限制了激光熔覆技术的工业化应用。激光熔注技术是近年来发展起来的一种新兴表面强化技术，它是利用激光束熔化金属基材表面的同时，将陶瓷相颗粒注入到激光熔池内，当激光束扫描过后，注入的陶瓷相颗粒并没有完全熔化，而是以固态粒子的形式被“冻结”起来，从而形成金属陶瓷涂层的工艺。与激光熔覆技术相比，该技术最大的优势是能够在一些可焊性差而又缺乏其它表面强化手段的钛合金、铝合金与镁合金表面注入wc、SiC与TiC等陶瓷相颗粒，形成金属陶瓷涂层。但是，该技术也存在激光熔注效率低、陶瓷相含量低与注入的深度小、金属陶瓷涂层易产生气孔与裂纹等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该方法能够解决常规激光熔注时基材对激光反射率高而导致熔注效率低、陶瓷相注入深度小与体积百分含量低以及金属陶瓷涂层易开裂等问题。它的基本原理是利用感应加热线圈在基材表面产生的集肤效应，使基材表面在短时间内被加热到红热状态，然后将激光束与4粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，同时将陶瓷相颗粒直接注入到激光感应复合熔注热源在基材表面形成的熔池内，当激光感应复合熔注热源移开后，注入的陶瓷相颗粒并没有完全熔化而是以固态粒子的形式被“冻结”起来，从而形成金属陶瓷涂层。可见，采用激光感应复合熔注的方法制备的金属陶瓷涂层，其粘结金属为基材本身。本专利技术是这样来实现的，其特征是方法步骤为(1)先将高熔点、高硬度的陶瓷相装入自动送粉器的装料斗内，然后将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在2 IOmm内，通入电流至感应加热线圈，并通过感应加热电源调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为 300 1000°C，同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将陶瓷颗粒注入激光感应复合熔注热源在基材表面形成的熔池内，当激光感应复合熔注热源移开后，未完全溶解的陶瓷相颗粒在熔池内而形成金属陶瓷涂层；(4)当激光感应复合熔注完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床， 其移动的距离为激光光斑直径的80 20% ；(5)检测金属陶瓷涂层的面积是否达到预期的要求，如果没有，重复步骤 0)- )，直到金属陶瓷涂层达到所要求的面积；否则，工作结束。所述的金属陶瓷涂层由粘结金属与陶瓷相组成，其中，粘结金属为基材本身，如镍基高温合金GH4133与Rene，88DT，钛合金Ti6A14V、TC4与TC17等，铝及铝合金ZL102与 LY12，钢铁材料A3钢与4Cr5W2SiV模具钢，镁合金AZ91D与AZ91HP ；陶瓷相为高硬度、高熔点的氧化物如Al2O3与、碳化物如WC、SiC与TiC、硅化物如MoSi2与CoSi2或金属间化合物如 NiAl、TiAl 与 FeAl。所述在步骤O)时，感应加热电源为高频或超音频感应加热器，感应加热功率为 10 200kW，感应加热频率为30 90kHz。所述在步骤(3)时，激光束采用(X)2激光、Nd: YAG激光或光纤激光，激光感应复合熔注过程中，激光功率为1 10kw，激光束光斑直径为2 20mm，激光扫描速度为1 15m/ min，粉末喷嘴与基材表面法向间的夹角为30 70°，粉末喷嘴与基材表面的垂直距离为 8 15mm，粉末流量为1 20kg/h。所述在步骤时，沿激光扫描速度的垂直方向(Y轴方向)移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的80 20%，从而控制连续两道次间的搭接率为20 80%。所述在步骤(3)时，激光束定位于感应线圈的中心，从而实现感应加热时激光热源与感应加热源的复合，为了提高感应加热效率，感应线圈上安装有专用导磁体。实现激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置包括计算机、激光器、导光系统、激光头、聚焦系统、粉末喷嘴、双斗自动送粉器、感应加热线圈、感应加热电源、数控机床、基材、导磁体、导气管，其特征是计算机分别连接数控机床、感应加热电源和激光器，激光器连接激光头，数控机床上表面放置有基材，基材上表面放置有感应加热线圈，基材的表面与感应加热线圈之间的距离在2 10mm，感应加热线圈连接感应加热电源，激光头侧壁固定连接粉末喷嘴，粉末喷嘴与基材法向的夹角为30-70°，粉末喷嘴的末端与基材表面垂直距离为10-15mm，激光头和粉末咂嘴在感应加热线圈上方，感应加热线圈两侧设有导磁体，粉末喷嘴末端连有双斗自动送粉器，激光头内依次连有导光系统和聚焦系统，激光头顶端侧壁连有导气管，感应加热线圈上有溶池。本专利技术的优点是(1)陶瓷相在基材内的注入深度大、体积百分含量高，金属陶瓷涂层与基材的化学成分呈平缓梯度过渡，陶瓷相在激光感应复合熔注过程中的烧损小，获得的金属陶瓷涂层具有组织致密、硬度高、韧性好、耐磨损、无气孔和裂纹等一系列优异性能。(2)在预热的同时进行激光熔注，使得激光束的能量主要用于熔化基材表面，大幅度提高了激光能量的利用率与激光熔注的效率。此外，陶瓷相颗粒与激光束相互作用的时间很短，陶瓷相颗粒进入熔池后仍是固相粒子，从而最大程度上保持了陶瓷相颗粒高硬度的特征，可以大幅度提高涂层的硬度与耐磨性能。(3)激光熔注每一道时都经过了感应预热处理，大幅度降低了激光熔注过程中的温度梯度，而且金属陶瓷涂层的粘结金属是基材本身，可以将涂层与基材的界面应力降低到最小程度，从而获得组织致密且无裂纹的金属陶瓷涂层。 (4)与常规激光熔注制备金属陶瓷涂层的方法相比，激光感应复合熔注的速度提高了 2 30倍，陶瓷相颗粒的熔注深度提高了 1 5本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的方法，其特征是方法步骤为：（１）先将高熔点、高硬度的陶瓷相装入自动送粉器的装料斗内，然后将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；（２）将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在２～１０ｍｍ内，通入电流至感应加热线圈，并通过感应加热电源调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为３００～１０００℃，同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；（３）将聚焦激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将陶瓷颗粒注入激光感应复合熔注热源在基材表面形成的熔池内，当激光感应复合熔注热源移开后，未完全溶解的陶瓷相颗粒在熔池内而形成金属陶瓷涂层；（４）当激光感应复合熔注完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的８０～２０％；（５）检测金属陶瓷涂层的面积是否达到预期的要求，如果没有，重复步骤（２）－（４），直到金属陶瓷涂层达到所要求的面积；否则，工作结束。

【技术特征摘要】
1.一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的方法，其特征是方法步骤为(1)先将高熔点、高硬度的陶瓷相装入自动送粉器的装料斗内，然后将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在2 IOmm内，通入电流至感应加热线圈，并通过感应加热电源调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为300 1000°C，同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将陶瓷颗粒注入激光感应复合熔注热源在基材表面形成的熔池内，当激光感应复合熔注热源移开后，未完全溶解的陶瓷相颗粒在熔池内而形成金属陶瓷涂层；(4)当激光感应复合熔注完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的80 20% ；(5)检测金属陶瓷涂层的面积是否达到预期的要求，如果没有，重复步骤0)- )，直到金属陶瓷涂层达到所要求的面积；否则，工作结束。2.根据权利要求1所述的一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的方法，其特征是所述的金属陶瓷涂层由粘结金属与陶瓷相组成，其中，粘结金属为基材本身，如镍基高温合金GH4133与Rene，88DT，钛合金Ti6A14V、TC4与TC17等，铝及铝合金ZL102与LY12， 钢铁材料A3钢与4Cr5W2SiV模具钢，镁合金AZ91D与AZ91HP ；陶瓷相为高硬度、高熔点的氧化物如Al2O3与、碳化物如WC、SiC与TiC、硅化物如MoSi2与CoSi2或金属间化合物如 NiAl、TiAl 与 FeAl。3.根据权利要求1所述的一种激光感应复合熔注快速制备金属陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：周圣丰，戴晓琴，刘光明，杜楠，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：36