专利名称：一种基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法
技术领域：
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种用于激光表面熔覆制备表面熔覆层的技术，特指一种通过在金属表面基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法。
背景技术：
据发达国家统计，每年因腐蚀、磨损、疲劳等原因造成的损失约占国民经济总产值的3％～5％，我国每年因腐蚀造成的直接经济损失达200亿元。我国有几万亿元的设备资产，每年因磨损和腐蚀而使设备停产、报废所造成的损失都逾千亿元。磨损在零件表面发生，腐蚀从零件表面开始，疲劳裂纹由表面向内延伸，老化是零件表面与介质反应的结果，即使变形，也表现为表面相对位置的错移。所以“症结”都是表面问题。因此，利用表面工程技术，在基体表面生成一层性能优异并与基体材料牢固结合的熔覆层，是解决上述问题的有效手段。激光表面熔覆是金属表面制备熔覆层常用的方法。由于激光熔覆技术具有巨大的发展潜力，并能产生较大的经济效益，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。早在70年代末，美国AVCO公司就汽车发动机许多易磨损件进行了激光熔覆技术的研究，并获得了激光熔覆的美国专利(United States Patent 3952180)。我国激光熔覆技术的研究始于80年代初，近年来研究工作十分活跃，并产生了一批相关专利，如申请号98101293.0、92108749.7、03136919.7、200310108499.X、92114666.3、03125212.5等。
以上所研究的激光熔覆主要集中在熔覆及其相关设备，其熔覆层所用合金或复合材料基本在涂覆前配制，熔覆层的性能不能根据零件表面各部位的性能要求进行成分和微观结构设计。
发明内容
本发明提出一种基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法，其可根据零件表面各部位的性能要求进行成分和微观结构设计的不足，从而获得多元混杂复合表面熔覆层。
实现本发明的目的技术方案是首先根据金属基体表面的性(功)能要求，进行二维平面网格造型，再利用数控系统按各部位的要求送相应成分的粉料，并通过选择光斑直径、功率、扫描方式等激光熔覆工艺参数控制各部分的熔覆宽度和熔覆量。
本发明基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法，包括以下各步骤第一步，首先通过失效分析，有针对性地研究失效机理及其变化规律，在此基础上进行表面微结构(性能)设计及优化。
第二步，根据金属基体表面各部位的性(功)能要求，利用数控系统进行二维平面网格造型，网格夹角为15°～90°，并确定各部位熔覆材料的成分、熔覆宽度和熔覆量；第三步，对金属表面进行清理，必要时可喷砂处理；第四步，根据第一步确定的要求，选择各部位熔覆材料和工艺，进行熔覆处理，通过多元复合的协同效应，对零件表面进行性能拟合，在工件工作表面上形成一系列与性能要求优化匹配的、并具有一定成分、密度(间距)、宽度、厚度、角度及形状的涂层网格，发挥各网格的特性和网格间的协同效应，使整个表面涂层的性能特点接近理想的性(功)能要求。
本发明不仅可用于金属零件的表面改性，而且可用于剩余寿命的失效、报废零部件的再制造，延长产品的使用寿命、减少环境污染、节约能源和资源。
本发明的优点是将零件表面的失效分析理论、计算机数控技术与激光熔覆技术进行综合运用，克服传统的激光表面熔覆技术不能根据零件表面各部位的性能要求进行成分和微观结构设计的不足，从而获得多元混杂复合表面熔覆层。
1.对待处理表面进行失效分析，优化设计表面二维网格和各微区的熔覆成分，使整个熔覆层的工作状态可接近理想的性(功)能要求；2.激光束进行后一道网格熔覆时所产生的热效应对前一道网格起到后热处理作用，有利于其内应力的减小或消除，改善熔覆层的质量和结合强度；3.利用激光束熔覆形成与零件表面服役条件相匹配的、连续、均匀的多道(种)功能网格，各道网格承担相应的作用，以满足零件的性(功)能要求；4.各个微观单元的成分、宽度、形貌、分布密度便于调整，可大幅度调整熔覆层的性能。
图1是45钢基体上熔覆具有减摩和“自适应性”耐疲劳磨损的表面熔覆层示意图；图2是内燃机汽缸的再制造表面熔覆与汽缸磨损特性相匹配熔覆层示意图。
图1中1为固体润滑网格单元，2为“自适应性”耐疲劳磨损网格单元，3为基础熔覆单元，4为固体润滑网格交汇点，a、b、c为各网格单元的宽度，α为网格夹角。
图2中I为缸套内表面上止点附近区，II为冲程中部区，III为缸套下部区；5为固体滑网格单元，6为基础熔覆单元，7为固体润滑网格交汇点；d、e为各网格单元的宽度，α1和α2为I区和II区网格夹角。
具体实施例方式
下面利用实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例的制备过程为在表面失效理论分析的基础上，进行二维网格造型和各微区熔覆层成分优化，利用计算机数控技术控制激光束和待处理工件的相对运动，对待处理表面进行激光照射，同时将配制好的粉末喷向待处理表而，获得与零件表面服役条件相匹配的网格化多元混杂复合熔覆层。
实施例一.
金属基体45钢，表面网格造型如图1所示，夹角α为20°～90°。图中1为固体润滑网格单元，采用MoS2为固体润滑相，Ni基自熔合金为黏结相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成与润滑性能优化要求相匹配的并通过交汇点4相互连通的连续、均匀、纵横交错的固体润滑网络；图中2为“自适应性”耐疲劳磨损网格单元，粉末成分为Ti-50％atNi；图中3为基础熔覆单元，采用粒度为14μm的SiCp为硬质相，Ni基自熔合金为基体相，SiCp不低于10％vol，此单元所占面积不小于50％。激光熔覆参数为激光功率1.5～3KW、光斑直径2～5mm、扫描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。
实施例二.
本实施例为磨损失效内燃机汽缸的再制造，参见图2。将因磨损失效内燃机汽缸内表面进行清理，必要时可磨去一薄层。根据汽缸套表面工作长度上的磨损情况，缸套内表面上止点附近区I磨损最严重，冲程中部区II次之，下部区III最轻。因此，熔覆网格亦按三个区域设计，如图2所示，夹角α为20°～70°。其中5为固体滑网格单元，采用MoS2为固体润滑相，Ni基自熔合金为黏结相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成与润滑性能优化要求相匹配的并通过交汇点7相互连通的连续、均匀、纵横交错的固体润滑网络，I区的网格夹角α1和间距a小于II区的网格夹角α2和间距b；6为基础熔覆单元，采用粒度为14μm的SiCp为硬质相，Ni基自熔合金为基体相，SiCp不低于10％vol，I区成分中SiCp高于II区和III区。激光熔覆参数为激光功率1.5～3KW、光斑直径2～5mm、扫描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。熔覆层厚度依缸套磨损情况和技术要求确定，如磨损过大，可在低层先熔覆一层Ni基合金。
权利要求
1.基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法，其特征是首先根据金属基体表面的性或功能要求，进行二维平面网格造型，再利用数控系统按各部位的要求送相应成分的粉料，并通过选择光斑直径、功率、扫描方式等激光熔覆工艺参数控制各部分的熔覆宽度和熔覆量。
2.根据权利要求1所述的基于二维造形的多元混杂表面熔覆层的制备方法，其特征是第一步，首先通过失效分析进行表面微结构或性能的设计及优化；第二步，根据金属基体表面各部位的性或功能要求，利用数控系统进行二维平面网格造型，网格夹角为15°～90°，并确定各部位熔覆材料的成分、熔覆宽度和熔覆量；第三步，对金属表面进行清理，必要时可喷砂处理；第四步，根据第一步确定的要求，选择各部位熔覆材料和工艺，进行熔覆处理，在工件工作表面上形成一系列与性能要求优化匹配的、并具有一定成分、密度、宽度、厚度、角度及形状的涂层网格。
全文摘要
本发明属于表面工程技术领域，特指一种通过在金属表面进行二维造形制备多元混杂表面熔覆层的方法。其特征在于首先根据金属基体表面的性(功)能要求，进行二维平面网格造型，再利用数控系统按各部位的要求送相应成分的粉料，并通过激光熔覆工艺参数控制各部分的熔覆宽度和熔覆量。本发明的优点是将零件表面的失效分析理论、计算机数控技术与激光熔覆技术进行综合运用，克服传统的激光表面熔覆技术不能根据零件表面各部位的性能要求进行成分和微观结构设计的不足，从而获得与零件表面服役条件相匹配的网格化多元混杂复合熔覆层，使整个熔覆层的工作状态接近理想的性(功)能要求，满足零件表面的功能特性。
文档编号B23K26/34GK1814861SQ20061003862
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月6日 优先权日2006年3月6日
发明者戈晓岚, 张永康, 蔡兰 申请人:江苏大学