专利名称：一种金属基体表面熔覆合金的方法
技术领域：
本发明涉及属于金属表面处理材料技术领域，尤其是涉及一种金属基体表面熔覆 合金的方法。
背景技术：
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经 激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结 合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而 达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重 元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体 结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广 阔。从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于两个方面一，对材料的表面改 性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明， 修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的 是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快 速抢修难题。三，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形 的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度， 还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。激光熔覆具有以下特点(1)冷却速度快(高达106K/S)，属于快速凝固过程，容 易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；( 涂层稀释率低 (一般小于5% )，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整， 可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；C3)热输入和畸变较小，尤其 是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；(4)粉末选择几乎没有 任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；( 熔覆层的厚度范围大，单道送粉 一次涂覆厚度在0. 2 2. Omm ； (6)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； (7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；(8)工艺过程易于实现自动化。钴基合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。即通常所说 的钴铬钨(钼)合金。钴基合金是以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的 钼、铌、钽、钛、镧等合金元素，偶而也还含有铁的一类合金。根据合金中成分不同，它们可以 制成焊丝，粉末用于硬面堆焊，热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件。按使 用用途分类，钴基合金可以分为钴基耐磨损合金，钴基耐高温合金及钴基耐磨损和水溶液 腐蚀合金。一般使用工况下，其实都是兼有耐磨损耐高温或耐磨损耐腐蚀的情况，有的工况 还可能要求同时耐高温耐磨损耐腐蚀，而越是在这种复杂的工况下，才越能体现钴基合金 的优势。钴基合金的优点(1)钴基合金有优异的抗热腐蚀性能，这可能是因为该合金含铬量较高，这是这类合金的一个特征。适于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气 轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。(2)钴基合金中碳化物的热稳定性较好。 (3)钴基合金有很好的抗热腐蚀性能。钴基合金的不足(1)钴基合金抗氧化能力通常比镍基合金低得多。( 钴基合金 工件的磨损在很大程度上受其表面的接触应力或冲击应力的影响。( 钴基合金中的碳化 物颗粒的大小和分布以及晶粒尺寸对铸造工艺很敏感。(4)含碳越多，宏观硬度加大，抗磨 料磨损性能提高，但耐冲击能力，焊接性，机加工性能都会下降。(5)钴基合金机加工后表面 粗糙度低，具有高的抗擦伤能力和低的摩擦系数，也适用于粘着磨损，尤其在滑动和接触的 阀门密封面上。但在高应力磨料磨损时，含碳低的钴铬钨合金耐磨性还不如低碳钢。钴基合金又分为钴基自熔性合金，钴基非自熔性合金和金属基/陶瓷粉末。(1)钴基自熔性合金自熔性合金粉末是指合金中加入了具有强烈的脱氧作用和 自熔剂作用的Si、B等元素的熔覆用合金材料。在熔覆过程中Si、B等优先与合金粉末中 的氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化，改 善对基体的润湿能力。钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化 性能。耐震、抗蠕变、抗磨损、抗腐蚀性能高，且在使用温度超过800°C时仍能保持较高的硬 度；温度超过1100°C时，虽高温强度下降较大，却仍具有良好的抗氧化性能。自熔型合金粉 末一般均含有一定量的Si和B，其共同的特点是熔覆特性较好，熔覆层表面成型良好，但熔 覆层不能在更高的温度下使用。而且B加剧了合金的偏析程度。(2)钴基非自熔性合金为了提高熔覆层在更高温度下的使用性能，只有使用熔 覆特征及成型较差的、不含有B及含有少量Si的非自熔性粉末。因为不含有B，Si的含量 也比较低，所以其熔点较高，熔覆、造渣性能较差，熔覆过程中对熔池的保护显然没有自熔 性粉末好。熔覆此类合金粉末时，应该注意调整工艺参数，以避免熔覆层中出现表面或者内 部缺陷。(3)金属基/陶瓷复合粉末由于在滑、冲击磨损和魔力磨损严重的情况下，单纯 的镍基、钴基、铁基自熔性合金已不能胜任使用要求，可在上述的合金粉末中加入各种高熔 点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成了金属陶瓷复合涂层甚至纯陶瓷涂 层。复合材料是一种新型的表面强化工程材料，金属与金属、金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷等，合 金粉末之间以及合金粉末与陶瓷之间的搭配的选择范围十分广泛。常用的金属基合金粉末 有铁基、镍基、钴基、铜基等。激光熔覆复合材料粉末按涂层的功能类型可分为一下几类a 耐磨涂层b 耐蚀涂层c 热障涂层d 抗氧化涂层e 生物涂层。熔覆材料的基本要求(1)首先涂层材料应满足特定工作条件下所需要的特殊使 用性能，如耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化。(2)待熔覆的粉末材料与基体的热物理性能应尽可 能的保持一致。( 对于同步送粉式激光熔覆而言，合金粉末应具有良好的固态流动性。激 光熔覆是一般使用普通粒度粉末或粗粉末，粒度范围为50-200微米，以球形颗粒为宜。对 基体材料应具有良好的润湿性，以获得平整光滑的熔覆层。(4)应有良好的造渣、除气、隔气 能力，以防产生夹渣、气孔、氧化等缺陷。( 合金粉末的熔点不宜过高，粉末的熔点越低越 易控制熔覆层的稀释率且液态流动性越好，有利于获得良好的熔覆层。熔覆工艺激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔 覆和同步式激光熔覆。
预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐 照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔 覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末 的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。预置式激光熔覆的主要工艺流程为基 材熔覆表面预处理-预置熔覆材料-预热-激光熔化-后热处理。同步式激光熔覆的主要工艺流程为基材熔覆表面预处理-送料激光熔化-后热 处理。按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方 法、预热和后热处理。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、操作 方便的金属基体表面熔覆合金的方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤在惰性气 体的保护下，采用激光熔覆方法在金属基体表面熔覆单道或多道合金。所述的惰性气体选自高纯氩气或氦气。所述的激光熔覆方法中激光束的输出功率为2. 2-2. 8kW，扫描速度为150_200mm/ min，光斑尺寸为3-6mm，呈高斯分布，熔覆宽度可达10_20mm。所述的金属基体包括碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金或镍基高温合金。所述的合金包括市售Stellite6合金、市售HMSP25^合金、市售HMSP2537合金或 CoCrNiAlY钴基合金。所述的CoCrNiAlY钴基合金中可加入高熔点碳化物、氮化物、硼化物或氧化陶瓷 颗粒，加入量为钴基合金的0. 2-3. Owt%。所述的合金为粉末状、丝状或膏状，优选粉末状球形颗粒，粒度范围50-200 μ m。所述合金的添加方式包括预备粉末法、同步送粉或同步送丝。所述合金熔融后的涂层厚度为10-1000 μ m。与现有技术相比，本发明工艺简单、操作方便，制备得到的金属具有性能优良的熔 敷层，能够满足耐高温磨损、耐高温腐蚀的特殊性能要求，可以用来制造水煤浆气化炉喷 嘴，并且大大提高了水煤浆气化炉喷嘴的使用寿命。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1-10一种金属基体表面熔覆合金的方法，采用不同的金属基体，并将不同的合金熔覆 在金属基体上，金属基体的组成如表1所示，合金组成如表2所示。本实施例采用45钢作 为金属基体，StelliteB作为熔覆的合金。表 1
权利要求
1.一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤在惰性气 体的保护下，采用激光熔覆方法在金属基体表面熔覆单道或多道合金。
2.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的惰 性气体选自高纯氩气或氦气。
3.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的激 光熔覆方法中激光束的输出功率为2. 2-2. 8kW，扫描速度为150-200mm/min，光斑尺寸为 3-6mm，呈高斯分布，熔覆宽度可达10_20mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的金 属基体包括碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金或镍基高温合金。
5.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的合 金包括市售Stellite6合金、市售HMSP25^合金、市售HMSP2537合金或CoCrNiAlY钴基合金。
6.根据权利要求6所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的 CoCrMAlY钴基合金中可加入高熔点碳化物、氮化物、硼化物或氧化陶瓷颗粒，加入量为钴 基合金的0. 2-3. Owt%。
7.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述的合 金为粉末状、丝状或膏状，优选粉末状球形颗粒，粒度范围50-200 μ m。
8.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述合金 的添加方式包括预备粉末法、同步送粉或同步送丝。
9.根据权利要求1所述的一种金属基体表面熔覆合金的方法，其特征在于，所述合金 熔融后的涂层厚度为10-1000 μ m。
全文摘要
本发明涉及一种金属基体表面熔覆合金的方法，该方法包括以下步骤在惰性气体的保护下，采用激光熔覆方法在金属基体表面熔覆单道或多道合金。与现有技术相比，本发明工艺简单、操作方便，制备得到的金属具有性能优良的熔敷层，能够满足耐高温磨损、耐高温腐蚀的特殊性能要求，可以用来制造水煤浆气化炉喷嘴，并且大大提高了水煤浆气化炉喷嘴的使用寿命。
文档编号C23C24/10GK102115882SQ201010022439
公开日2011年7月6日 申请日期2010年1月5日 优先权日2010年1月5日
发明者于治水, 孙明杰, 杨尚磊, 林庆琳 申请人:上海工程技术大学