以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法

专利名称：以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，尤其涉及ー种利用混合粉末为原料进行激光熔覆得到表面复合涂层的方法，属于激光熔覆高性能涂层技术领域。
背景技术：
激光熔覆技术经过30多年的发展，随着激光制造成本的降低以及大功率激光器在材料加工方面的潜在应用，已成为制备复合涂层的关键技术之一。激光熔覆技术通常是将按一定比例配制好的单质或化合物粉末，直接引入激光熔池得到复合涂层。按粉末材料的引入方式可分为预置法和同步送粉法。所谓预置法是将待熔覆的ー种或若干种粉末材料用一定方法灵活地制成所需形状后置于基体材料(以下简称基材)表面，再用激光辐照预置层使之熔化并同时使基材表层很小部分熔化，熔覆材料熔液和基材表层熔液混合再凝固形成牢固的熔覆层。同步送粉法是将粉末材料和激光同时加入到基材表面同一区域，粉末材料和基材表面吸收光能熔化产生激光熔池，从而形成熔覆层。从目前国内外研究现状来看，激光熔覆技术的应用以提高基材表面的耐磨耐蚀性、高温抗氧化性以及生物相容性等性能为目标，即主要用于表面涂层的制备，而表面涂层大多又以复合涂层等多相涂层的制备为主，这就需要能够输送两种或两种以上粉末的高精度同步送粉器，但现有的同步送粉器由于送粉机械结构本身的缺陷，在需要输送两种(或两种以上)粉末或较小粒度粉末时均很难达到技术要求，且在熔覆过程中存在粉末浪费严重、涂层质量不高等不足，因而在激光熔覆制备复合涂层研究領域鲜有应用；再者，通过预置法研制新的激光熔覆用粉末，不但简单方便而且经济实用，而有关激光熔覆的专用粉末目前在国内外市场上也并不多见，究其原因主要是没有成熟的预置粉末方法。众所周知，由于预置法基本不受粉末种类和粉末粒度大小的限制，可以灵活方便地向熔池中添加所需粉末，因而在激光熔覆制备复合涂层研究領域应用甚为广泛国内最早从事激光熔覆的华中理工大学(现华中科技大学)等单位于1992年申请了国内第一篇关于激光熔覆制备复合涂层的发明专利，该专利CN1081721A于1994年公开了ー种在金属表面激光熔覆耐磨层的方法，在该方法中采用的粉末供给方式就是预置法；时至今日，广州有色金属研究院2010年在专利CN101818343A中公开了ー种含有球形碳化钨复合涂层的激光熔覆方法，该方法同样采用了预置粉末激光熔覆法。在此将近20多年时间里，专利CN1456707公开了ー种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层及制备方法；专利CN1600891公开了ー种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料；专利CN1786272公开了ー种激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法；专利CN1778989A公开了ー种激光熔覆原位合成制备生物陶瓷复合涂层的方法；专利CN100406170C公开了ー种TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法；专利CNCN101705410A公开了ー种激光熔覆用耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷。从以上专利同样可以看出，激光熔覆制备复合涂层等复合涂层采用的粉末供给方式大多是预置法，但这些专利均没有给出专门的预置方法；专利CN101158039A公开了ー种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，由于压片法对粉末的自粘接性要求较高，对于自粘接性较差的粉末材料，则需施加较大的压カ才有可能成型，而压カ过大在一定程度上将破坏原始材料的固有性能。因此，到目前为止，满足粉末利用率高、对粉末种类和粒度适用范围宽等要求的粉末预置方法还很少见诸报道，这在很大程度上制约了该项技术在工程界的技术开发和广泛应用。

发明内容
针对现有激光熔覆技术难以满足复合涂层制备以及熔覆过程粉末利用率低、涂层质量不高等缺陷，本发明提供ー种可推广的粉末利用率高、对粉末种类和粉末粒度适用性强的挤压预置粉末法进行激光熔覆得到复合涂层的方法。本发明提供的方法是这样的先用传统打磨或特种加工等方法将待熔覆基材表面进行处理，并辅之以丙酮和无水こ醇清洗除去基材表面的油污，再用粘接剂溶液将称取好一定比例的粉末搅拌均匀混合成膏状或糊状，置于挤压模具中，然后施加一定的压カ压制成所需要的形状预置层在基材表面，将预置层试样自然晾干或置于真空干燥箱中在80 100°C温度下加热硬化I 2h，以形成紧实的预置层。本发明的具体技术方案是一种以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，包括下列エ艺步骤
A、对需要熔覆复合涂层的基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将待熔覆粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成糊状或膏状，并以挤压的方式将待熔覆粉末以条状形式预置在基材的表面；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在80 100°C下真空加热硬化I 2h，以形成预置层；
D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层。所述步骤A中的打磨是传统的打磨处理或者特种加工处理。所述步骤B中的待熔覆粉末是由两种或两种以上单质元素或者化合物粉末组成的混合粉末。所述步骤B使用的粘接剂是有机粘接剂或者无机溶胶。所述有机粘接剂用量占预置层总质量的2 10%，如质量百分比浓度为3 8%的聚こ烯醇水溶液等。所述无机溶胶的用量占预置层总质量的2 10%，如ニ氧化钛溶胶、ニ氧化硅溶胶
等ο 所述步骤B的待熔覆粉末条状是先在基材表面预置一条后进行步骤C和D的操作，再预置另一待熔覆粉末条状且与前一条状搭接，然后进行步骤C和D的操作，如此反复，直至整个基材表面附着复合涂层。所述步骤B的待熔覆粉末条状是以条状依次排列并搭接在整个基材表面后，再进行步骤C和D的操作，使基材表面附着复合涂层。
所述待熔覆粉末条状之间的搭接率为5 70%。所述步骤B的待熔覆粉末条状的截面形状为圆形、梯形或者矩形。所述步骤D中的保护气氛为氮气、氩气、氦气中的ー种或几种。保护气氛在该エ艺中主要起两种作用①保护预置层不被氧化；②作为预置层的反应气体參加高温化学反应，以便和预置层中的某些元素化合反应后形成新的化合物。
本发明与其它激光熔覆粉末供给方法相比具有下列优点和有益效果
(1)本发明方法不存在粉末损失情况，粉末利用率极高，而激光熔覆技术所用粉末一般较为昂贵，这在很大程度上提高了该技术的经济性；
(2)本发明方法完全不受粉末种类和粉末粒度的限制，且预置过程不改变粉末原始粒度，为开发激光熔覆专用粉末奠定了良好的エ艺基础；
(3)通过调整挤压模具挤压头截面形状和尺寸可以灵活地控制预置层形状尺寸，从而为各种机械零件表面修复和改性提供エ艺基础，对推动激光熔覆技术在工程上的应用具有十分重要的意义；
本发明提出的方法具有对熔覆粉末种类和粉末粒度适用范围宽、粉末利用率高、成本低廉、エ艺简単、控制简便等优点，不仅适用于激光熔覆复合涂层的实验室研究，还适用于形状复杂、技术要求高的金属零件表面激光熔覆复合涂层工程领域。


图I是本发明制作预置层的挤压模具结构示意 图2是实施例I熔覆有复合涂层的方形基材结构示意 图3是实施例2熔覆有复合涂层的柱形基材结构示意 图4是实施例3熔覆有复合涂层的复杂曲面结构示意 图中，Ia为挤压杆，Ib为挤压活塞，Ic为糊状或膏状的待熔覆粉末，Id所示为不同截面形状的挤压头；2a为方形基材，2b为成形后与方形基材表面相匹配的复合涂层；3a为柱形基材，3b为成形后与柱形基材表面相匹配的复合涂层；4a为复杂曲面柱形基材，4b为成形后与复杂曲面柱形基材表面相匹配的曲面状复合涂层。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进ー步描述。实施例I
A、对需要熔覆复合涂层的方形基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其进行传统的打磨处理后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将由B和Ti组成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在110°C下烘干24h后，再用占预置层总质量5%的质量百分比浓度为3%的聚こ烯醇水溶液作为粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成糊状，并用图I所示挤压装置将待熔覆粉末放入挤压腔中，通过推动挤压杆Ia使挤压活塞Ib将其以条状形式(截面形状为圆形)挤出并预置在基材的表面；先在基材表面预置一条后进行步骤C和D的操作，再预置另一待熔覆粉末条状且与前一条状搭接，条状之间的搭接率为20%，然后进行步骤C和D的操作，如此反复，直至整个基材表面附着复合涂层；C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干，以形成预置层；
D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛氮气下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金結合，即得到所需的复合涂层(如图2)。实施例2
A、对需要熔覆复合涂层的柱形基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其进行特种加工处理后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将由Al2O3和Ti组成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在100°C下烘干30h后，再用占预置层总质量10%的质量百分比浓度为8%的聚こ烯醇水溶液作为粘接剂将待熔 覆粉末均匀混合调和成膏状，并用图I所示挤压装置将待熔覆粉末放入挤压腔中，通过推动挤压杆Ia使挤压活塞Ib将其以条状形式(截面形状为梯形)挤出并预置在基材的表面；先在基材表面预置一条后进行步骤C和D的操作，再预置另一待熔覆粉末条状且与前一条状搭接，条状之间的搭接率为70%，然后进行步骤C和D的操作，如此反复，直至整个基材表面附着复合涂层；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在90°C下真空加热硬化2h，以形成预置
层；
D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛氮气和氩气下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层(如图3)。实施例3
A、对需要熔覆复合涂层的复杂曲面柱形基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其进行特种加工处理后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将由Ni60和TiC组成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在120°C下烘干36h后，再用占预置层总质量2%的ニ氧化钛溶胶作为粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成糊状，并用图I所示挤压装置将待熔覆粉末放入挤压腔中，通过推动挤压杆Ia使挤压活塞Ib将其以条状形式(截面形状为矩形)挤出并预置在基材的表面；先在基材表面预置一条后进行步骤C和D的操作，再预置另一待熔覆粉末条状且与前一条状搭接，条状之间的搭接率为5%，然后进行步骤C和D的操作，如此反复，直至整个基材表面附着复合涂层；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在100°C下真空加热硬化lh，以形成预置层；
D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛氮气、氩气和氦气下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层(如图3)。实施例4
A、对需要熔覆复合涂层的基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其进行传统的打磨处理后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将由B和Ti组成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在120°C下烘干24h后，再用占预置层总质量7%的ニ氧化硅溶胶作为粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成膏状，并以挤压的方式将待熔覆粉末条状是以条状依次排列并搭接在整个基材表面后，再进行步骤C和D的操作，使基材表面附着复合涂层；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在80°C下真空加热硬化2h，以形成预置
层；D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛氦气下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层。 实施例5 A、对需要熔覆复合涂层的基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其进行传统的打磨处理后用丙酮和无水こ醇清洗，以达到除油去锈的目的；
B、粉末处理将由Ni60和TiC组成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在100°C下烘干36h后，再用占预置层总质量10%的质量百分比浓度为5%的聚こ烯醇水溶液作为粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成糊状或膏状，并以挤压方式将待熔覆粉末条状是以条状依次排列并搭接(条状之间的搭接率为50%)在整个基材表面后，再进行步骤C和D的操作，使基材表面附着复合涂层；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在100°C下真空加热硬化I. 5h，以形成预置层；
D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛氩气和氦气下进行熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层。
权利要求
1.一种以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于包括下列エ艺步骤 A、对需要熔覆复合涂层的基材表面进行处理视基体材料表面粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水こ醇清洗； B、粉末处理将待熔覆粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接剂将待熔覆粉末均匀混合调和成糊状或膏状，并以挤压的方式将待熔覆粉末以条状形式预置在基材的表面； C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在80 100°C下真空加热硬化I 2h，以形成预置层； D、激光熔融将步骤B所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔融，使所 述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层。
2.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤A中的打磨是传统的打磨处理或者特种加工处理。
3.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B中的待熔覆粉末是由两种或两种以上单质元素或者化合物粉末组成的混合粉末。
4.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B使用的粘接剂是有机粘接剂或者无机溶胶。
5.根据权利要求I或4所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述粘接剂用量占预置层总质量的2 10%。
6.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B的待熔覆粉末条状是先在基材表面预置一条后进行步骤C和D的操作，再预置另一待熔覆粉末条状且与前一条状搭接，然后进行步骤C和D的操作，如此反复，直至整个基材表面附着复合涂层。
7.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B的待熔覆粉末条状是以条状依次排列并搭接在整个基材表面后，再进行步骤C和D的操作，使基材表面附着复合涂层。
8.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述待熔覆粉末条状之间的搭接率为5 70%。
9.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤B的待熔覆粉末条状的截面形状为圆形、梯形或者矩形。
10.根据权利要求I所述的以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，其特征在于所述步骤D中的保护气氛为氮气、氩气、氦气中的ー种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法，首先用配制好的粘接剂溶液将待熔覆粉末材料均匀混合成糊状或膏状，然后以挤压方式将其预置在基体材料表面，自然条件晾干或置于真空干燥箱中烘干后形成预置层，最后进行激光熔融，使所述的预置层与基材实现冶金结合，即得到所需的复合涂层。本发明具有适用范围宽、粉末利用率高、成本低廉、工艺简单、控制简便等优点，不仅适用于激光熔覆复合涂层的实验室研究，还适用于形状复杂、技术要求高的金属零件表面激光熔覆复合涂层工程领域。
文档编号C23C24/10GK102618868SQ201210097330
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者刘洪喜, 张晓伟, 蒋业华 申请人:昆明理工大学