基于激光增材制造技术的具有耐磨涂层的模具的制备方法与流程

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种基于激光增材制造技术的具有耐磨涂层的模具的制备方法。

背景技术：

材料磨损既造成材料的巨大浪费，又会造成生产效率低下，零件更换频繁以及设备报废等诸多问题，产生巨大的经济损失。H13模具钢广泛应用于制造冲击载荷较大的锻模、热挤压模及压铸模。采用上述模具进行生产加工时，模具受频繁挤压，易磨损；另一方面，若将模具进行表面渗氮处理，其表面硬度过高，易脱落，造成模具提前失效。为此，现阶段的模具要么不进行渗氮处理，要么渗氮处理后，再经过热处理将其硬度降低使用，限制了模具的使用次数和寿命，也对材料本身造成极大的浪费，增加生产成本。

近年来，科研人员和工程技术人员从结构设计或材料性能、表面工程等方面出发，采用多种手段来提高材料的摩擦性能并取得了一定的成果。其中，耐磨涂层设计作为提高材料表面性能的重要手段，并且随着人们对具有优异耐摩擦性能的动物软骨、贝壳等天然材料的深入认识，设计出相应的仿生耐磨涂层。相应的实验结果亦表明，上述仿生耐磨涂层能够获得更佳的耐磨效果，其开发与进一步研究得到广泛的关注。

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技术是近20年来信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术。其制造原理是材料逐点累积形成面，逐面累积成为体，为材料表面耐磨涂层的制备提供了新的方法与契机。如中国专利CN102453901 B公开一种采用激光熔覆制备油钻杆表面WC合金耐磨带的方法，但熔覆层结构单一，亦未完全解决耐磨合金层与油钻杆表面的结合强度不足及剥落问题。

鉴于此，有必要提供一种新的基于激光增材制造技术的具有耐磨涂层的模具的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有耐磨涂层的模具的制备方法，能够制得耐磨性能好且不易剥落的耐磨涂层的模具，解决现有模具寿命短，模具表面强化工艺复杂的难题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于激光增材制造技术的具有耐磨涂层的模具的制备方法，主要包括：

提供待加工的模具，装夹定位；

提供至少两种成型粉末，分别转移至送粉器进行预加热、保温，所述成型粉末至少包括与所述模具材料一致或组成接近的粉末A及强化粉末B；

制定加工程序，将相应的成型粉末依据加工程序送至激光束的辐照位置，并熔化沉积在模具表面，其中，所述加工程序包括将模具表面划分为若干加工区域，且相邻加工区域形成由不同成型粉末熔化沉积得到的涂层；

将上述完成激光加工的模具进行热处理；

将完成热处理的模具机加工至目标尺寸，以得到成品模具。

作为本发明的进一步改进，所述模具为H13挤压模具；粉末A为气雾化的H13粉末，粒度为45-105µm，其中，H13粉末组成为0.4wt%C，0.4wt%Mn，5.0wt%Cr，1.5 wt%Mo，1.0 wt% V，余量为Fe。

作为本发明的进一步改进，所述强化粉末B的粒度设置为45-105µm，包括作为基体的Ni45粉末及作为强化体的WC粉末，其中，所述WC粉末的含量为10-50wt%。

作为本发明的进一步改进，所述模具采用全新模具或二次模具，所述制备方法还包括去除所述全新模具的表面层或二次模具的工作层，所述表面层的厚度为0.2-0.5mm。

作为本发明的进一步改进，检测去除表面层或工作层后的模具的实际尺寸，并与所述模具的目标尺寸相比较得到两者尺寸差值，所述激光加工的涂层厚度大于所述尺寸差值。

作为本发明的进一步改进，在模具装夹定位前采用丙酮或无水酒精对模具进行清洗并干燥。

作为本发明的进一步改进，所述成型粉末进行预加热的温度为100-130℃，保温时间为2-3小时。

作为本发明的进一步改进，激光加工进程中的激光加工功率为500-1000W，扫描速度为100-199mm/min，送粉速率3.0-7.0g/min 。

作为本发明的进一步改进，激光加工进程中还通入氩气进行保护。

作为本发明的进一步改进，热处理过程的保温温度设置为200-300℃，所述模具保温2小时后采用2-5℃/S的降温速率冷却至室温。

本发明的有益效果是：采用本发明制备方法，通过在模具表面不同加工区域间隔交替熔化沉积不同的成型粉末，能够制得耐磨性能好且不易剥落的耐磨涂层的模具，解决现有模具寿命短，模具表面强化工艺复杂的难题。

附图说明

图1是本发明制备方法的流程示意图；

图2是本发明制备方法制得的模具表面结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

请参阅图1为本发明制备方法的流程示意图。本发明提供的基于激光增材制造技术的具有耐磨涂层的模具的制备方法主要包括：

提供待加工的模具，装夹定位；

提供至少两种成型粉末，分别转移至送粉器进行预加热、保温，所述成型粉末至少包括与所述模具材料一致或组成接近的粉末A及强化粉末B；

制定加工程序，将相应的成型粉末依据加工程序送至激光束的辐照位置，并熔化沉积在模具表面，其中，所述加工程序包括将模具表面划分为若干加工区域，且相邻加工区域形成由不同成型粉末熔化沉积得到的涂层；

将上述完成激光加工的模具进行热处理；

将完成热处理的模具机加工至目标尺寸，以得到成品模具。

所述模具为符合国家标准的H13挤压模具，具体为圆柱形的或者圆桶形的并主要用于铝合金/镁合金/铜合金/钛合金挤压产品生产的模具，所述模具加工所述耐磨涂层之前未经过渗氮/渗碳处理。

所述粉末A为气雾化的H13粉末，粒度为45-105µm，其中，H13粉末组成为0.4wt%C，0.4wt%Mn，5.0wt%Cr，1.5 wt%Mo，1.0 wt% V，余量为Fe。所述强化粉末B的粒度亦设置为45-105µm，包括作为基体的Ni45粉末及作为强化体的WC粉末，其中，所述WC粉末的含量为10-50wt%。此处粉末A的材质构成与模具相一致，激光增材制造过程中有效提高熔化沉积粉末A的加工区域的涂层结合强度，进而提高耐磨涂层与模具的整体结合强度。

所述模具采用全新模具时，所述制备方法还包括去除所述全新模具的表面层，所述表面层的厚度为0.2-0.5mm。所述模具采用二次模具时，所述制备方法还包括去除所述二次模具的工作层。其中，二次模具为使用一定周期后，由于热作用和摩擦、挤压的作用导致表面发生磨损或尺寸偏差的模具。上述去除表面层或工作层的目的均是为了彻底清除模具表面的杂质及机械损伤层，使得模具表面性状更为均一，以利于后续的激光增材加工。

所述制备方法还包括检测去除表面层或工作层后的模具的实际尺寸，并与所述模具的目标尺寸相比较得到两者尺寸差值，并根据所述尺寸差值制定激光加工参数，其中，所述激光加工的涂层厚度大于所述尺寸差值。

所述制备方法还包括在模具装夹定位前采用丙酮或无水酒精对模具进行清洗并干燥。除此，将所述成型粉末分别转移至不同的送粉器，所述送粉器中配设有加热保温装置。所述粉末A及强化粉末B的预加热的温度均设置为100-130℃，保温时间为2-3小时。

激光加工进程中，依据加工程序既定的轨迹层层熔化沉积直至完成耐磨涂层的制备。其中，激光加工功率为500-1000W，扫描速度为100-199mm/min，送粉速率3.0-7.0g/min 。并于激光加工进程中通入氩气进行保护。

实际加工过程中，所述模具的耐磨涂层沉积完成后，立即将模具转送至热处理炉中进行相应的热处理。热处理过程的保温温度设置为200-300℃，所述模具保温2小时后采用2-5℃/S的降温速率冷却至室温。再将完成热处理的模具机加工至目标尺寸，即可得到具有耐磨涂层的H13挤压模具。

下列提供几个具体的实施例详细说明本发明的制备方法，其具体实施步骤跟上述描述相同，在此仅对上述制备方法中的一些参数进行详细说明，其它不再赘述。

实施例一：

模具表面层机加工厚度设置为0.2mm；

粉末A及强化粉末B的粒度为45µm；强化粉末B中WC的含量为10wt%；

成型粉末预加热温度设置为100℃，保温2小时；

激光加工参数：激光功率为500W，扫描速度为100mm/min，送粉速率为3.0g/min；

热处理温度为200℃，保温2小时，降温速率为2℃/S。

实施例二：

模具表面层机加工厚度设置为0.3mm；

粉末A及强化粉末B的粒度为60µm；强化粉末B中WC的含量为20wt%；

成型粉末预加热温度设置为110℃，保温2.5小时；

激光加工参数：激光功率为700W，扫描速度为130mm/min，送粉速率为4.0g/min；

热处理温度为250℃，保温2小时，降温速率为3℃/S。

实施例三：

模具表面层机加工厚度设置为0.4mm；

粉末A及强化粉末B的粒度为80µm；强化粉末B中WC的含量为40wt%；

成型粉末预加热温度设置为120℃，保温2.5小时；

激光加工参数：激光功率为850W，扫描速度为140mm/min，送粉速率为6.0g/min；

热处理温度为280℃，保温2小时，降温速率为4℃/S。

实施例四：

模具表面层机加工厚度设置为0.4mm；

粉末A及强化粉末B的粒度为100µm；强化粉末B中WC的含量为50wt%；

成型粉末预加热温度设置为130℃，保温3小时；

激光加工参数：激光功率为900W，扫描速度为180mm/min，送粉速率为7.0g/min；

热处理温度为290℃，保温2小时，降温速率为5℃/S。

实施例五：

模具表面层机加工厚度设置为0.5mm；

粉末A及强化粉末B的粒度为105µm；强化粉末B中WC的含量为50wt%；

成型粉末预加热温度设置为130℃，保温3小时；

激光加工参数：激光功率为1000W，扫描速度为199mm/min，送粉速率为7.0g/min；

热处理温度为300℃，保温2小时，降温速率为5℃/S。

上述实施例均能制得具有结合强度较高的耐磨涂层的模具。如图2所示，粉末A及强化粉末B依次间隔分布沉积在模具表面，相邻加工区域的粉末A及强化粉末B分别沉积形成的涂层相接触交叠形成整体的耐磨涂层。

综上所述，采用本发明具有耐磨涂层的模具的制备方法，通过在模具表面不同加工区域间隔交替熔化沉积与所述模具材料一致或组成接近的粉末A及强化粉末B，能够制得耐磨性能好且不易剥落的耐磨涂层的模具；所述制备方法还具备能量可控性高、加工热影响区窄、加工效率高等优点，可更好的适应柔性制造环境；并且基于现有的激光增材加工设备即可实现，解决现有模具寿命短，模具表面强化工艺复杂的难题。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。