一种在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法与流程

本发明涉及激光技术和涂层制备技术领域，特别涉及一种采用激光重熔与激光熔覆相结合的工艺在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法。

背景技术：

铸铁具有比钢还好的铸造性、耐磨性、消震性、切削加工性以及低的缺口敏感性等一系列优点，在工业中应用最为广泛。

但在服役过程中常因局部摩擦、腐蚀、氧化等出现缺陷而导致工件整体报废。激光熔覆由于其优异的性能已成为再制造的重要工艺。但在熔覆过程中由于熔覆材料与基体物理性能的差异以及基材属性等常存在气孔、裂纹缺陷，如附图5所示，极大的阻碍了激光熔覆技术的发展。

针对此问题许多学者进行了研究，闫世兴等研究了灰铸铁激光熔覆nicufebsi合金的气孔行为，发现熔覆层中的气孔主要是源于基体中石墨的熔解、造气反应生成的co。并指出熔池内部的强对流是影响气孔的内在因素。研究了工艺参数对气孔的影响，发现适当的降低激光功率、扫描速度，提高基体预热温度等通过延长液态熔池存在的时间可减少气孔缺陷，但是并没有从根源上减少气体的产生。而通过预热基体改善熔覆层缺陷，不仅增加成本，还改变了基体组织。通过调整工艺参数改善熔覆缺陷，只能延长气体溢出时间，不能从根本上解决气孔缺陷的问题，还影响工作效率。本发明采用激光重熔与激光熔覆相结合的工艺，通过改变基材表层的元素分布，杜绝了自由碳的存在，从根本上杜绝了气体的产生，目前还未见相关的报道与专利。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将激光重熔与激光熔覆相结合的新工艺，在铸铁件表面获得无气孔、裂纹缺陷的熔覆层。

本发明的技术方案为：一种在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法，包括以下步骤：

（1）试样预处理；

先对铸铁基材进行线切割成45×35×10m³的试样后，用砂纸打磨至600-1000#,在丙酮溶液中超声波清洗10～15min，在用去离子水冲洗，吹风机冷风吹干试样；

（2）对预处理的试样进行激光重熔处理；

激光重熔的工艺参数为：激光功率p为200～1500w，扫描速度v为10～600mm/min，光斑直径d为0.8～3mm，搭接率m为30～60%，焦距h为180～220mm，保护气流l为4～15l/min；

所述步骤（2）中激光重熔为二次或多次重熔，激光重熔后的重熔层表面应光滑平整、重熔层内部无气孔；

（3）对激光重熔处理后的试样进行激光熔覆处理；

进行激光熔覆处理之前，先对熔覆材料进行干燥处理，干燥温度为100～120℃，时间为8～10h；通过激光熔覆处理使激光重熔处理后的试样表面和熔覆材料同时熔化并快速凝固成熔覆层；激光熔覆的工艺参数为：激光功率p为400～2000w，扫描速度v为60～800mm/min，光斑直径d为0.8～3mm，送粉电压u为5～35v，搭接率m为30～60%，焦距h为180～220mm，保护气流l为4～15l/min；

（4）对激光熔覆处理后的试样进行后续处理，包括机加工、除油和打磨，使试样表面光洁，完成在铸铁表面制备无缺陷熔覆层。

进一步地，所述步骤（1）中的铸铁基材包括：蠕墨铸铁、灰铸铁和球墨铸铁。

进一步地，所述步骤（3）中的熔覆材料包括钴基自熔合金、镍基自熔合金、铁基自熔合金和纳米陶瓷/金属基复合材料。

本发明的有益效果是：1、本发明采用激光重熔基体后结合激光熔覆的方法制备的熔覆层，与基材成冶金结合，无气孔缺陷，涂层均匀致密，性能优异。

2、本发明激光重熔只改变了基体表层的化学成分、组织。而通过预热基材来减少气孔缺陷，对工件整体进行了热处理，改变了原有的组织。相比通过调整工艺参数，适当的降低扫描速度、激光功率来减少气孔缺陷，效果更明显，并且不受熔覆工艺参数的限制。

3、本发明采用激光重熔对工件表层的化学成分、组织进行调整，杜绝了基材表层游离石墨的存在，很大程度的减少了表层的碳含量，从根本上解决了由于基材中的碳含量过高而导致激光熔覆过程中容易出现气孔缺陷的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的重熔截面形貌图。

图2为本发明实施例1的熔覆层截面形貌。

图2中附图标记：a-蠕墨铸铁基材、b-熔覆层。

图3为本发明实施例1从重熔层顶部到基材的线扫描分析。

图4为本发明实施例1的xrd图谱。

图5为无预重熔的激光熔覆层截面形貌。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述，但不限制本发明的保护范围和应用范围。

实施例1

一种在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法，包括以下步骤：

1.试样预处理；先对铸铁基材进行线切割成45×35×10m³的试样后，用砂纸打磨至800#,在丙酮溶液中超声波清洗10min，在用去离子水冲洗，吹风机冷风吹干试样；

2.对预处理的试样进行激光重熔处理；激光重熔的工艺参数为：激光功率p为400w，扫描速度v为30mm/min，光斑直径d为2mm，搭接率m为30%，焦距h为209mm，保护气流l为6l/min；

3.重复步骤2，进行二次激光重熔处理；

4.选取镍基合金粉末为熔覆材料，所述镍基合金粉末各成分含量如下：si含量1.8～3.0wt%、cr含量0～6.0wt%、b含量0.8～1.2wt%、fe含量0～0.5wt%、mn含量0～0.5wt%、c含量0～0.05wt%，余量为ni，镍基合金粉末的粒度为200～300目；对镍基合金粉末进行干燥处理，干燥温度为120℃，时间为8h。

5.利用光纤激光器对激光重熔处理后的试样进行激光熔覆处理，使激光重熔处理后的试样表面和熔覆材料同时熔化并快速凝固成熔覆层；激光熔覆的工艺参数为：激光功率p为800w，扫描速度v为180mm/min，光斑直径d为2mm，搭接率m为30%，送粉电压u为7v，焦距h为209mm，保护气流l为6l/min。

6.对激光熔覆处理后的试样进行后续处理，包括机加工、除油和打磨，使试样表面光洁，完成在铸铁表面制备无缺陷熔覆层。

实施例2

一种在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法，包括以下步骤：

1.试样预处理；先对铸铁基材进行线切割成45×35×10m³的试样后，用砂纸打磨至800#,在丙酮溶液中超声波清洗10min，在用去离子水冲洗，吹风机冷风吹干试样；

2.对预处理的试样进行激光重熔处理；激光重熔的工艺参数为：激光功率p为1000w，扫描速度v为400mm/min，光斑直径d为3mm，搭接率40%，焦距h为200mm，保护气流l为15l/min；

3.重复步骤2，进行二次激光重熔处理；

4.选取铁基合金粉末为熔覆材料，所述铁基合金粉末各成分含量如下：si含量2.5～7.5%,cr含量3～6%,b含量1.3～2.0%,c含量0.15～0.75%,ni含量10～25%，余量为fe，铁基合金粉末的粒度为200～300目；对铁基合金粉末进行干燥处理，干燥温度为100℃，时间为10h，干燥后送入光纤激光器的送粉装置。

5.利用光纤激光器对激光重熔处理后的试样进行激光熔覆处理，使激光重熔处理后的试样表面和熔覆材料同时熔化并快速凝固成熔覆层；激光熔覆的工艺参数为：激光功率p为1800w，扫描速度v为540mm/min，光斑直径d为3mm，搭接率40%，送粉电压u为20v，焦距h为200mm，保护气流l为15l/min。

6.对激光熔覆处理后的试样进行后续处理，包括机加工、除油和打磨，使试样表面光洁，完成在铸铁表面制备无缺陷熔覆层。

实施例3

一种在铸铁表面制备无缺陷熔覆层的方法，包括以下步骤：

1.试样预处理；先对铸铁基材进行线切割成45×35×10m³的试样后，用砂纸打磨至1500#,在丙酮溶液中超声波清洗15min，在用去离子水冲洗，吹风机冷风吹干试样；

2.对预处理的试样进行激光重熔处理；激光重熔的工艺参数为：激光功率p为1600w，扫描速度v为240mm/min，光斑直径d为2mm，搭接率50%，焦距h为209mm，保护气流l为15l/min；

3.重复步骤2，进行二次激光重熔处理；

4.选取钴基合金粉末为熔覆材料，所述钴基合金粉末各成分含量如下：si含量0.2～0.4wt%、cr含量4～12wt%、b含量0.8～1.2wt%、fe含量0～1wt%、o含0～0.01wt%、c含量0.75～0.95wt%、w含量7～8%、ni含量9.3-11.3%、p含量0～0.01%,余量为co，镍基合金粉末的粒度为200～300目；对钴基合金粉末进行干燥处理，干燥温度为120℃，时间为8h，干燥后送入光纤激光器的送粉装置。

5.利用光纤激光器对激光重熔处理后的试样进行激光熔覆处理，使激光重熔处理后的试样表面和熔覆材料同时熔化并快速凝固成熔覆层；激光熔覆的工艺参数为：激光功率p为2000w，扫描速度v为360mm/min，光斑直径d为3mm，搭接率50%，送粉电压u为30v，焦距h为200mm，保护气流l为15l/min。

6.对激光熔覆处理后的试样进行后续处理，包括机加工、除油和打磨，使试样表面光洁，完成在铸铁表面制备无缺陷熔覆层。

对实施例1、实施例4制得的熔覆层，利用扫描电镜（sem）、光学显微镜观察重熔层与熔覆层的截面形貌，利用能谱仪（eds）分析重熔层与基体的元素分布，利用x射线衍射分析仪（xrd）检测重熔层的物相结构；测定结果见图1至图4及表1，测定结果表明：

由图1和图2可知，实施例1的重熔层与熔覆层无明显气孔缺陷，主要是经过二次重熔后，重熔层再次熔化，原重熔层中的气孔能够有再次溢出的机会，因此凝固后的二次重熔层无气孔缺陷。经过二次重熔后基体表层碳元素大部分得到烧损，无游离状态的石墨，无气孔缺陷，故后续的激光熔覆层无明显气孔缺陷。

由表1可知，实施例1经过二次重熔后的重熔层碳元素由于烧损或与氧反应，碳元素含量得到明显的减少。由图3可知，实施例1二次激光重熔后的熔覆层碳、铁元素分布十分均匀，碳元素含量得到明显的减少。

由图4可知，二次激光重熔后无石墨相存在，重熔层物相为fe3c、α-fe和γ-fe。

表1为本发明实施例1重熔层上下层与蠕墨铸铁基材选区元素分析的各元素具体含量。