基于激光增材制造的具有梯度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的具有梯度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，其表面硬度与模具本体的硬度相差较大，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。

近年随着原材料价格上涨和人力成本的上升，人们对提高模具的使用寿命及二次模具的重复加工利用提出了迫切的需求。耐磨涂层设计作为提高材料表面性能的重要手段，相应得到更为广泛的关注。

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。中国专利CN105755464 A公开了一种双层梯度涂层的制备方法，内外层同步送粉加工，减少熔覆层缺陷，但设备要求较高，且不适于多层或多种类成型粉末的加工制备。

鉴于此，有必要提供一种新的基于激光增材制造的具有梯度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梯度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的具有梯度耐磨涂层的模具的制备方法，包括：

提供待加工的模具，装夹定位；

提供成型粉末，分别转移至送粉器进行预加热、保温，所述成型粉末包括与所述模具材料一致或组成接近的粉末A、强化粉末B及至少一种由粉末A与强化粉末B组成的混合粉末C；

制定加工程序，并依据加工程序将粉末A、混合粉末C、强化粉末B依次逐层熔化沉积在模具表面；

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的组成为1.04-1.2 wt%C，0.16-0.39 wt%Mn，0.19-0.5 wt%9Si，3.79-4.39 wt%Cr，1.76-6.74 wt%W，4.51-5.6 wt%Mo，0.81-1.21 wt%Co，余量为Fe。

作为本发明的进一步改进，所述混合粉末C采用球磨机将既定比例的粉末A与强化粉末B混合2-4小时制成。

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，检测得到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；所述制备方法还包括依据所述尺寸差值确定每一种成型粉末的沉积厚度，并使得所述激光增材制造的整体梯度耐磨涂层厚度大于所述尺寸差值。

作为本发明的进一步改进，在模具装夹定位之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，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。

作为本发明的进一步改进，所述制备方法还包括将加工至目标尺寸的模具进行表面硬化处理。

本发明的有益效果是：采用本发明制备方法，将与所述模具材料一致或组成接近的粉末A熔化沉积在模具表面，并在粉末A与强化粉末B之间形成由混合粉末C熔化沉积形成的过渡层，能够减少多层激光增材加工过程中可能产生的结构缺陷，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的具有梯度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，所述成型粉末包括与所述模具材料一致或组成接近的粉末A、强化粉末B及至少一种由粉末A与强化粉末B组成的混合粉末C；

制定加工程序，并依据加工程序将粉末A、混合粉末C、强化粉末B依次逐层熔化沉积在模具表面；

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。强化粉末B的组成为1.04-1.2 wt%C，0.16-0.39 wt%Mn，0.19-0.5 wt%9Si，3.79-4.39 wt%Cr，1.76-6.74 wt%W，4.51-5.6 wt%Mo，0.81-1.21 wt%Co，余量为Fe。混合粉末C采用球磨机将既定比例的粉末A与强化粉末B混合2-4小时制成。

实际加工过程中，为减小材料差异而生成的涂层缺陷，我们可以提供若干具有不同粉末A与强化粉末B两者比例的混合粉末C，并依据粉末A的占比由高到低自粉末A熔化沉积形成的熔覆层向外逐层熔化沉积。比如采用粉末A占比为80%的混合粉末C1、粉末A占比为50%的混合粉末C2及粉末A占比为30%的混合粉末C3，并依据粉末A、混合粉末C1、混合粉末C2、混合粉末C3及强化粉末B的次序逐层熔化沉积在模具表面。相邻不同成型粉末熔化沉积形成的熔覆层结构差异较小，有效减少相应的结构缺陷，并提高整体梯度耐磨涂层的结合强度。

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。所述制备方法还包括依据所述尺寸差值确定每一种成型粉末的沉积厚度，并使得所述激光增材制造的整体梯度耐磨涂层厚度大于所述尺寸差值，每一种成型粉末的沉积厚度可以相同，抑或者不同。优选地，粉末A及混合粉末C逐层熔化沉积完成，但未沉积强化粉末B的模具的尺寸小于模具的目标尺寸。

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、强化粉末B及混合粉末C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，依据加工程序将粉末A、混合粉末C1、混合粉末C2、混合粉末C3及强化粉末B逐层层熔化沉积直至完成整体梯度耐磨涂层的制备。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，即可得到具有梯度耐磨涂层的H13挤压模具。

当然，为进一步提高成品模具的表面硬度，所述制备方法还包括将加工至目标尺寸的模具进行表面硬化处理，如对模具表面进行渗氮或渗碳处理，以更有效地降低制得的成品模具的磨损，提高其使用寿命。

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、强化粉末B及混合粉末C的粒度均为45µm；球磨混合时间为2小时；

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、强化粉末B及混合粉末C的粒度均为70µm；球磨混合时间为2.5小时；

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120mm/min，送粉速率为4.5g/min；

热处理温度为240℃，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、强化粉末B及混合粉末C的粒度均为90µm；球磨混合时间为3.4小时；

成型粉末预加热温度设置为125℃，保温2.7小时；

激光加工参数：激光功率为850W，扫描速度为175mm/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0.5mm；

粉末A、强化粉末B及混合粉末C的粒度均为105µm；球磨混合时间为4小时；

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梯度耐磨涂层的模具。如图2所示，粉末A、混合粉末C1、混合粉末C2、混合粉末C3及强化粉末B依次逐层熔化沉积在模具表面，以形成组分构成渐变的梯度耐磨涂层。

综上所述，采用本发明具有梯度耐磨涂层的模具的制备方法，将与所述模具材料一致或组成接近的粉末A熔化沉积在模具表面，并在粉末A与强化粉末B之间形成由混合粉末C熔化沉积形成的过渡层，能够减少多层激光增材加工过程中可能产生的结构缺陷，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。