激光熔覆涂层的制备方法与流程

本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种激光熔覆涂层的制备方法。

背景技术

自20世纪70年代大功率激光器出现后，经过40多年的研究与积累，材料的激光加工技术已形成包括激光焊接、激光切割、激光表面处理等多种应用。目前，激光熔覆技术因其环保、加热与冷却速度快、材料作用面积小、热变形小等优点已成为制备高性能金属表面涂层的主流技术之一。

激光熔覆材料通常是两种以上的单质元素、化合物、陶瓷混合粉末，置于金属基体表层，经大功率激光器照射，使金属粉末在基体表层熔化，形成连续的熔覆层。

然而，现有的激光熔覆工艺通常采用送粉法将预置粉末置于金属基体上，这种方式粉末利用率不高，难以精确控制送粉量，并且金属基体上的混合粉末厚度不均，导致激光熔覆时涂层粉末受热不均，容易产生裂纹、气孔或部分未充分熔融，从而极大地影响表面熔覆层质量。

技术实现要素：

鉴于上述状况，有必要针对现有技术中预置粉末的厚度不均影响激光熔覆质量的问题，提供一种激光熔覆涂层的制备方法。

一种激光熔覆涂层的制备方法，包括：

将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉按照质量比为6.4～7.8:1.1～1.8:1.1～1.8添加至乙醇或去离子水中，并采用球磨机球磨至充分分散，得到预置粉末的混合液；

将预置粉末的混合液进行干燥后，添加粘结剂混合成糊状；

将糊状的预置粉末涂覆于轻合金基体上，并烘干；

将烘干后的预置粉末通过cnc铣床加工成0.8～1.2mm的预置层；

采用激光加工设备将所述预置层熔覆在所述轻合金基体上。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述将烘干后的预置粉末通过cnc铣床加工成0.8～1.2mm的预置层的步骤包括：

调节cnc铣床的进给率为200～260mm/min、主轴转速为1400～1600r/min，并将烘干后的预置粉末在所述cnc铣床中加工成0.8～1.2mm的预置层。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述采用激光加工设备将所述预置层熔覆在所述轻合金基体上的步骤包括：

调节激光加工设备的熔覆加工参数为功率1.8～3.2kw、扫描速度3～5m/s、光斑直径0.8～1.2mm，并在保护气体下将所述预置层熔覆在所述轻合金基体上。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述粘接剂为na2sio3·9h2o。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述预置粉末在所述球磨机中以480～560r/min的速度球磨1.5～2.5h。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述将糊状的预置粉末涂覆于基体上，并烘干的步骤包括：

将糊状的预置粉末涂覆于基体上，并在60～80℃下干燥7～11h。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述将糊状的预置粉末涂覆于轻合金基体上的步骤之前好包括步骤：

将轻合金基体的表面进行打磨、碱洗、酸洗和去离子水清洗后烘干。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述轻合金基体为铝合金或镁合金。

进一步的，上述激光熔覆涂层的制备方法，其中，所述粘结剂与所述预置层的质量比为1:20～1:10。

本发明实施例中将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉充分分散混合并用粘结剂制备呈糊状涂覆在轻合金的表面形成预置层，采用cnc铣床对预置层的厚度进行严格控制，使其各处厚度均匀，保证熔覆涂层质量。并且，本发明实施例中，可制备比重差异大的混合粉待熔覆层，保证熔覆层质量，能够进一步提高零件的强度与硬度。

附图说明

图1为本发明实施例中的激光熔覆涂层的制备方法的流程图；

图2a和图2b分别为扫描电子显微镜下熔覆层表面的微观形貌。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参阅图1，为本发明实施例中的激光熔覆涂层的制备方法，包括步骤s11～s15。

步骤s11，将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉按照质量比为6.4～7.8:1.1～1.8:1.1～1.8添加至乙醇或去离子水中，并采用球磨机球磨至充分分散，得到预置粉末的混合液。

本发明实施例中进行熔覆的轻合金基体例如为铝合金(zl101、zl104)、镁合金(az91)。熔覆在轻合金基体上的预置粉末采用铝粉、钛粉和碳粉，其质量比为6.4～7.8:1.1～1.8:1.1～1.8。对于轻合金基体来说，因要考虑熔覆层熔体的润湿性，需选择与基体相润湿的材料，因此，绝大部分预置粉末中主体为铝粉，而增强成分为钛粉和碳粉。采用湿法球磨可避免不同粉末之间发生物理会化学反应。

将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉的混合物添加至乙醇或去离子水中，采用球磨机进行湿法球磨。球磨速度选择低速如480～560r/min，球磨时间为1.5～2.5h，以将预置粉末充分分散在溶剂中。

步骤s12，将预置粉末的混合液进行干燥后，添加粘结剂混合成糊状。

具体实施时，预置粉末采用乙醇进行混合分散时，只需要将混合液在常温下自然风干。采用去离子水混合时可采用低温下烘干，温度控制在90～110℃。烘干后的预置粉末通过粘结剂进行混合成糊状，本发明实施例中粘结剂可采用na2sio3·9h2o。

步骤s13，将糊状的预置粉末涂覆于轻合金基体上，并烘干。

步骤s14，将烘干后的预置粉末通过cnc铣床加工成0.8～1.2mm的预置层。

具体实施时，将糊状的预置粉末涂覆在轻合基体上的厚度比最终形成的涂层的厚度要大，以便于cnc铣床(数控铣床)打磨成需要的厚度。其中，糊状的预置粉末在60～80℃下干燥7～11h，形成预置层。预置层打磨时，cnc铣床进给率控制在200～260mm/min，主轴转速控制在1400～1600r/min，将轻合金基体上的预置层打磨平整，使预置层各处的厚度均匀。

进一步的，将糊状的预置粉末涂覆在轻合金基体的步骤之前，还需对轻合金基体进行预处理，以将轻合金表面的油污、杂质等去除。具体实施时，先将轻合金的表面用砂纸或表面喷丸打磨光滑，以去除氧化层，然后在将轻合金依次在碱液、酸液中冲洗除去表面的油污和杂质，最后用去离子水清洗干净并干燥待用。

步骤s15，采用激光加工设备将所述预置层熔覆在所述轻合金基体上。

调节激光加工设备的熔覆加工参数为功率1.8～3.2kw、扫描速度3～5m/s、光斑直径0.8～1.2mm，并在保护气体下将预置层熔覆在轻合金基体上，实现冶金结合。该保护气体例如为氮气、氩气、氦气中的一种或几种。如图2a和2b所示，其分别为熔覆层微观组织与形貌示意图，本发明实施例中，轻合金上的熔覆涂层中原位生成增强相tic及al3ti，其颗粒均匀，大小适当，未发生成分偏聚等现象。经过cnc铣床打磨后的预置层厚度是可控制的，并且各处厚度相同，激光扫描时预置层各个位置的光强度相同，使预置层各处的受热均匀、熔融充分，保证熔覆涂层质量。

本发明实施例中将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉充分分散混合并用粘结剂制备呈糊状涂覆在轻合金的表面形成预置层，采用cnc铣床对预置层的厚度进行严格控制，使其各处厚度均匀，保证熔覆涂层质量。并且，本发明实施例中，可制备比重差异大的混合粉待熔覆层，保证熔覆层质量，能够进一步提高零件的强度与硬度。

下面以具体的实施方式说明本发明的原理和实施步骤。

实施例1

将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉按照质量比为6.4:1.8:1.8添加至乙醇中混合，并放入球磨机中低速球磨2h，球磨速度控制为480r/min，得到预置粉末的混合液；

将上述预置粉末的混合液自然风干，并添加na2sio3·9h2o混合成糊状，其中，na2sio3·9h2o与预置粉末的质量比为1:10；

将糊状的预置粉末均匀涂覆于预处理后的zl101(zalsi7mg合金)上，并在60℃下干燥11h，其中涂覆于zl101表面的糊状预置粉末的平均厚度为1mm；

将上述涂覆有预置粉末的zl101置于cnc铣床的加工平台上，调节cnc铣床的进给率为200mm/min、主轴转速为1500r/min，将zl101表面的预置粉末表面加工光滑、平整，得到0.82mm的预置层；

调节激光加工设备的熔覆加工参数为功率1.8kw、扫描速度5m/s、光斑直径1.2mm，并在保护气体下将上述预置层熔覆在zl101上。

实施例2

将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉按照质量比为7.2:1.4:1.4添加至乙醇中混合，并放入球磨机中低速球磨1.6h，球磨速度控制为520r/min，得到预置粉末的混合液；

将上述预置粉末的混合液自然风干，并添加na2sio3·9h2o混合成糊状，其中，na2sio3·9h2o与预置粉末的质量比为1:15；

将糊状的预置粉末均匀涂覆于预处理后的az91(镁合金)上，并在80℃下干燥7h，其中涂覆于az91表面的糊状预置粉末的平均厚度为1.2mm；

将上述涂覆有预置粉末的az91置于cnc铣床的加工平台上，调节cnc铣床的进给率为260mm/min、主轴转速为1400r/min，将az91表面的预置粉末表面加工光滑、平整，得到1mm的预置层；

调节激光加工设备的熔覆加工参数为功率3.2kw、扫描速度3m/s、光斑直径1mm，并在保护气体下将上述预置层熔覆在az91上。

实施例3

将预置粉末铝粉、钛粉和碳粉按照质量比为7.8:1.1:1.1添加至去离子水中混合，并放入球磨机中低速球磨2.5h，球磨速度控制为520r/min，得到预置粉末的混合液；

将上述预置粉末的混合液在温度为100℃下烘干，并添加na2sio3·9h2o混合成糊状，其中，na2sio3·9h2o与预置粉末的质量比为1:20；

将糊状的预置粉末均匀涂覆于预处理后的zl104(zalsi9mg)上，并在70℃下干燥8h，其中涂覆于az91表面的糊状预置粉末的平均厚度为1.46mm；

将上述涂覆有预置粉末的zl104置于cnc铣床的加工平台上，调节cnc铣床的进给率为220mm/min、主轴转速为1600r/min，将zl104表面的预置粉末表面加工光滑、平整，得到1.2mm的预置层；

调节激光加工设备的熔覆加工参数为功率3kw、扫描速度4m/s、光斑直径0.8mm，并在保护气体下将上述预置层熔覆在zl104上。

经检测，上述3个实施例中在轻合金基体上的熔覆涂层中未发现裂纹、气孔、未充分熔融等缺陷的存在，与现有技术相比熔覆层的质量大大提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。