一种减少裂纹产生的平板表面制备硬质涂层的激光熔覆方法与流程

本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种减少裂纹产生的平板表面制备硬质涂层的激光熔覆方法

背景技术：

激光熔覆技术是利用激光辐射使熔覆材料和基体表面同时熔化并快速凝固、从而显著改善基体材料物理性能的一种工艺方法。激光熔覆过程的实质是高能激光束和金属粉末及基材相互作用时，粉末和基材的快速熔化、快速冷却的过程。由于这一过程极短，远离平衡态，过热度和过冷度远大于常规热处理，因此可以使材料在激光辐照区中形成晶粒高度细化的组织和较小的变形，激光熔覆技术优点有：(1)可通过混合不同合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合涂层；(2)由于快速的加热和冷却过程，激光熔覆层组织均匀致密，围观缺陷少；(3)激光束的功率、位置和形状等都能精确的控制，易实现选区甚至微区熔覆。(4)属于无接触加工，便于自动化，实现柔性加工。

然而，由于激光熔覆是快速加热和冷却过程，凝固过程中不可能有足够的液体金属补充，且在随后的固态冷却收缩过程中收到周围较冷基材的束缚，造成内应力往往难以得到释放，而一旦释放就会造成裂纹。

熔覆层中的应力主要有以下几种：

(1)热应力。热应力分为为两种：一种是在同种材料内部，当材料受热后，由材料的温度梯度造成的；另一种是由于基材和熔覆材料的弹性模量、热膨胀系数不同，从而使各层之间的热膨胀率和收缩率不一致而产生的。

(2)组织应力。组织应力是由于金属材料受热熔化发生相变而产生的。

(3)约束应力。约束应力也是由两方面原因造成的：一是由于熔覆过程很快，熔池温度过高，熔池中已经熔化的部分材料受热膨胀，但周围材料的约束即受到压应力作用；另一方面是由于扫描光束移开后，被扫描区域迅速冷却，而熔覆区域因材料的整体性不能自由收缩导致较大拉应力的作用。

由于内应力的存在，熔覆过程中往往会有裂纹的产生，按裂纹产生的位置可分为熔覆层裂纹、界面基体裂纹和搭接区裂纹。

在采用激光熔覆方法制备硬质涂层的过程中，由于硬质涂层材料与基体材料在物理性能上存在较大差异，因此，所制备硬质涂层与基体的界面存在更大的内应力，更容易产生裂纹。这无疑限制了激光熔覆技术的推广应用，现在亟须需要一种经济、高效的方法来减少裂纹的产生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种减少裂纹产生的平板表面制备硬质涂层的激光熔覆方法，为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

制备该涂层需要一种硬质涂层材料m2，以及一种与硬质涂层材料m2相比强度低、硬度低、相变温度低的辅助材料m1。硬质涂层材料m2的主要性能指标为：屈服强度σs2、硬度h2、相变温度tacm2，辅助材料m1的主要性能指标为屈服强度σs1、硬度h1、相变温度tacm1，对应参数关系为：

σs2＞σs1，h2＞h1，tacm2＞tacm1。

步骤如下：

先采用激光熔覆将辅助材料m1在平板零件表面(基体材料m0)上构建横竖交叉的软质材料熔道网格；再采用激光熔覆将硬质涂层材料m2形成互相搭接的熔道覆盖软质材料熔道网格；最后热处理方法为采用低于辅助材料m1相变温度tacm1的热处理温度ta对涂层进行去应力退火。

本发明减少涂层应力的原理如下：采用辅助材料m1构建的横竖交叉的软质材料熔道网格在涂层中起到降低内应力、减少裂纹产生的作用：一方面，由于辅助材料m1的屈服强度σs1低于σs2，在激光熔覆涂层受热膨胀和冷却收缩过程中，辅助材料m1更容易产生塑性变形，辅助材料m1的塑性变形减少了熔覆过程与冷却过程中涂层内部的约束应力；另一方面，在温度ta所进行的热处理会使辅助材料m1和硬质涂层材料m2产生局部的应力松弛，并使屈服强度更低的辅助材料m1产生内部局部塑性变形，这都会降低涂层的内部残余应力。

进一步地，分别沿x方向和y方向在基体材料m0上按一定的尺寸熔覆硬度较低的辅助材料m1。其中沿x方向所熔覆的辅助材料m1的熔道rx间距为d1，并且该熔道rx宽度为w1，厚度为h1。沿y方向熔覆的辅助材料m1的熔道ry间距为d2，熔道ry的宽度也是w1，熔道ry厚度也是h1。

进一步地，在所熔覆的辅助材料m1中间，沿x方向熔覆硬质材料m2，硬质材料m2所形成的熔道rz宽度为w2，厚度为h2。相邻两条熔道rz的搭接宽度为w3。

涂层制备过程中，采用辅助材料m1构建的横竖交叉的软质材料熔道网格的目的是为涂层提供低应力状态下产生塑性变形与应力松弛的条件，因此，辅助材料m1的涂层厚度h1与硬质涂层m2的厚度h2的比例应合理设计，h1相对h2过大会造成硬质涂层性能下降，h1相对h2过小则不利于涂层应力释放；同样，软质材料熔道网格的间距和熔道宽度应合理设计，网格间距(d1、d2)过小、熔道宽度(w1)过大会引入过多的软质材料影响涂层的结合力、强度、硬度等性能，网格间距过大、熔道宽度过小则不利于涂层的应力释放。

另外，由于硬质材料m2的熔道rz是沿x方向熔覆的，其在x方向受到高能密度激光束的快速加热并冷却，会沿熔道rz在x方向收缩，产生较大的热应力与约束应力。因此，软质材料熔道网格中沿y方向排布的熔道ry的间距d2应小于x方向排布的熔道rx的间距d1。

优选的设计方案为：

d1＝(1.5～3)d2

d2＝(2～4)w2

w2＝(2～4)w1

h2＝(1.5～2.5)h1

w3＝(0.25～0.35)w2

h2为熔道rz的高度，h1为熔道ry的高度，w1为辅助材料m1的熔道宽度，w2为硬质材料m2的熔道rz的宽度，d1为的相邻熔道rx的中心距，d2为的相邻熔道ry的中心距，w3为相邻两条熔道rz之间的搭接处的宽度。

进一步地，激光熔覆辅助材料m1时，激光工艺参数为：激光功率范围为1300w～1800w，扫描速度范围为6mm/s～10mm/s，送粉速率范围为20mg/min～35mg/min，激光光斑直径范围为0.5mm～1.5mm。

进一步地，激光熔覆硬质材料m2时，激光工艺参数为：激光功率范围为1500w～2000w，扫描速度范围为2mm/s～6mm/s，送粉速率范围为20mg/min～35mg/min，激光光斑直径范围为2mm～5mm。

进一步地，热处理方法为450℃下保温2小时后空冷。

进一步地，所述的基体材料m0可以是铁制品、不锈钢、钛合金或一些混合金属制品。

进一步地，所述的辅助材料m1优选为fe30粉末、fe45粉末、ni20粉末、ni25粉末、ni35粉末、ni45粉末、co42a粉末、316l粉末中的一种或任意几种的混合粉末。

进一步地，所述的硬质材料m2优选为fe55粉末、fe60粉末、fe65粉末、ni60粉末、inconel718合金粉末、co50粉末中的一种或任意几种的混合物。

本发明与现有技术相比，经济高效，可有效减小激光熔覆产生的内应力，从而减少裂纹的产生。

附图说明：

图1为本发明所述的一种减少裂纹产生的平板表面制备硬质涂层的激光熔覆方法中沿x方向和y方向在基体材料m0上按一定的尺寸熔覆硬度较低的辅助材料m1形成熔道的俯视图；

图2为本发明所述的一种减少裂纹产生的平板表面制备硬质涂层的激光熔覆方法中沿x方向熔覆硬质材料m2形成熔道的俯视图；

图3为本发明熔覆完成后，涂层沿y方向的剖视图；

图4为本发明熔覆完成后的俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。

实施例1

采用本发明方法如下：

基体材料m0为45号钢，尺寸为30mm×30mm×10mm，辅助材料m1选316l不锈钢粉末，硬质材料m2选inconel718合金粉末。

激光熔覆涂层过程中，先在基体材料45号钢上，用激光熔覆316l粉末，构建横竖交叉的软质材料熔道网格，然后，再用激光熔覆inconel718合金粉末将软质材料熔道网格覆盖。

熔覆辅助材料制备横竖交叉的软质材料熔道网格工艺参数：激光器功率为1500w，扫描线速度8mm/s，光斑直径为1mm，送粉速率为15mg/min；按上述工艺参数制备出的熔道宽度w1为1mm，厚度为0.45mm，x方向相邻熔道rx的中心距d1为10mm，y方向相邻熔道ry的中心距d2为6mm。

熔覆硬质材料m2时，工艺参数为：激光器功率为2000w，扫描线速度4mm/s,送粉速率为30mg/min，光斑直径为2mm，硬质涂层之间搭接率为30％。制备出硬质涂层宽度w2为2mm，高度h2为0.8mm的硬质涂层。

按照此方案制备的inconel718合金涂层内部应力减小，表面探伤后验证涂层表面无裂纹，经测量涂层硬度为29hrc，其硬度性能指标无明显降低。

熔覆后所采用的热处理方法为：450℃下保温2小时后空冷。

采用常规激光熔覆方法的对比例：

基体材料同为45号钢。熔覆时所用工艺参数相同，粉末m2同为所选inconel718合金粉末,激光器功率2000w，扫描线速度4mm/s,送粉速率为30mg/min，光斑直径为2mm，搭接率为30％。制备出硬质涂层宽度w2为2mm，高度h2为1mm的硬质涂层。直接熔覆在球体表面。

表面探伤后，出现大量裂纹。

结果表明，按本发明所述的方法熔覆在基体表面时，表面探伤后验证涂层表面无裂纹，经测量涂层硬度为29hrc，其硬度性能指标无明显降低。当直接把inconel718合金粉末直接熔覆在基体表面时，经表面探伤后，发现大量裂纹。

实施例2

基体材料m0为45号钢，尺寸为60mm×60mm×10mm，辅助材料m1选fe45粉末，硬质材料m2选ni60粉末。

激光熔覆涂层过程中，先在基体材料45号钢上，用激光熔覆fe45粉末，构建横竖交叉的软质材料熔道网格，然后，再用激光熔覆ni60粉末将软质材料熔道网格覆盖。

熔覆辅助材料m1制备横竖交叉的软质材料熔道网格工艺参数：激光器功率为1700w，扫描线速度7mm/s，光斑直径为1.5mm，送粉速率为20mg/min；按上述工艺参数制备出的熔道宽度w1为1.5mm，厚度为0.6mm，x方向相邻熔道rx的中心距d1为20mm，y方向相邻熔道ry的中心距d2为10mm。

熔覆硬质材料m2时，工艺参数为：激光器功率为2000w，扫描线速度4mm/s,送粉速率为35mg/min，光斑直径为3mm，硬质涂层之间搭接率为40％。制备出硬质涂层宽度w2为3mm，高度h2为1.5mm的硬质涂层。

按照此方案制备的ni60涂层内部应力减小，表面探伤后验证涂层表面无裂纹，经测量涂层硬度为50hrc，其硬度性能指标无明显降低。

熔覆后所采用的热处理方法为：450℃下保温2小时后空冷。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。