一种梯度耐磨涂层及制备梯度耐磨涂层的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于材料加工领域，涉及一种利用超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆的技术制备梯度耐磨涂层的方法，包括梯度耐磨涂层粉末成分与结构的设计方法，该方法适用于激光表面熔覆处理方面。
【背景技术】
[0002]激光熔覆技术是一种先进的表面强化技术，通过不同的添料方式在被熔覆基体表面放置被选择的涂层材料经激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低且与基体形成冶金结合的表面涂层，所形成的涂层具有更好的耐磨、耐腐蚀性，耐冲击、耐高温、抗氧化等性能。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆的材料较多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
[0003]梯度涂层技术主要是指在基体材料上形成粉末成分渐变的涂层。现今梯度涂层的主要研究方向是通过添加或自生增强与增韧相得方式在涂层中实现组织结构与相关物理化学性能的渐变，可以大大地提高两种不相容材料的粘结强度，减小残余应力和热应力，消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性。在增强连接强度的同时，减小裂纹驱动力。本发明采用梯度涂层技术成功实现了无裂纹缺陷熔覆层的制备，在保证硬度与耐磨性的同时，缓解涂层开裂倾向。
[0004]超声波振动是一种先进的振动技术，超声波是声波的一种，具有频率高、穿透能力强等特点。实验证明，当超声波施加到材料上时，其产生的超声振动会改变材料的原始构造，降低其变形抗力，可以使熔覆层内晶粒细化，消除残余应力从而减少裂纹产生。所以本发明利用超声波辅助技术进行激光熔覆，可以获得表面光洁度高，无裂纹、夹渣，晶粒均匀细化的熔覆层结构，具有良好的力学性能。
[0005]电磁感应加热是一项已经成熟并且广泛运用的加热技术，通过先进的电路系统在被加热的金属内部产生高频磁场，高频磁场根据高频感应原理在被加热的金属内部产生高频电子碰撞，从而产生热量使金属温度迅速上升，加热温度范围在100?1000°C。由于是高频感应原理，高频线圈不和被加热金属直接接触，所以系统本身热辐射温度接近环境温度，只有50°c以下，人体完全可以触摸。在熔覆过程中使用电磁感应加热装置可以有效消除熔覆层的温度梯度，消除热应力，从而减少裂纹产生，是改善涂层裂纹和表面质量的理想工艺方法。
[0006]中国专利CN203923374U公开了一种机械振动辅助激光熔覆轴类零件的装置，利用该装置对轴类零件进行同步机械振动激光熔覆，以实现细化晶粒、消除残余应力、减少裂纹的目的。但由于机械振动的频率一般只有几十个Hz，提供的振动能量受到限制。本发明利用超声振动辅助激光熔覆，频率可达20kHz，振动能量大，对熔覆层的形成具有更好的效果。
[0007]中国专利CN103305828A公开了一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及其方法，其在一道激光熔覆完成后利用超声冲击对激光熔覆层进行作用，多道多层激光熔覆时，激光熔覆与超声冲击交替进行。本发明是激光熔覆与超声振动同时进行，在熔覆材料熔化到凝固的全过程中超声振动持续作用，能在晶粒形成过程中实现晶粒细化、消除残余应力。
[0008]中国专利CN104451673A公开了一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层的方法，其中利用超声振动预置粉末的方式制备耐磨涂层，但预置粉末法的激光利用率比较低，被反射的激光能量、熔覆材料飞溅损失的能量较多。熔覆层烧损严重，基体表面加热慢，且加热程度较低，而且熔覆层易产生气孔、变形、开裂，产生夹渣倾向较大熔覆层稀释率不易控制，工艺过程复杂不易实现。由于熔覆粉末是均匀涂覆在基体表面，因此在超声振动作用时，预置粉末层会因为高频剧烈振动而发生剥落，导致熔覆层无法形成。本发明使用同步同轴送粉方式，较预置粉末法有较大优势。熔覆材料与基体材料同时熔化、成形性好、熔覆速度快、烧损轻、熔覆材料与基材达到冶金结合、熔覆层组织细小、强度高、熔覆材料成分方便可调。熔覆粉末不受超声振动的影响。
[0009]中国专利CN103898503A公开了一种激光一感应复合熔覆修复轴类零部件的方法，在激光熔覆过程中利用电磁感应线圈对轴类部件进行感应加热，以期达到减少熔覆过程中产生的温度梯度，从而避免裂纹生成。该加热方法中的电磁感应线圈对普通结构的轴类部件比较适用。对于具有复杂结构的轴类零件，待加工表面形状不规则，线圈与零件加热表面的距离无法保持一致，导致零件表面受热不均。
【发明内容】
[0010]本发明技术解决方案:克服现有技术的不足，提供一种梯度耐磨涂层及制备梯度耐磨涂层的方法，不仅提高了基体的耐磨性，一定程度上还具有耐冲击、耐腐蚀、耐高温等优异性能，可以很好地达到了减少温度梯度、避免裂纹生成的效果。
[0011]本发明采取的技术方案为:
[0012]本发明涉及一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的系统，如图1，其包括数控操作设备1、数控电脑2、C02激光器3、三爪卡盘4、熔覆基体
5、激光折射镜6、同轴送粉激光头7、工具头8、氩气气瓶9、同步送粉器10、变幅杆11、换能器
12、定位夹具13、水平移动平台14、超声波发生器15、电磁感应加热线圈16、红外测温探头
17、数控工作台18;
[0013]所述数控操作设备1、CO2激光器3、三爪卡盘4、激光折射镜6、同轴送粉激光头7、数控工作台18组成CO2激光器数控加工装置，CO2激光器3发出的激光束经过激光折射镜6与同轴送粉激光头7照射到熔覆基体，数控操作设备I控制数控工作台18、三爪卡盘4与同轴送粉激光头7的运动方式；
[0014]所述超声波发生器15、水平移动平台14、定位夹具13、换能器12、变幅杆11、工具头8组成超声振动装置，换能器12、变幅杆11与工具头8依次相连组成振动单元，超声波发生器15通过信号传输线连接振动单元，振动单元通过定位夹具13与水平移动平台14相固定，水平移动平台14再与CO2激光器数控加工装置的数控工作台18相固定，以上均通过螺栓固定；
[0015]所述红外测温探头17、电磁感应加热线圈16和数控电脑2组成轮廓跟踪电磁感应加热器，数控电脑2通过信号传输线连接红外测温探头17与电磁感应加热线圈16。通过数控电脑2控制电磁感应加热线圈16的加热轨迹与待熔覆表面外轮廓保持一致且线圈始终距离待熔覆表面5?10mm，红外测温探头17则把线圈加热温度实时传回数控电脑2以便实现温度控制；
[0016]所述氩气气瓶9分别与同轴送粉激光头7和同步送粉器10相连，同步送粉器10与同轴送粉激光头7相连，氩气气瓶9通过同轴送粉激光头7向熔覆基体的熔覆区域吹送氩气保护气，同步送粉器10通过同轴送粉激光头7向熔覆基体的熔覆区域吹送熔覆粉末，熔覆基体5装夹于三爪卡盘4上；
[0017]所述定位夹具13包括一个定位基板22、四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个下夹紧块27、两个导向定位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧块高度锁紧螺母31、两个导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片34、两个夹紧垫片35。其中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24与四个基板紧固垫片34与水平移动平台14固定，定位基板22与下夹紧块27通过高度调节螺柱26相连。当高度调节完毕时，将两个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺母32和两个导向锁紧垫片33与定位基板22相固定。将振动单元装夹于上夹紧块29与下夹紧块27中间的夹紧孔中，通过两个夹紧螺钉30与两个夹紧垫片35实现夹紧。该定位夹具13可以实现工具头8高度方向上的调节，并确保工具头8始终垂直于熔覆基体5的中轴线，水平移动平台14可使工具头8实现在水平面上的单向运动；
[0018]所述水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动旋转把手37、XY轴移动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓41组成。其中X轴移动旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动，水平移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO2激光器数控加工装置的数控工作台18相固定；
[0019]本发明涉及一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层，所述梯度耐磨涂层分为四层，包括底层、两层过渡层及耐磨层。其中，底层采用Co50+0.15% CeO2粉末，过渡层采用Co50+0.25 % Ce02+6 %Ni/WC粉末，上层的耐磨层采用Co50+0.4%Ce02+12%Ni/WC粉末。底层激光熔覆时采用12?22%的大稀释率，确保与基体形成良好的冶金结合，并使底层的热膨胀系数接近母材，降低残余应力引起的熔覆层开裂倾向。两层过渡层采用6?8%小稀释率激光熔覆制备，提高硬度计耐磨性能。在过渡层之上激光熔覆制备5?7%小稀释率耐磨层，由于WC含量的逐渐增加，在硬度与耐磨性能提高的同时，缓解了涂层的开裂倾向。其中，底层激光熔覆参数为:激光功率1700W?1900W，扫描速度270?290mm/min，送粉率0.5?0.7r/min，光斑直径4?5mm，搭接率40%?50%，恪高0.3?0.5mm;过渡层激光熔覆参数为:激光功率1600W?1800W，扫描速度270?290mm/min，送粉率0.6?0.8r/min，光斑直径4?5mm，搭接率40 %?50 %，熔高0.7?0.9mm;耐磨层激光熔覆参数为:激光功率2000W?2200W，扫描速度270?290mm/min，送粉率0.7?0.9r/min，光斑直径4?5mm，搭接率40%?50%，熔高1.0?1.2mm。激光熔覆过程中