用于改善耐磨性的激光辅助间隙合金化的制作方法
【专利说明】用于改善耐磨性的激光辅助间隙合金化
[0001]现有应用
[0002]本申请要求2013年4月18提交的美国临时专利申请序列号61/813297的优先权。
技术领域
[0003]本发明整体涉及一种用于增加软金属性基材的硬度的改善方法。更具体而言，本发明涉及使用激光辅助软金属性基材的间隙合金化。
【背景技术】
[0004]当选择用于工业过程或经受摩擦力的机械设备的金属性基材时，存在二极性(dichotomy)。在制造过程或成型过程中，优选地选择用于容易成型的软材料。然而，选择软材料的基材将导致差的耐久性，尤其是当该设备经受摩擦力时。因此，当需要机械设备的耐久性时，选择硬金属性基材，其在制造或成型所述设备时造成问题。
[0005]已经进行了各种尝试来涂覆软金属性基材以改善耐磨性和已知引起基材的不利的尺寸改变的相关材料损失。例如，已经使用等离子体涂层和焊接堆焊层，但是提供有限的耐久性，并且由于必要的后加工操作而显著增加制造成本。气相沉积已用于增加表面硬度。然而，涂层和基材之间的机械接合弱，导致涂层劣化或失去附着性，引起气相沉积具有有限的用途。
[0006]已经采用硬度值比软合金基材高的间隙元素的扩散进行了实验，但没有达到显著的工业应用。相对于间隙合金化改善控制的各种尝试未被证明是有效的(affective)。因此，将会需要提供一种通过的间隙合金的扩散提高基材的硬度的增强方法。
【发明内容】
[0007]—种增强金属性基材的耐磨损性的方法，包括将包括间隙元素的涂层施加到所述基材的表面。将激光束引导到涂覆有间隙元素的金属性基材的局部区域上。激光束将金属性基材的温度局部升高到使间隙元素扩散到基材内的温度，从而在金属性基材的局部区域上提供包括间隙元素的合金层。激光束的焦点位于与基材表面间隔开的位置从而在基材的表面处优化激光束的功率密度。除去未扩散到基材内的间隙元素的涂层，从而暴露包括间隙元素的合金层。
[0008]本发明的方法提供一种控制基材分子的激发的增强能力，以控制间隙元素到软金属性基材内的扩散。通过相对于基材表面控制焦点，实现了对扩散过程增强控制的最佳能量束和能量配置。
[0009]附图的简要描述
[0010]将容易理解本发明的其它优点，因为当与附图结合考虑时，通过参考如下详细说明，更好理解它们:
[0011]图1示出了金属性基材；
[0012]图2示出了具有局部施加包括间隙元素的涂层的金属性基材；
[0013]图3示出了激光加热具有包括间隙元素的涂层的软金属性基材的局部区域；
[0014]图4示出了局部升高软金属性基材的温度的替代性方法；
[0015]图5示出经受本发明的方法的圆柱部件；
[0016]图6示出了使用检流计(galvanometer)以重新引导所述本发明的激光束来扩散管状部件内部的过程；
[0017]图7示出了经受本发明的方法的基材的实验硬度图表。
【具体实施方式】
[0018]参见图1，总体上以10显示平面部件形式的金属性基材。考虑由金属例如各种钢、镍合金、钴合金、招合金和铜合金形成金属性基材10。预期通过研磨、机加工或车削将基材10机加工或成型为最终形状，如本领域的技术人员已知的那样。发明人考虑基材10为任何经受已知降解(degrade)基材10的几何形状和功能的摩擦或其它机械力的基材10。
[0019]认为经受磨损的刀具，机械零件，例如活塞头，其它内燃机元件和任何金属性部件都能得到本发明的方法的增强。在加工之后，期望该基材10包括具有小于约20微米Ra值和小于约100微米的Rt值的表面粗糙度。如上所述，零件的几何形状包括平面刀刃、旋转刀刃、发动机气缸衬里、或发动机的活塞环。本领域普通技术人员应该明白的是，在本发明的范围包括任何受到耐久性要求的金属性基材。
[0020]图2示出了金属性基材10，其具有施加在已知要经受摩擦力的感兴趣区域上方的涂层12。该涂层包括间隙元素，该间隙元素具有已知允许扩散进入合金的晶格结构中的原子尺寸。更具体地，涂层包括氢、硼、碳、或氮中的至少一种。此外，在发明的范围内包括这些间隙元素的组合以进一步增强金属性基材10的耐磨损性。
[0021]以粉末或液体施加涂层12，在所述情况下，使用溶剂以液化和悬浮所选择的间隙元素。溶剂为水或有机物，但被选择为从基材10的表面闪蒸(flash)而不需要大量的时间或热。当将液体涂层12施加到基材10时，在烘箱中预热基材10到约240°C的温度20分钟左右，使得基材(或部件)接受均匀的温度。本领域普通技术人员应当理解，选择的从涂层12闪蒸溶剂的温度低于基材10合金的熔融温度以防止在不利地影响该部件的尺寸配置。在预热之后，从烘箱移动该部件和施加包括炭黑粉末的涂层，或通过气溶胶或喷雾方法施加其它间隙元素。该涂层在需要改善耐磨性的表面上方包括均匀的厚度。作为替代，将包含间隙元素的粘合带(tape)施加于需要增强磨损保护的感兴趣的区域。
[0022]现在参考图3，显示了将激光束16 (或能量束)投射感兴趣的区域18上的激光器14，所述区域已有包括间隙元素的涂层12。该激光器包括C02激光器、二极管激光器、光纤激光器、或能够引导所述激光束16到基材的感兴趣的局部区域18的任何等效能量源。激光束16限定了位于与基材10表面间隔开的位置的激光焦点20，以优化在基材10表面处的激光束的功率密度。例如，认为将该焦点定位在基材10的表面或太靠近基材的表面产生产生导致铸铁表面，已知其不提供由间隙元素的适当扩散所实现的耐久性质。因此，预先确定焦点20的位置以提供适量能量以激发基材合金材料的晶格结构，已知该合金材料允许间隙元素扩散至适当深度。
[0023]在一个实施方案中，激光束是发散的激光束，其中焦点20在基材10表面22的之上间隔开。这样的情形也在本发明的范围内:该激光束为会聚激光束，其中焦点20将会设置在基材10的表面22之下。
[0024]在最佳情况下，基材10的表面22不熔融。避免导致间隙元素与基材10合金反应的共晶反应是期望的。在基材上激光(或能量)束16的最佳效果是只激发基材10合金的分子晶格。这样，基于基材合金和间隙元素的所需扩散深度，对于每一施加预先确定最优的激光功率和速度。在一个实施方案中，0)2激光器对该基材10提供足量的能量。在其他实施方案中，优选二极管激光器。另外，改变激光器14以将交替形状的激光束16投射到基材10的感兴趣的区域。在某些应用中，矩形形状的激光束16是优选的，例如12X 1毫米或20X1毫米形状的激光束。