一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法

摘要

本发明属于激光熔覆再制造领域，具体涉及一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，包括：表面喷砂工序、激光熔覆工序、渐进剪切变形工序、和热处理工序。其中，所述的渐进剪切变形工序是将熔覆基板两端分别固定，其中一端可以在竖直方向上自由移动，利用球头刀具沿规定路径逐步移动迫使熔覆板渐进剪切变形贴合支撑斜面。通过调整支撑斜面角度，可以控制熔覆板的剪切变形程度。渐进剪切变形工序与激光熔覆工序同步实施，球头刀具紧随熔池对刚凝固的合金层进行剪切变形处理。本发明制备的激光熔覆耐磨板，定向生长的柱状晶与树枝晶被破碎，形成细小等轴晶，组织结构均匀化，位错密度高，致密性良好，具有较高的强度与耐磨性。同时，剪切变形也提高了基板的强度，消除了激光熔覆层与基板界面的缺陷，增大了结合强度，与传统方法制备的激光熔覆耐磨板相比，具有更为优异的综合力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于激光熔覆再制造领域，具体涉及一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法。

背景技术

激光熔覆技术是以高能激光束为热源,将预置或同步供给在基材表面的具有优异耐磨、耐蚀及耐热等性能的涂层材料熔化，并与基体形成良好的冶金结合，从而获得特殊要求的表面改性技术。此技术具有稀释率低、热影响区小、熔覆件扭曲变形小、过程易于实现自动化等优点。在激光熔覆过程中,激光、粉末材料及基体间相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化-凝固冶金过程,熔池的凝固在固液界面前沿存在柱状晶和等轴晶的相互竞争生长与转化[1,2]，这便导致熔覆层组织结构的复杂性。不同激光工艺参数制备熔覆层的柱状晶含量高低与生长取向是不同的，这将会在熔覆层零部件服役过程中表现出迥异的力学性能。相同激光工艺参数制备的熔覆层，由于组织结构的不均匀，也会在服役过程中表现出性能的不稳定性。此外，熔覆层合金粉末氧化、受潮在熔覆过程中生成气体残留形成的气孔、多道搭接熔覆中的搭接孔洞与熔覆层凝固收缩时带来的凝固孔洞，不仅易成为熔覆层中的裂纹源，也将直接影响熔覆层的耐磨、耐蚀性能。这便说明激光熔覆层的成形质量很难得到准确控制，提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的热点和追求的直接目标。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，以使制备的激光熔覆层显微组织结构更细小、更均匀，同时消除熔覆层内部缺陷、增强与基板的结合强度，因而具备更为优异的综合力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实施的：

一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，包括喷砂工序、激光熔覆工序、渐进剪切变形工序和热处理工序，其中：所述的渐进剪切变形工序与激光熔覆工序同步实施，利用球头刀具紧随熔池对刚凝固的合金层进行同步剪切变形处理。

发明人研究发现，激光熔覆耐磨板的制备方法中，增加同步渐进剪切变形工序，使熔覆层连同基板同时发生剪切变形，可以湮灭熔覆层孔洞缺陷，并破碎定向生长的柱状晶与树枝晶，使之转变成细小等轴晶，从而制备出的激光熔覆层具有更细小、更均匀的显微组织结构。与此同时，熔覆层与基板位错密度大幅度增加，起到了位错强化的作用；熔覆层与基板的结合强度也显著提高。经过去应力退火，消除残余应力，仍保持较高的综合力学性能。与传统激光熔覆工艺制备的熔覆耐磨板相比，其熔覆层平均显微硬度提高了16％以上，在服役过程中无任何剥离现象。

作为优选，根据本发明所述的一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，其中，所述的激光熔覆工序、渐进剪切变形工序和热处理工序在真空或惰性气体保护条件下进行。本发明的术语“真空”是本领域的通用术语；惰性气体如选择采用氩气等，目的是防止氧化。

作为优选，根据本发明所述的一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，其中，所述的球头刀具与氮气弹簧连接，由氮气弹簧提供正压力，可确保制备过程中熔覆层剪切变形所受的应力恒定，使变形更为均匀，从而获得更为优质的激光熔覆耐磨板。与普通弹簧相比，无需进行较大的压缩变形，减小了球头刀具起落时的行程，有利于提高生产效率。球头刀具与激光头固定在同一参照物上，当球头刀具向下移动时，激光头跟随向下移动，保证焦距恒定不变。

作为优选，根据本发明所述的一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，其中，所述的球头刀具作用位置中心点与熔池中心点的连线垂直于渐进剪切变形单层走刀方向，可确保球头刀具工作区域与熔覆层区域完全重合。球头刀具作用位置中心滞后于熔池中心若干单层进给量，在熔池热影响区内进行渐进剪切变形，可以最大限度降低变形抗力。

作为优选，根据本发明所述的一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，其中，所述的渐进剪切变形工序迫使熔覆层与基板同时发生剪切变形，在优化熔覆层力学性能的同时，也提高了基板的强度，有利于整块激光熔覆耐磨板综合力学性能的进一步提升。

作为优选，根据本发明所述的一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，其中，所述的热处理工艺为去应力退火，可确保消除内应力的同时，仍保留同步渐进剪切变形的强化效果。

本发明有以下优点：本发明制备的激光熔覆耐磨板，定向生长的柱状晶与树枝晶被破碎，形成细小等轴晶，组织结构均匀化，位错密度高，致密性好，具有较高的强度与耐磨性。同时，剪切变形也提高了基板的强度，消除了激光熔覆层与基板界面的缺陷，增大了结合强度，与传统方法制备的激光熔覆耐磨板相比，具有更为优异的综合力学性能。

附图说明

图1同步渐进剪切变形初始安装定位图

图2同步渐进剪切变形二维工作原理图

图3同步渐进剪切变形三维工作原理图

图中附图标记的含义：

1-球头刀具，2-激光头，3-送粉管，4-激光束，5-基板，6-紧固螺钉，7-活动端压板，8-活动端支撑板，9-导柱，10-导柱，11-紧固螺钉，12-支撑斜面，13-熔覆层，14-紧固螺钉，15-固定端压板，16-紧固螺钉

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

一种基于同步渐进剪切变形的激光熔覆耐磨板制备方法，包括：

(1)对基板表面进行喷砂处理，使获得一定的清洁度和粗糙度。

(2)依据图1，将基板固定在该装置上，基板厚度为4mm。

(3)在氩气保护下，对基板进行激光熔覆，采用同步送粉方式，熔覆材料为Ni60，激光功率3000W，光斑直径4mm，搭接率30％，扫描速度10mm/s。

(4)与激光熔覆同步，一个半径为4mm的球头刀具紧随熔池，对熔覆板进行渐进剪切变形，使其贴合支撑斜面，如图2与图3所示。球头刀具与激光头固定在同一参照物上，当球头刀具向下移动时，激光头跟随向下移动，保证焦距恒定不变。球头刀具压力为8000N，球头中心到熔池中心的水平距离为10mm，支撑斜面角度为25°。

(5)在氩气保护下，对同步渐进剪切变形后的熔覆板进行去应力退火，退火时间为2h。

对本实施例得到的激光熔覆板进行检测，熔覆层截面平均显微硬度达到612HV，与未经过同步渐进剪切变形其余方法与参数相同条件下制备的熔覆层(518HV)相比，硬度提高了18.1％。在摩擦磨损实验中，无任何熔覆层剥离现象。

实施例2

本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：熔覆材料选用NiCrBSi自熔性合金粉末，其化学成分为(wt％)：17.0Cr，3.5B，4.0Si，1.0C，<12Fe，余为Ni。

对本实施例得到的激光熔覆板进行检测，熔覆层截面平均显微硬度达到946HV，与未经过同步渐进剪切变形其余方法与参数相同条件下制备的熔覆层(787HV)相比，硬度提高了20.2％。在摩擦磨损实验中，无任何熔覆层剥离现象。

实施例3

本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：熔覆材料选用CoCrW钴基合金粉末，其化学成分为(wt％)：29.9Cr，4.5W，0.99C，3.0Ni，1.4Si，余为Co。

对本实施例得到的激光熔覆板进行检测，熔覆层截面平均显微硬度达到1178HV，与未经过同步渐进剪切变形其余方法与参数相同条件下制备的熔覆层(974HV)相比，硬度提高了20.9％。在摩擦磨损实验中，无任何熔覆层剥离现象。

实施例4

本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：熔覆材料选用Inconel718合金粉末。

对本实施例得到的激光熔覆板进行检测，熔覆层截面平均显微硬度达到438HV，与未经过同步渐进剪切变形其余方法与参数相同条件下制备的熔覆层(307HV)相比，硬度提高了42.7％。在摩擦磨损实验中，无任何熔覆层剥离现象。

上述优选实施例只是用于说明和解释本发明的内容，并不构成对本发明内容的限制。尽管发明人已经对本发明做了较为详细地列举，但是，本领域的技术人员根据发明内容部分和实施例所揭示的内容，能对所描述的具体实施例做各种各样的修改或/和补充或采用类似的方式来替代是显然的，并能实现本发明的技术效果，因此，此处不再一一赘述。本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不构成对本发明的限制。

参考文献

[1]J.D.Hunt,S.Z.Lu.Numerical modeling of cellular/Dendritic arraygrowth:Spacing and Structure prediction[J].Metall.Mater.Trans.A,1996,27:611-623.

[2]M.S.Henry,W.Kurz,et al.Epitaxial laser metal forming:analysis of microstructure formation[J].Mater.Sci.Eng.A,1999,271:232-241.