CN107574434A - 镍基合金表面激光修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍基合金表面激光修复方法，对待修理部位清理后，采用送粉激光熔敷，激光功率600‑1000瓦，光斑直径1.5‑2.5mm，扫描速度0.5‑1.5m/min，氩气保护，粉末20‑80微米，送粉量15‑30g/min，沉积层宽1.5‑2.5mm，沉积层高0.1‑0.3mm。不用热处理，修复层抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥25%。

Description

镍基合金表面激光修复方法

技术领域

本发明涉及激光制备涂层方法，属于快速成型制造技术领域，特别是涉及一种利用送粉激光制备镍基耐蚀合金涂层的方法。

背景技术

送粉激光熔敷金属技术主要应用于机械零件的修补、耐磨涂层制备、耐蚀合金涂层制备等，相比较于传统的电弧等技术手段，具备效率高和品质高的优势。随着激光器价格的下降、粉末材料种类的增多，在最近十年该技术得到了广泛应用。

目前行业广泛采用的激光器主要是CO₂和光纤激光器，但由于波长和功率的限制，很难做到对涂层厚度和表面粗糙度的精确控制。目前市场的激光器的波长均在1500-3500纳米，对粉末材料的被吸收率较低，且光斑直径较大，不利于控制涂层的尺寸。

在薄规格零件表面制备耐蚀涂层，需要做到对涂层厚度和表面粗糙度的精确控制才可以。现有技术还无法做到在厚度规格0.5-2.0mm金属零件表面进行厚度0.5-2.0mm耐蚀合金涂层的制备，且还需要确保表面质量。

发明内容

本发明的目的在于提供送粉激光制备耐蚀合金涂层的方法，解决了现有技术无法克服的在薄规格零件表面无法制备薄规格涂层的难题，可在0.5-2.0mm金属零件表面完成厚度 0.5-2.0mm耐蚀合金涂层制备，且表面粗糙度低于0.5微米。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

送粉激光制备耐蚀合金涂层方法，其特征在于：a)激光波长600-1200纳米，功率40-100 瓦，光斑直径200-400微米，扫描速度5-15mm/s；b)涂层用粉末材料为镍基合金，含有2-6％W， 1-3％Al和0.1-3％Sn，粉末尺寸在30-120微米，送粉速度10-25g/s；c)采用同轴惰性气体保护，气体流量20-40L/min；d)采用矩阵式扫描方法，沿涂层宽度方向前进0.3-0.7mm，然后沿涂层长度方向前进250-500微米，循环往复，直至完成；

送粉激光制备耐蚀合金涂层方法，粉末材料也可采用混合金属粉末；

送粉激光制备耐蚀合金涂层方法，耐蚀涂层厚度在0.5-2.0mm范围内可控。

技术说明如下：

激光波长600-1200纳米，功率40-100瓦，光斑直径200-400微米，扫描速度5-15mm/s。

粉末材料对激光束的吸收率随着激光束波长的减小而增加，因此减少激光束波长有利于增加激光束能量被粉末材料吸收，提高能源利用效率。降低激光束波长也有利于降低激光束光斑尺寸，从而有利于涂层尺寸的精确控制。

当激光束波长低于600纳米时，虽然粉末材料吸收系数高，但是会增加成本、降低加工效率；当波长超过1200纳米时，在降低粉末材料对能量的吸收的同时，也增加了光斑直径，降低了能量密度，不利于涂层厚度控制。因此激光束波长优选600-1200纳米。

当激光束波长700-1100纳米时，效果更好；

当激光束波长750-1000纳米时，效果最好；

激光束功率40-100瓦。

当光率低于40瓦时，不能够提供足够的热量来熔化粉末；当功率超过100瓦是，不容易控制熔池深度，易形成深坑，不利于成型性能。因此，优选功率是40-100瓦。

光斑直径200-400微米。

当光斑直径低于200微米时，融化效率太低；当光斑直径超过400微米时，光斑能量密度较低、照射到的粉末熔化不完全，不利于成型性能和表面质量控制。因此，优选功率是200-400微米。

扫描速度5-15mm/s。

当扫描速度低于5mm/s，效率太低；当扫描速度超过15mm/s，由于吸收热量不足导致粉末熔化不完全，不利于成型质量。因此，优选速度是5-15mm/s。

涂层用粉末材料为镍基合金，含有2-6％W，1-3％Al和0.1-3％Sn，粉末尺寸在30-120微米，送粉速度10-25g/s。

W由于具备良好的耐热性能，因此一般常常用于刀具、耐热钢等材料中。但在本发明中，W一方面和Al，Sn复合添加，可有效提高耐蚀性能；另一方面，由于W对于激光热量的吸收效率高，因此可以提高粉末材料的的成型性能。当其含量低于2％时，效果不明显；当其含量超过6％时，会显著增加成本，且耐蚀性能提高有限，因此，优选含量是2-6％。

Al具备耐蚀性能，但是对光的吸收效率低。本发明中，进行Al与W，Sn的复合添加，可显著提高耐蚀性能。当其含量低于1％时，提高耐蚀性能效果不明显；当其含量超过3％时，会形成大量的镍铝金属间化合物，该类化合物硬而脆，在降低涂层韧性的同时，也容易导致裂纹产生。因此，优选含量是1-3％。

Sn通常作为有害杂质元素、是需要清除掉的。但在本发明中，添加一定量的Sn一方面可以提高耐蚀性能，另一方面可以显著降低镍铝间金属化合物的生成，从而避免脆性和裂纹的生成。当其含量低于0.1％时，提高耐蚀效果不明显；当其含量超过3％时，会引发晶界间裂纹，降低涂层的整体塑韧性。因此，优选含量是0.1-3％。

当其含量是0.2-2.5％时，效果更好；

当行走速度0.3-2.0％时，效果最好；

粉末尺寸在30-120微米，送粉速度10-25g/s。

粉末尺寸一方面决定了流动性，另一方面也影响涂层的致密性和质量。当尺寸低于30微米时，不利于流动性，不利于熔敷效率提高；当粉末尺寸超过120微米时，会降低熔敷涂层的致密性，导致气孔率增加。因此，优选尺寸范围是30-120微米。

送粉速度需要跟激光束功率、光斑大小匹配来确保涂层质量。当送粉速度低于10g/s时，效率过低；当送粉速度超过25g/s，会导致熔化效果不良，影响涂层表面质量。因此，优选送粉速度是10-25g/s。

采用同轴惰性气体保护，气体流量20-40L/min；

同轴惰性气体保护在保护熔池的同时，也有利于促进粉末的稳定供给，且可以提高送给速度和送给量，从而提高熔敷效率。当气体流量低于20L/min时，保护不够；当气体流量超过40L/min时，会破坏粉末的稳定流动状态，从而导致涂层的成型性能和表面质量恶化。因此，优选气体流量是20-40L/min。

采用矩阵式扫描方法，沿涂层宽度方向前进0.3-0.7mm，然后沿涂层长度方向前进250-500 微米。该矩阵式扫描方法同时兼顾了激光束能量的有效吸收，也兼顾了熔敷效率。沿涂层宽度方向

粉末也可以采用镍基合金、W、Al和Sn粉末混合而成。

耐蚀合金涂层厚度在0.5-2.0mm范围内可控，涂层厚度可通过送粉量，激光束功率、光斑直径和扫描速度调节。

本发明的优点及有益效果：

1.本发明方法提供了耐蚀合金涂层及送粉激光制备方法，实现了厚度0.5-2mm涂层的精确控制，且成型和表面质量优良；

2.本发明方法提供了一种耐蚀性优良的镍基合金涂层，通过W，Al和Sn的复合添加，显著提高了涂层的耐蚀性能。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

钢板选用碳钢Q345D，厚度6mm，长度400mm，宽度为80mm。

采用真空冶炼设备制备目标成分的镍基合金，然后制成粉末；同时也分别准备镍，Al， W和Sn粉末，粉末种类及成分见表1。

开展送粉激光熔敷试验、制备耐蚀合金涂层，加工参数见表1。

熔敷金属试验完毕、检验涂层质量和耐蚀性能，结果见表2。

实施例1-8：

实施例1-4采用合金粉末，实施例5-8采用混合粉末。

涂层质量和耐蚀性能见表2。

对比例1-4：

对比例1-2采用合金粉末，对比例3-4采用混合粉末。

涂层质量和耐蚀性能见表2。

通过上述实施例可知，本发明提供的送粉激光制备耐蚀合金涂层，一方面耐蚀性能优异，另一方面厚度可控、且成型质量和表面质量优良。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

表1实施例涂层制备参数

表2实施例制备涂层质量和性能

Claims (3)

1.镍基合金表面激光修复方法，其特征在于：对待修理部位进行清理，然后进行送粉激光熔敷，参数如下：采用Nd:YAG激光器，功率Q为600-1000瓦，光斑直径D为1.5-2.5mm，扫描速度V为0.5-1.5m/min，氩气保护，粉末直径Dp为20-80微米，送粉量F为15-30g/min，层与层之间，激光装置抬高0.4-0.6mm后进行扫描，且满足：Q/(D×V)=300-500，(Q×F)/V=12000-20000。

2.根据权利要求1所述的镍基合金表面激光修复方法，其特征在于：每一个沉积层宽W=1.5-2.5mm，沉积层高H=0.1-0.3mm。

3.根据权利要求1-2所述的镍基合金表面激光修复方法，其特征在于：修复层抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥25%。