等离子熔覆技术

等离子熔覆技术（精选5篇）

等离子熔覆技术 第1篇

等离子喷涂是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型、多用途的精密喷涂方法。等离子喷涂具有超高温特性, 能够喷涂高熔点的涂层材料;涂层致密, 粘结强度高;涂层材料不易氧化。在基体材料表面采用等离子喷涂工艺制备涂层, 能够大幅度提高基体材料的耐磨、耐蚀、抗氧化和热冲击性能。随着科学技术的发展, 对涂层材料性能的要求不断提高, 与此同时, 涂层的制备工艺也要求不断地改进。另外, 对涂层的组织结构、性能和形成机理的研究也在逐步深入地进行。

激光熔覆是利用高能密度的激光束, 使不同成分和性能的合金与基体表面快速熔化, 从而在基体表面快速形成与基体具有完全不同的成分和性能的合金层的凝固过程。

1 等离子喷涂原理

等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子弧是一种高能束热源, 电弧在等离子喷涂枪中受到压缩, 能量集中, 离子束横截面的能量密度可以提高到105 106 W/cm2, 弧柱中心温度可升高到15 00033 000 K。

图1为等离子喷涂原理图, 图中右侧是等离子发生器。钨极与前枪体之间有段距离, 电源的空载电压加到喷枪上以后并不能立即产生电弧, 接通并联在前枪体与后枪体之间的高频电源后, 钨极端部与前枪体之间产生火花放电, 工作气体经进气管进入, 到达弧柱区后, 电弧便被引燃, 切断高频电源, 此时工作气体被电离成为等离子体。引燃后的电弧在孔道中受到3种压缩作用, 温度升高、喷射速度加大。与此同时, 喷涂粉末由送粉管输送到前枪体中, 粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态, 在高速气流的作用下撞击到工件的表面, 并发生塑性变形粘附在工件表面。各熔滴之间依靠塑性变形而互相结合起来, 随着喷涂的继续, 在零件表面就获得了一定厚度的喷涂层。

2 激光参数对温度场分布的影响

激光熔覆就是加热熔化凝固冷却的过程, 其中包含着相变。无论哪种相变传热模型, 当温度跨越相变区间时, 涂层材料都会吸收或放出大量的潜热。

为考察激光参数对熔覆效果的影响, 采用不同的激光参数进行了试验。首先考察激光功率对熔池深度的影响。在激光扫描速度v=10 mm/s、激光光斑半径R=2.0 mm、激光功率分别为Q=1 100 W和Q=1 200W条件下的试验结果见图2。结果表明, 在激光扫描速度和激光光斑半径不变的情况下, 随着激光功率的增加, 激光温度最高点升高, 熔池的宽度变大、深度增加。

在Q=1 100 W、R=2.0 mm、激光扫描速度分别为v=10 mm/s和v=6 mm/s条件下的试验结果见图3。结果表明, 在激光功率和激光光斑半径不变的情况下, 随着激光扫描速度的增加, 激光温度最高点降低, 熔池的宽度变小、深度减小。

在Q=1 100 W、v=10 mm/s、激光光斑半径分别为R=2.0 mm和R=1.5 mm条件下的试验结果见图4。结果表明, 在激光功率和激光扫描速度不变的情况下, 随着激光光斑半径的增加, 激光温度最高点降低, 熔池的宽度变大、深度减小。

3 激光熔覆效果的试验验证

AT-13涂层材料在高能密度的激光照射下, 以极快的速度升温到熔点以上而成为液体, 然后再以极快的速度凝固为固体。将激光熔覆后的试件轻度腐蚀后, 仔细观察熔化区与硬化区, 并与涂层厚度的计算结果比较。

在Q=1 200 W、R=2 mm、v=6 mm/s的条件下, AT-13等离子喷涂涂层经激光熔覆处理后的横截面金相组织照片见图5。激光熔覆在金属材料表面制造了极高的温度梯度和极快的冷却速度, 金属表面的这种温度分布导致了硬化区和热影响区的形成, 从金相照片可以明显看到熔化区和硬化区, 而热影响区则难以看清。

涂层材料在熔化区融化并发生相变, 等离子喷涂涂层中所有的β-Al2O3和γ-Al2O3全部转化为α-Al2O3, Al2O3与TiO2发生反应生成TiAl2O5, 但TiAl2O5在涂层中所占的比例不高, α-Al2O3为涂层中的主要成分。随着涂层物相的变化, 激光熔覆涂层的性能也发生变化, 主要体现在α-Al2O3的物理性能和化学性能发生了变化。在对AT-13等离子喷涂涂层进行激光熔覆处理时, 基体材料表面的一薄层也同时熔化, 和涂层材料生成合金, 从而使基体材料的表面性能有很大提高。

硬化区组织与普通淬火组成相相同, 是马氏体、碳化物和残余奥氏体的混合, 但硬化区的组织非常不均匀。由于加热速度和冷却速度极快, 致使所获得的各种组成相都极为细小, 且存在大量缺陷。细小的组织、高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错, 使得激光相变组织具有比常规淬火更为优异的性能。

对于原始状态为淬火状态的材料而言, 激光熔覆后的热影响区的组织通常为回火马氏体, 其硬度一般低于原始组织的硬度, 形成了涂层与基体之间的性能的过渡区域。

4 结束语

试验结果表明, 等离子喷涂AT-13涂层经激光熔覆处理后, 大大提高了涂层和基体的结合强度, 且涂层表面粗糙度较小、内部组织均匀, 取得了理想的效果。

激光熔覆技术分析与展望讲解 第2篇

作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化，作者：张庆茂

激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。

为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。

激光熔覆的优势

激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。

目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。

最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的，不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控，强韧性适当匹配，集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到：

● 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。

● 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。

● 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。

● 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。

● 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征；功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。

这些研究内容的突破，有可能解决涂层与基体相容性不匹配，易于产生裂纹的问题，促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。

激光复合熔覆技术

激光熔覆是由激光作为热源，在基底上包覆一层性能极为优良的合金层，其性能将依照所处理零件的具体要求而定。激光熔覆方法的优点是覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。其缺点也是很明显的：需要很高功率的激光器、单道搭接扫描不适宜大面积处理，难于实现产业化等。为解决这些难题，采用激光复合熔覆技术是有效的途径之一，也是今后发展的重要方向。激光复合熔覆就是采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作。普通加热方法根据需要可以是电加热、各类感应加热等。归纳起来，激光复合熔覆技术具有如下的特点：

●“常规（如感应）＋激光”二者复合加热熔覆是集两种加热工艺的优点，同时克服了各自单一方法的不足，充分体现了优势互补的特点。

● 用常规方法辅佐了激光加热，从而可以实现用较小功率的激光器完成由原来必需很高功率也不易完成的大面积熔覆，是单一方法无论如何也不易做到的。

● 激光复合熔覆技术扩大了常规技术的新的更广应用，而对常规技术的采纳又进一步促进了激光熔覆技术的应用和产业化的进程。

● 激光复合熔覆技术特别适用于细长杆类，尺寸在一定范围内的轴类等零件，如抽油泵柱塞、某些类型的轧辊及特殊用途的轴等。

新型激光源的熔覆技术

目前，激光熔覆主要采用的是CO2气体激光器，用于大型零件的激光熔覆，见图2和图3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脉冲激光熔覆。最近的工程应用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有优势。

发展的另一个重要的趋势是采用高功率半导体激光器，利用波长范围808-965μm的红光或近红外激光，较CO2 激光器来看金属易吸收，可省去前期预处理，方便易操作。大功率半导体激光熔覆技术较其他熔覆方法具有显著的优势，见表1。同时，半导体激光可以实现与同轴送粉一体化控制及应用光纤传输与扩束技术进行导光聚焦，实现全封闭传输或光纤传输，实现光、机、电、粉、控一体化高度集成控制；与机器手（人）结合，小型化，可实现移动在线服务，满足不同层次的需求。可以预见，在传统CO2、YAG激光熔覆技术之外，新型的大功率半导体激光熔覆设备与工艺，必将逐步发展起来并满足高质量表面工程的需要，成为激光表面处理的重要组成部分。

极端条件下的激光熔覆技术

随着激光熔覆技术的成熟与发展，陆续成功的应用于瓦楞辊的激光熔覆见图4，缸套火焰环的激光熔覆直接制造见图5，发动机部件修复见图6等。实现了以激光为主要加工手段对各种金属部件的几何缺失，按照原制造标准进行几何尺寸的回复、性能的提升。随着科学技术和工程技术的发展与需要，金属部件工作的条件愈来愈苛刻，经常工作在高交变应力、高温、高速、高腐蚀等极端条件下。因此，制造金属部件的材料需要同时具有多种性能才能满足零件特殊的服役条件。而且这些部件的制造成本、制造周期长，一旦失效产生巨大的经济损失和安全事故。如轮机装备中，各类重要的部件如：叶片、转子轴颈、阀杆、叶轮、阀门等；飞机发动机、内燃机部件等。这些工程上的技术难题，为激光熔覆技术提出了新的挑战。因此，如何解决极端条件下失效零部件的修复问题是十分迫切和复杂的，需要对极端条件下，零部件的失效形式分析，剩余寿命进行评估，选择合适的材料、工艺方法。因此，以极端条件下关键零部件的强化与修复为切入点，系统研究激光熔覆强化与再制造技术，通过若干关键技术的联合攻关，获得适合于极端条件下，各种零部件强化与修复的总体技术。重点需要攻关的方向：

● 极端条件下，失效零部件修复（强化）前后，寿命评估技术；

● 极端条件下，失效零部件无损伤修复技术的研究；

● 极端条件下，失效零部件激光修复专用合金材料的研究；

● 实体测量、三维实体堆积造型修复控制系统、修复过程温度、几何尺寸和质量智能监控系统的研究；

● 专用的修复附属装备的研究；

● 修复层性能测试技术及其加工技术的研究。

激光熔覆技术的展望

激光熔覆技术是集材料制备和表面构型为一体，是绿色再制造技术的重要支撑技术之一，符合国家可持续发展战略的高新技术。我国科学工作者在基础理论研究方面处在国际先进水平，为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面，激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。需要解决工程应用中的关键技术，研究开发专用的合金粉末体系，开发专用的粉末输送装置与技术，系统研究无损伤修复的工艺方法，建立质量保证和评价体系，加大力度，培养工程应用方面的人才，相信在制造业市场竞争日趋激烈的今天，激光熔覆技术大有可为。

作者简介

张庆茂，男，工学博士，教授，广东激光加工技术产学研结合示范基地主任，广东省光学学会激光加工专业委员会秘书长。

等离子熔覆技术 第3篇

关键词：刮板输送机,等离子熔覆,耐磨,再制造

0 引言

在煤矿行业,整个煤炭开采工作面的完成是依靠煤矿“三机”(采煤机、刮板输送机和整套的液压支架)之间的密切协同配合,共同完成采煤、接煤、装煤及运煤的整个煤炭开采过程。其中,刮板输送机是整个煤矿综采面的关键枢纽设备,负责整个综采面煤块及物料的运送,起到“三机”设备衔接枢纽的作用,其能否正常运转直接影响到综采工作面的生产能力和采煤效率。

由于煤矿井下严峻恶劣的特殊环境,刮板输送机在运行、载煤过程中,会出现不同程度的磨损情况,严重影响了整个煤炭开采工作面的正常运转,大大降低了采煤效率。这在当前煤炭形势不太乐观的市场下,是绝对不允许存在的。若将这些因磨损而影响到综采面正常运转的刮板输送机废弃,又会极大地造成资源浪费,有悖国家一直倡导的“建设节约型社会、坚持可持续发展”的政策要求。因此,对废旧的刮板输送机进行再制造修复强化处理就显得尤为重要。本文就废旧磨损的刮板输送机采用等离子熔覆技术再制造修复进行研究与应用。

1 刮板输送机失效分析

综采面工作环境潮湿,相对湿度较大(在75%以上),煤层中含有P、S等有害腐蚀性固体物质,会使刮板输送机出现腐蚀、黏着等形式的磨损,加速刮板输送机的失效。另外,刮板输送机作为煤块、物料运输的主要承载体,在运行过程中,经常受到煤矸石等硬质颗粒的冲击、碰撞,发生剧烈的相对摩擦运动,运行阻力变大,这样就使刮板输送机在长期的运转过程中出现严重的磨损情况,严重影响煤炭运载的正常运行:煤块运载出现倾斜,刮板机有向下窜动的可能;链条与底板磨损较深,造成刮板机运载不平稳,会出现卡滞情况;转载机电机负荷加大,大大缩短其使用寿命等。磨料磨损、腐蚀磨损和黏着磨损是刮板输送机磨损失效的主要形式。刮板机中部槽磨损情况如图1所示。

2 刮板输送机等离子耐磨强化

刮板输送机是煤矿综采关键设备之一,承载着主要的物料运载和“三机”衔接作用。由于井下特殊、复杂的工作环境,刮板输送机在运行一段时间后就会出现严重的磨损现象,直接影响到综采工作面工作的顺利进行。目前,主要采用等离子熔覆技术对刮板输送机进行耐磨再制造强化处理,修复因磨损影响运作的刮板输送机,恢复其尺寸和性能,将磨损的刮板输送机再重复利用。

等离子熔覆技术是近年来逐渐兴起与发展的一种金属表面改性技术。它是利用高能量等离子束作为热源,在基材表面将基材与熔覆材料同时熔化,形成熔池,并发生复杂的物理化学相互作用,表面形成一系列的高强度耐磨强化相,从而达到增强刮板输送机表面耐磨强化的效果。等离子熔覆技术与传统耐磨堆焊技术相比,具有成型性好、熔覆效率高、表面熔覆层质量高、性价比高等优点,是较适合煤机大型设备刮板输送机的耐磨强化的一种再制造表面改性工艺。

以刮板输送机中部槽为例,对磨损的中板和底板利用数控等离子熔覆设备,结合耐磨合金粉末进行等离子熔覆再制造强化处理,对槽帮及中部槽边角溜槽利用手持式等离子熔覆设备进行修复耐磨处理,恢复中部槽的尺寸和使用性能。根据刮板输送机中部槽的磨损程度,采取不同的等离子熔覆再制造工艺,大体工艺流程:(1)评判磨损程度,确定再制造工艺;(2)工件表面清理、冲洗煤泥;(3)底板数控等离子熔覆耐磨强化;(4)槽帮手持设备等离子熔覆耐磨强化;(5)中板数控等离子熔覆耐磨强化;(6)整体装配、检验;(7)抛丸处理;(8)喷漆、发货。

采用等离子熔覆耐磨强化技术对陕西某矿SGZ900/1050型刮板输送机进行大修及等离子熔覆耐磨强化再制造修复过程及修复后的状况如图2所示。

3 耐磨强化后刮板输送机工业应用

对刮板输送机磨损部位采用等离子熔覆技术并结合等离子专用耐磨合金熔覆材料进行再制造耐磨强化处理,对耐磨熔覆层进行硬度测试,其表面平均硬度达到58HRC,耐磨层硬度值明显得到大幅度提高,完全可满足刮板输送机矿井使用工况要求。

2013年3月,山西某煤矿采用等离子熔覆再制造技术强化处理了1部SGZ764/400型刮板输送机,经过矿井下实际运行,在过煤量达到100万t时刮板输送机上的耐磨熔覆层仍然清晰可见(图3),预期可实现过煤量翻一番的目标。

4 效益分析

刮板输送机是煤矿行业使用量最大、磨损更换频率最高的煤机设备,采用等离子熔覆再制造技术对刮板输送机进行耐磨强化修复,可以使刮板输送机的耐磨性能、强度、硬度等综合性能得到大幅提升,显著延长设备使用寿命,延长设备使用更换周期,提高煤矿生产单位的生产效率,不仅为企业节省大量的设备资金投入,据估算每年可为企业节约上亿元设备购置费用;同时,将废旧的刮板输送机再制造重新利用,节约大量的钢材资源,符合国家大力倡导的创建节约型、环保型社会的路线方针,所带来的经济效益和社会效益突出。

5 结语

对刮板输送机失效形式进行了分析,采用等离子熔覆技术在磨损的刮板输送机进行再制造强化修复,结合矿井工业实际应用情况,认为等离子再制造后的刮板输送机耐磨效果明显突出,设备使用寿命明显得到大幅度延长,益于企业生产,符合国家政策,值得大力工业推广应用。

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等离子熔覆技术 第4篇

关键词：微束等离子熔覆,18Cr2Ni4WA,Ni60,组织结构,性能

0前言

微束等离子熔覆层具有优异的耐磨、耐蚀、抗高温氧化、抗疲劳等性能,是表面改性技术研究中的热点[1,2,3],并且得到了越来越多的应用[4,5,6]。目前有关飞机磨损部件表面修复的报道较少。本工作在18Cr2Ni4WA高强度钢飞机襟翼作动筒活塞磨损表面微束等离子熔覆Ni60合金,研究了熔覆层的形貌、成分、相结构、显微硬度、相对耐磨性和耐腐蚀性能,以期为实际应用提供理论依据。

1 试验

1.1 基材前处理

基材为18Cr2Ni4WA钢管,长200 mm,内径39mm,外径45 mm;经20棕刚玉喷砂处理(喷射距离150mm,压缩空气压力0.6 MPa),用清水冲洗后吹干,再用丙酮擦洗后备用。

1.2 微束等离子熔覆

熔覆粉末为180～350目的Ni60合金粉,化学成分:15.70%Cr,3.35%B,4.27%Si,4.08%Fe,0.81%C,Ni余量。

采用自制的微束等离子熔覆系统,等离子枪垂直向下,嘴外送粉水平熔覆,等离子气和保护气均为纯度99.99%的氩气,使用2.0 mm的小孔径喷嘴以提高微束等离子热输入密度,熔覆参数见表1。

1.3 性能测试

将HCl,HNO3,H2O按体积比1∶10∶10配制成溶液腐蚀试样,再用Quanta 200型扫描电子显微镜(SEM)观察熔覆层的形貌,并用其自带的能谱仪(EDS)分析熔覆层的成分。采用D8型X射线衍射仪(XRD)分析熔覆层的相结构。采用HVS-1000型显微硬度计测量熔覆层的硬度,沿熔覆方向间隔2 mm取6个点测量,取平均值。依据GB 6458-86进行中性盐雾试验检测试样的耐腐蚀性能,采用YWX/Q-15X型盐雾试验机,箱内温度(35±2)℃,介质为(50±10)g/L NaCl溶液,p H值为6.5～7.2,每隔8～10 h观察1次,记录出现锈蚀点的时间。采用M-2000型磨损试验机测定熔覆层的耐磨性,负荷1 000 N,上试样轴转速360 r/min。

2 结果与讨论

2.1 熔覆层的形貌

扫描速度105 mm/min和135 mm/min时的熔覆层的形貌见图1。熔覆层中有大量等轴晶,其间零散分布部分柱状晶(见图1a),较小的温度梯度是产生这种现象的主要原因。随着熔覆枪扫描速度的提高,熔覆层枝状晶和柱状晶的数量增加,熔覆层底部的平面晶区趋于明显,熔覆区组织均匀、致密,无气孔和裂纹(见图1b)。

2.2 熔覆层的成分

扫描速度105 mm/min时的熔覆层的表层EDS谱见图2。由图2可以看出:由于稀释率较小,熔覆层表层金属元素的质量分数与熔覆粉末的相近,而原子序数小于11的C,B元素不能由EDS测定。熔覆时基体上的熔池保证了熔覆层与基体之间的冶金结合,但基体的熔化不可避免地产生稀释问题,熔池内的温度梯度大,对流运动剧烈,母材金属与熔覆金属混合并凝固,不利于熔覆层本身性能的保持。多层熔覆时首层的熔覆情况与单层熔覆时一致,会产生稀释,但后续熔覆时等离子弧热源形成的熔池浮于已形成的熔覆层之上,基体未参与熔化,隔离了稀释源,只有上一熔覆层表面和近表面区域的微量母材金属会进入新的熔覆层,多层熔覆后最外层熔覆层的稀释率将趋近于零,因而熔覆层表面金属元素的质量分数与熔覆粉末的相近。

2.3 熔覆层的相结构

扫描速度60 mm/min和105 mm/min时的熔覆层的XRD谱见图3。由图3可以看出:熔覆层主要由γ-Ni,Ni3B,Cr21.34Fe1.66C6和Cr2B3相组成,低速扫描时还出现了γ-Fe相。扫描速度较低时,熔池从形成到凝固的周期较长,温度梯度极大的熔池内对流运动剧烈,且侧面的送粉气流力与电弧对熔池的作用力的合力对熔池内液体与熔化的粉末进行搅拌,提高了熔覆层的稀释率。在高稀释率的情况下,由于使用Ni基合金熔覆,极大地降低了马氏体相变点,使γ-Fe能够稳定存在,所以XRD谱中出现了γ-Fe峰。当扫描速度提高时,熔池较浅、较薄并且存留时间短,熔化的粉末与熔化的基体没有充分融合,稀释率降低。因此,熔覆层表面的γ-Fe峰消失。

2.4 熔覆层的显微硬度

不同扫描速度的熔覆层的显微硬度见图4。由图4可以看出:随着扫描速度增加,熔覆层表面的硬度先增加后减小。微束等离子熔覆速度决定了粉末利用率和物相组成的变化趋势,当扫描速度较低时,粉末利用率高,但同时稀释率大,γ-Fe的存在降低了熔覆层的硬度。

在熔覆层中Cr与B,C形成了硬度极高的硼化物和碳化物,且Cr在镍基合金中主要以Ni-Cr固溶体的形式存在,对合金具有固溶强化作用。此外,B和Si对合金也具有固溶强化和弥散强化的作用。可见,高的Cr含量是影响熔覆层显微硬度的主要因素。当扫描速度提高时,粉末与基体的未融合使熔覆层显现熔覆粉末的本征特性,但粉末利用率的降低又使熔覆层Cr含量有减少的趋势,两种影响最终使熔覆层的硬度先增加后减小。

2.5 熔覆层的相对耐磨性

测得扫描速度90 mm/min和105 mm/min时的熔覆层的磨损量分别为18Cr2Ni4WA基体的磨损量的0.98和0.97倍。可见,微束等离子熔覆处理后材料表面的耐磨性有所提高。熔覆层内的Cr,C,Ni,B等硬脆相使得熔覆层的耐磨性提高,这为将来开展航空武器装备再制造尤其是制备耐磨修复层奠定了基础。

2.6 熔覆层的耐腐蚀性能

测得扫描速度90 mm/min和105 mm/min的熔覆层以及18Cr2Ni4WA基体的中性盐覆试验出锈时间分别为688,656,518 h,熔覆层的耐腐蚀性能优于基体,这是熔覆层的镍含量较高所致。

3 结论

(1)微束等离子熔覆层中存在大量等轴晶;当扫描速度加快时,枝状晶和柱状晶的数量增加,熔覆层均匀、致密。

(2)熔覆层主要由γ-Ni,Ni3B,Cr21.34Fe1.66C6和Cr2B3相组成,低扫描速度时还出现了γ-Fe相。

(3)随着扫描速度增加,熔覆层的显微硬度先增加后减小。

(4)微束等离子熔覆处理可以提高材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。

参考文献

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激光熔覆技术专利分析 第5篇

激光熔覆技术是激光表面改性处理的一种[1],目前在地球蕴藏的有限战略金属元素的大量消耗的今天,该技术引起了世界各国的高度关注。为了解激光熔覆技术在专利中的分布状况,本文以专利数据为分析样本,从专利中激光熔覆技术申请的国内外申请时间分布特点、国内外国家/地区专利布局特点、国内外专利申请人分布特点、激光熔覆技术存在的主要问题、解决问题的主要方向等方面进行分析。本文所依据的数据分布来自中国专利文摘数据库(CNABS)和德温特世界专利索引数据库(DWPI)。

1 激光熔覆技术国内外发展概况

1.1 国外激光熔覆技术发展概况

最早的激光熔覆技术专利是由美国AVCO EVERETT RES LAB INC公司的Gnanamuthu于1974年底提出的,他提出了在金属基体上激光熔覆一层金属材料的方法的专利US3952180A,由此开启了激光熔覆的基础研究工作的序幕。从图1可以看出,激光熔覆技术国外起步较早,但是到本世纪初以后出现了发展停滞期。

由图2可以看出,国外的专利申请主要集中在下面三个地区欧洲(如英国、德国、法国)、亚洲(日本)和北美(美国)。欧洲在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)金属基复合涂层制备技术,如专利申请EP13160591A,在基材表面熔覆金属材料以提高基体的硬度及抗腐蚀性;(2)激光熔覆修复技术,如德国RORO公司的专利申DE102011081112A,分区域激光熔覆修复材料以对工件的损坏部位进行修复;(3)激光熔覆微观缺陷的分析与改进技术,如EP12726014A采用结构探伤检验以分析显微裂纹和残余应力。

北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)激光熔覆耐磨工具钢制造技术,如ALVO-N公司的专利申请US19990247470A研究了切削不同材料的切削工具的激光熔覆技术;(2)激光熔覆Ti B2制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金等合金制备技术。

亚洲(中国以外的国家和地区)在激光熔覆领域主要研究内容包括:(1)利用激光熔覆增强零件机械性能方面,主要的专利申请人有日本丰田、尼桑汽车公司和三菱公司等;(2)激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层方面,如JP2011057394A;(3)激光熔覆过程微观缺陷的分析与改进技术。

从图3可以看出,国外主要的申请人集中于日本、欧洲、美国,如TOYOTA MOTOR CORP、GEN ELECTRIC、DTM CORP等公司。这与国外申请总量的地域分布成正相关。

1.2 国内激光熔覆技术发展概况

由图4可以看出,我国在本世纪初出现激光熔覆的专利,只有少数企业尝试应用,如济南钢铁集团新事业有限公司于2003年申请的专利CN03112193A中,采用激光熔覆工艺在加热炉滑块的工作面熔覆60钴合金层。2006年之后,激光熔覆以迅猛的势头发展,目前仍有大幅增长的趋势。

我国激光熔覆专利分布的地域趋势较为明显,主要集中在江苏、辽宁、北京、山东等地,这与上述地区经济繁荣、科研实力强等因素有关,其中申请人沈阳大族激光的申请量最大,详见附图5、图6。

我国对激光熔覆方法的研究范围广泛,研究内容主要涉及以下方面:(1)激光熔覆制备耐磨涂层,如丹阳宏图激光科技有限公司公开了关于耐磨涂层制备的申请,如CN201310239606A、CN201310239642A、CN201210351277A等;(2)改进激光熔覆工艺参数方面的研究,如CN201110376721A、CN201110178442A等对激光熔覆的工艺参数进行优化调节;(3)金属基复合涂层制备工艺,如沈阳大陆激光成套设备有限公司的专利申请CN201010518946A,公开了在高速线材辊环表面激光熔覆制备碳化钨硬质合金涂层的方法;(4)对熔覆材料的改进,如中国科学院半导体研究所的专利申请CN201310308333A,公开了激光熔覆用合金粉末C,Ni,Cr,B,Si,Mo,Cu,余量为Fe。

2 熔覆材料技术分布

通过对相关专利文献的阅读研究发现:裂纹是大面积激光熔覆技术中主要待解决的问题之一。目前在专利文献中,从熔覆材料方面来改善裂纹问题为主要申请方向之一。按照材料成分构成,激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中,自熔性合金粉末的研究与应用最多。

2.1 自熔性合金粉末

自开展激光熔覆技术研究以来,人们最先选用的熔覆材料就是Ni基、Co基和Fe基自熔性合金粉末。

Ni基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光熔覆材料中研究最多、应用最广。具有代表性的如江苏翌煜能源科技发展有限公司的专利申请CN201310396991A公开的用于丝杠表面进行激光熔覆的镍基陶瓷粉末。

Co基自熔性合金润湿性好,其熔点较碳化物低,受热后Co元素最先处于熔化状态,而合金凝固时它最先与其它元素形成新的物相,对熔覆层的强化极为有利。具有代表性的如武汉团结点金激光科技有限公司的申请CN201310313958A中公开的一种汽车变速箱齿轮热锻模具激光再制造修复的钴基陶瓷粉末。

Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件,基体多为铸铁和低碳钢,其最大优点是成本低且抗磨性能好。具体代表性的专利申请为:CN201010218196A,CN201310047311ACN201310313958A。

2.2 复合粉末

复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。专利文献中,目前应用和研究较多的复合粉末体系主要包括:碳化物合金粉末(如WC、Si C、Ti C、B4C、Cr3C2等)、氧化物合金粉末(如Al2O3、Zr2O3、Ti O2等)、氮化物合金粉末(Ti N、Si3N4等)、硼化物合金粉末、硅化物合金粉末等。其中,碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和应用最多主要应用于制备耐磨涂层。具有代表性的专利如山东能源机械集团大族再制造有限公司的专利申请CN201210159355A中涉及的WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末。

3 结论

激光熔覆技术国外起步较早,申请主要集中在欧洲(如英国、德国、法国)、亚洲(日本)和北美(美国),但是到本世纪初以后出现了发展停滞期,而此技术在中国起步较晚,但是该技术在本世纪初至今发展迅猛,我国激光熔覆专利分布的地域趋势较为明显,从熔覆材料方面来改善裂纹问题为主要申请方向之一,自熔性合金粉末、复合材料的研究与应用成为熔覆材料申请的热点。

摘要：本文主要从激光熔覆技术国内外专利申请的申请时间、国家/地区专利申请分布、国内外专利申请人分布、激光熔覆技术存在的主要问题、解决问题的主要方向等方面进行分析研究。研究表明:激光熔覆技术国外起步较早,专利申请主要集中在欧洲、亚洲和北美,本世纪初以后出现了发展放缓;而该技术在中国起步较晚,但在本世纪初至今发展迅猛,我国激光熔覆专利分布的地域趋势较为明显,从熔覆材料方面来改善裂纹问题为主要申请方向之一,自熔性合金粉末、复合材料的研究与应用成为熔覆材料申请的热点。

关键词：激光熔覆,专利,合金

参考文献