專利名稱：用于利用礦物顆粒激光熔覆物品的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及用于激光熔覆金屬物品的方法和材料，并且更特殊地，涉及包括改進(jìn)物品耐磨性的添加劑。
背景技術(shù)：
金屬部件時(shí)常未能實(shí)現(xiàn)它們的預(yù)期用途，這不僅歸因于斷裂，還歸因于磨損和磨耗。磨損從尺寸方面和功能方面改變金屬部件。用于修復(fù)磨損的金屬部件的工藝是已知的， 其中耐久材料被附著到磨耗的表面。激光熔覆是一種這樣的工藝。為了獲得改進(jìn)的耐磨性和耐久性，制造部門還使用激光熔覆將硬材料附著到相對更軟的材料上。在激光熔覆操作中，集中的能量束照射在給定物品的表面上來熔化材料的外層。 然后粉末被噴射或沉積到顆粒與襯底結(jié)合的熔化的表面上。典型地，該粉末包括由鎳、鈷、 鉻或其他金屬制成的熔覆顆粒。從而，耐磨性被改進(jìn)。盡管如此，改性后的物品仍遭受磨損。 所需要的是超過當(dāng)前使用的熔覆材料的耐磨性來顯著地提高金屬物品的耐磨性的添加劑。 本發(fā)明的主要目的是提供這樣的具有其各種伴隨益處的方案。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，熔覆相關(guān)聯(lián)物品的方法包括引導(dǎo)具有充足能量的能量源，以熔化相關(guān)聯(lián)物品的至少部分以及將礦物粒料注入到該相關(guān)聯(lián)物品的該至少部分中的步驟，其中該礦物粒料可以是金剛石粒料或剛玉粒料。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，熔覆相關(guān)聯(lián)物品的方法包括提供和激活具有照射相關(guān)聯(lián)金屬物品的表面的能量束的激光，沿軌跡引導(dǎo)該激光從而在該相關(guān)聯(lián)金屬物品的表面上創(chuàng)建熔融池，以及將非金屬的晶體顆粒沉積到該熔融池中的步驟，其中所述非金屬的晶體顆?？梢允墙饎偸Ａ匣騽傆窳Ａ?。在更進(jìn)一步的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供用于金屬熔覆的系統(tǒng)以及用以提高相關(guān)聯(lián)物品的耐磨性的顆粒(特別是金剛石顆粒)的使用。本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，益處以及實(shí)施方案可從以下的描述，附圖以及權(quán)利要求書中推出。


圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，激光熔化圓狀物品的表面的立體圖。圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，激光熔化平面物體的表面的立體圖，其中金剛石顆粒正被加入到襯底。圖3是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，將金剛石顆粒沉積到襯底中的激光熔覆工藝的側(cè)視圖。圖3a是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，使用焊接電源將金剛石顆粒沉積到襯底中的熔覆工藝的側(cè)視圖。
圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，被表面層覆蓋的數(shù)個(gè)耐磨顆粒(可以是金剛石顆粒)的立體圖。圖5是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，嵌入襯底層的耐磨顆粒的截面特寫圖。圖6是依照本發(fā)明的實(shí)施方案的物品的示意圖，示出被施加的具有耐磨顆粒嵌入其中的熔覆材料。圖7是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，提高相關(guān)聯(lián)物品的耐磨特性的方法的框圖。圖8是依照本發(fā)明的實(shí)施方案，激光熔覆相關(guān)聯(lián)金屬物品的方法的框圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參考附圖和描述，其中的示出和描述僅出于圖示說明本發(fā)明的實(shí)施方案的目的，而不是出于限制它們的目的。圖1描繪用于熔覆相關(guān)物品15的表面的能量源10。能量源10可以以各種形式中的任何形式來輸送能量，如從例如電流和/或以放大的光的形式的電磁輻射獲得。在一個(gè)實(shí)施方案中，能量源10是激光12，雖然如弧焊電源16的其他能量源可以被使用，而不背離本發(fā)明的實(shí)施方案意圖的覆蓋范圍。能量源10可以引導(dǎo)能量到物品 15的表面上，從而熔化材料的外層。如隨后將被詳細(xì)討論的，接下來熔融池觀于是被注入一種或更多種物質(zhì)來提高物品15的耐磨性。在凝固狀態(tài)，該物質(zhì)根深蒂固于襯底中，在物品15使用期間起到耐磨耗和退化的作用。本發(fā)明的實(shí)施方案總地涉及金屬物品，雖然相似的方法可以用于非金屬組件。因此，物品15可以由基底金屬(如鐵)構(gòu)成并且可以由薄片鋼，鋼板或圓鋼料構(gòu)建。本發(fā)明中描述的方法和工藝還可以被應(yīng)用于合金金屬(如鋁)或通過合理的工程學(xué)判斷選擇的任何其他合金。本發(fā)明的實(shí)施方案的應(yīng)用包括但不限于(僅舉幾例)磨損的或被破壞的部件的修理或表面重修，在組件表面上的敷層的施加，以及添加制造(additive manufacturing)。參考圖1和圖2，可以是直接二極管激光器12的激光12引導(dǎo)能量以指定速率來熔化物品15的外部分。熔化的材料的量(即其厚度或深度)部分地取決于能量束13的強(qiáng)度和它的停留時(shí)間，連同其他因素，如基底材料組成。激光12可以橫貫覆蓋物品表面或物品表面的選定部分的路徑。在一個(gè)實(shí)施方案中，激光12可以具有特征束寬度，該特征束寬度可以在Omm至15mm之間的范圍。更具體地，該束寬度可以基本上是12mm。然而，應(yīng)該這樣解釋，即其他的激光配置(包括但不限于小光斑激光(spot laser))可以被利用而不背離本發(fā)明的實(shí)施方案意圖的覆蓋范圍。因此，可以選擇這樣的軌跡，所述軌跡將束13的寬度， 功率比以及激光束13相對于物品15的表面的行進(jìn)時(shí)間考慮進(jìn)去。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會容易地理解，激光12和物品15中的一個(gè)或二者可以相對于另一個(gè)以適用于熔化物品 15的表面的任何速率移動。在本發(fā)明的一個(gè)特定的實(shí)施方案中，保護(hù)氣體17可以結(jié)合激光束13來分配。以這種方式，物品15的表面可以被氣體17 (可以是惰性氣體17)遮蓋或噴蓋，以最小化熔化區(qū)18與空氣的相互作用。不利的現(xiàn)象，特殊地是等離子云的形成，可以在激光束13與正被處理的表面之間的相互作用的點(diǎn)處出現(xiàn)。等離子云吸收和反射激光束13的部分，并且趨于使束13的其余部分散焦，從而使它的強(qiáng)度變小。因此，提供流動的惰性氣體17來充滿圍繞激光束13區(qū)域并且因此充滿熔化區(qū)18。使用的氣體17的實(shí)施例包括氦，氬以及它們的組合。然而，上述列表不是要被理解為限制性的。相反，有效地防止等離子云的形成和其他不利效應(yīng)的任何類型的氣體可以被使用。氣體17可以通過與激光束13同一的噴嘴來分配。 可選擇地，單獨(dú)的噴嘴(未示出)可以用于與以上描述一致的方式來分配氣體17和充滿熔化區(qū)18。盡管如此，可以通過合理的工程學(xué)判斷來選擇分配保護(hù)氣體17的任何方式。繼續(xù)參考圖2并且現(xiàn)在還要參考圖3，進(jìn)料裝置20可以用于將一種物質(zhì)或多種物質(zhì)沉積到物品15的表面上，以注入物品15的熔融材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料裝置20可以利用重力分配物質(zhì)。進(jìn)料裝置20可以包括一個(gè)或更多個(gè)構(gòu)成重力進(jìn)料機(jī)構(gòu)的組件。管狀構(gòu)件M可以被使用，以將材料從進(jìn)料源(未示出)引導(dǎo)到熔融池觀中的點(diǎn)或靠近熔融池觀的點(diǎn)。至于管狀構(gòu)件M在激光12或激光束13后方的位置，管狀構(gòu)件M可以是可調(diào)整的。將會被理解的是，管狀構(gòu)件M(還被稱為進(jìn)料管)可以被安置在相對于熔化區(qū)18的任何位置，只要適合于用于本發(fā)明的實(shí)施方案?？蛇x擇地，進(jìn)料裝置20可以通過使用加壓的介質(zhì)(例如惰性氣體17)將物質(zhì)驅(qū)使到物品15的表面上或?qū)⑽镔|(zhì)噴射到熔融池觀中。 盡管如此，熔覆過程中使用的任何分配物質(zhì)的裝置或方法可被挑選而不背離本發(fā)明的實(shí)施方案意圖的覆蓋范圍。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，多個(gè)進(jìn)料裝置20a，20b可以用于將物質(zhì)分配到物品15 的表面上。進(jìn)料裝置20a，20b可以沉積相同的或不同的材料。在示例性方式中，進(jìn)料裝置20a 可以分配用于提高物品15的耐磨特性的晶體顆粒，所述晶體顆?？梢允墙饎偸w粒27。相似地，進(jìn)料裝置2隊(duì)可以分配另一種顆粒，所述另一種顆?？梢园ɡ缛鄹差w粒或適用于在熔覆過程中使用的其他物質(zhì)。進(jìn)料裝置203，20)3可以安置在相對于激光12的各種位置， 并且更特殊地，可以安置在相對于物品15表面上的照射束13的各種位置。特別地，進(jìn)料裝置2(^，20)3可以相對于激光12以固定方式安置，并且更具體地，可以由通過合理的工程學(xué)判斷選擇的任何適當(dāng)?shù)姆绞絼傂赃B接到激光12。在示例性方式中，進(jìn)料裝置20a可以安置在束13的前方，即相對于它的行進(jìn)方向在激光束13之前，而進(jìn)料裝置20b可以處于束13的后方。盡管如此，進(jìn)料裝置20a，20b可以安置在從束13和/或熔化區(qū)18起的任何位置和距離處，只要是通過合理的工程學(xué)判斷選擇的。繼續(xù)參考圖2和圖3并且現(xiàn)在還要參考4，從進(jìn)料裝置20分配的物質(zhì)可以起提高物品15耐磨特性的作用。在一個(gè)實(shí)施方案中，在本發(fā)明中被稱為耐磨性顆粒沈的物質(zhì)，可以由礦物物質(zhì)構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施方案中考慮的是，礦物物質(zhì)可以基本上在本質(zhì)上是非金屬的；也就是說大部分由被分類為非金屬的元素構(gòu)成。耐磨顆粒沈還可以在它的構(gòu)造中基本上是元素的(elemental)。附加地，在它的固相中，礦物物質(zhì)可以在本質(zhì)上是晶體的。更具體地，晶體晶格結(jié)構(gòu)的微觀構(gòu)型可以是等軸構(gòu)型的，也就是說該晶格結(jié)構(gòu)被安排在三維周期性重復(fù)的點(diǎn)陣中。在一個(gè)實(shí)施方案中，耐磨顆粒沈可以大部分由碳原子構(gòu)成，所述耐磨顆粒沈在上述構(gòu)型中更通常地被已知為金剛石27。在本領(lǐng)域已知的是，金剛石物質(zhì)不是必須完整地或純凈地由碳構(gòu)成。相反，其他元素，例如氮，可以散布到晶格結(jié)構(gòu)中，所述氮已知賦予金剛石物質(zhì)黃色色彩。應(yīng)當(dāng)這樣解釋，全部這樣的變體將被包括在本發(fā)明的實(shí)施方案覆蓋的范圍內(nèi)。其他實(shí)施方案被考慮，其中耐磨顆粒沈由包括與金剛石27不同的復(fù)合物或除金剛石之外的復(fù)合物的礦物物質(zhì)構(gòu)成。這樣的礦物物質(zhì)可以相似地具有等軸構(gòu)型的晶格結(jié)構(gòu)。礦物的一個(gè)類型(通常稱為剛玉)由鋁氧化物制成。這種耐磨顆粒沈的實(shí)施例可以包括藍(lán)寶石，紅寶石等等。在這種方式中，礦物物質(zhì)可以被稱為寶石并且可以基本上在構(gòu)型上是均一的。如在本發(fā)明中描述的那些礦物物質(zhì)可以包括各種重量的外來的顆粒，該外來的顆?？梢员痪Ц窠Y(jié)構(gòu)包住或被并入晶格結(jié)構(gòu)中。再次說明，全部這樣的復(fù)合物將理解為落入本發(fā)明的實(shí)施方案的覆蓋范圍內(nèi)。耐磨顆粒沈可以具有相對小的在從大約100 μ (微米)直至并且超過800 μ (微米)范圍變化的尺寸的直徑。更具體地，耐磨顆粒沈可以在基本上400 μ (微米)至 600 μ (微米)之間的范圍內(nèi)。然而，耐磨顆粒沈可以略微大于或小于所陳述的范圍。在示例性方式中，附圖一般地描繪圓形的或橢圓形的顆粒，然而耐磨顆粒沈還可以是細(xì)長的， 或者具有任何形狀，只要適合用于本發(fā)明的實(shí)施方案。繼續(xù)參考圖4和圖5，另一實(shí)施方案被考慮，其中耐磨顆粒沈可以至少部分地被表面層31覆蓋或涂敷。表面層31或敷層31可以由金屬或金屬合金構(gòu)成。該金屬或金屬合金可以本身是硬的或耐磨的。附加地，包括表面層31的材料可以對應(yīng)于物品15的基底材料。也就是說，包括金屬表面層31的材料可以有效地與物品15的基底材料共混在一起。 在一個(gè)實(shí)施例中，表面層31由鎢或碳化鎢構(gòu)成。一旦暴露于激光束13能量源和/或來自熔融池觀的熱，鎢熔化形成碳化鎢襯底34，耐磨顆粒沈被嵌入在所述碳化鎢襯底34中。 其他的實(shí)施方案被考慮，其中表面層31由鈷，鉻和/或從它們形成的合金構(gòu)成。盡管如此， 表面層31可以由任何金屬構(gòu)成，只要適合用于本發(fā)明的實(shí)施方案?，F(xiàn)參考圖6。在一個(gè)實(shí)施方案中，表面層31的類型和/或量可以有選擇地調(diào)整，以改變耐磨顆粒26的總體密度。在金剛石顆粒27的實(shí)施例中，將被理解的是，金剛石27是基本上均一的，具有總地一致的密度。這樣，不論金剛石顆粒27尺寸如何，未涂敷的金剛石顆粒27將僅僅頂多滲入到熔融池觀中。為增加到熔融池觀中的滲入，表面層31的量可以被改變來提高顆粒26的總體密度，以允許顆粒沈更深地就位(settle)到熔融池觀中。 在一個(gè)實(shí)施例中，表面層31的厚度可以在從僅一微米直至50微米的范圍內(nèi)。然而，表面層 31的任何厚度可以被選擇，只要適合用于本發(fā)明的實(shí)施方案。還將會被認(rèn)識到的是，熔融池 28的冷卻率以及隨與熔化區(qū)的距離變化的熔融池觀的粘度可以影響耐磨顆粒沈就位到熔融池28中有多深。因此，管狀構(gòu)件M的位置可以被調(diào)整，以達(dá)到耐磨顆粒沈的任何期望的就位深度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會進(jìn)一步理解，耐磨顆粒26中的一些可以被加工為具有與其他耐磨顆粒26不同的表面層厚度并且因此具有與其他耐磨顆粒沈不同的密度。當(dāng)一起組合和分配時(shí)，耐磨顆粒26在不同的深度就位。通過調(diào)整較輕與較重密度顆粒的比例，最終用戶可以遍及襯底內(nèi)的一個(gè)深度范圍有效地分布耐磨顆粒26。全部這樣的比例應(yīng)被理解為落入本發(fā)明的實(shí)施方案的覆蓋范圍內(nèi)。本發(fā)明已參考所公開的實(shí)施方案在此描述。顯然，一旦閱讀和理解本說明書，他人將會想到修改和變更。意圖的是，包括全部這樣的修改和變更，因?yàn)樗鼈冊谒綑?quán)利要求書或其等同物的范圍內(nèi)。參考標(biāo)號10能量源12 激光13能量束I5 物品16焊接電源
17保護(hù)氣體
18熔化區(qū)
20進(jìn)料裝置
20a多個(gè)進(jìn)料裝置
20b多個(gè)進(jìn)料裝置
24管狀構(gòu)件
26耐磨顆粒
27金剛石顆粒
28熔融池
31表面層或敷層
34碳化物襯底
權(quán)利要求
1.一種提高相關(guān)聯(lián)物品(1 的耐磨性的方法，所述方法包括以下步驟 引導(dǎo)具有足夠能量的能量源(10)，以熔化相關(guān)聯(lián)物品(1 的至少部分；以及，將礦物顆粒(26，27)注入到所述相關(guān)聯(lián)物品的所述至少部分中，以提高所述相關(guān)聯(lián)物品(15)的耐磨性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述相關(guān)聯(lián)物品(15)包括至少部分為金屬的表面區(qū)；并且，其中所述能源(10)是具有足夠能量的電磁輻射源，以熔化所述相關(guān)聯(lián)物品(1 的所述金屬表面的至少部分。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中引導(dǎo)能量源(10)的步驟包括以下步驟 引導(dǎo)具有足夠能量的能量源(10)，以熔化所述金屬表面的至少部分，從而形成熔融池(28)；并且其中所述將礦物顆粒(沈，27)注入的步驟包括以下步驟 將礦物顆粒(26，27)沉積到所述熔融池0 中。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其中所述能量源(10)是放大的光和/或是從焊接電源(16)獲得的。
5.一種激光熔覆相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的方法，所述方法包括以下步驟 提供和激活具有照射所述相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的表面的能量束的激光(12)； 沿軌跡引導(dǎo)所述激光(1 從而在所述相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的表面上創(chuàng)建熔融池(28)；以及，將非金屬的晶體顆粒(26，27)沉積到所述熔融池08)中，以提高所述相關(guān)聯(lián)金屬物品 (15)的耐磨性。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述非金屬的晶體顆粒06，27)的至少部分具有等軸構(gòu)型的晶格結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述非金屬的晶體顆粒(沈，27)被沉積到在所述能量束后方位置的所述熔融池08)中。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述能量束后方的所述位置在基本上O英寸(Ocm) 至1英寸(2. 54cm)之間的范圍。
9.如權(quán)利要求5至8之一所述的方法，其中所述非金屬的晶體顆粒06，27)的至少一些至少部分地被表面層(31)覆蓋。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述表面層(31)由鎢、鈷或鉻中的至少一種構(gòu)成。
11.一種用于金屬熔覆的系統(tǒng)，特別地，使用如權(quán)利要求1至10之一所述的方法的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有足夠能量的激光(12)，以熔化相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的至少表面部分；以及， 用于沉積顆粒06，27)的進(jìn)料裝置00)。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料裝置OO)相對于所述激光(12)固定在適當(dāng)位置，以將顆粒(沈，27)沉積到所述相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的熔化的表面部分中；并且所述系統(tǒng)還包括用于將熔覆粒子沉積到所述相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的未熔化的表面上的第二進(jìn)料裝置 (20a,20b)。
13.如權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，還包括用于分配氣體來至少部分地覆蓋所述相關(guān)聯(lián)金屬物品(1 的被所述激光(1 熔化的區(qū)域的裝置。
14.如權(quán)利要求1至13之一各自所述的方法或系統(tǒng)，其中所述顆粒06，27)由金剛石顆粒和剛玉顆粒中的至少一種構(gòu)成，或包括金剛石顆粒和剛玉顆粒中的至少一種。
15.如權(quán)利要求1至14之一各自所述的方法或系統(tǒng)，其中顆粒(沈，27)的大小在從100 微米至800微米之間的范圍內(nèi)，或在從400微米至600微米之間的范圍內(nèi)。
全文摘要
在一種激光熔覆方法中，金剛石顆粒(27)被施加于已被能量源(10，12)(如激光)熔化的物品的基底材料(15)。所述顆粒(27)被引入所述熔融材料(18)中并且被允許隨所述物品(15)的表面冷卻和凝固而就位。所述金剛石顆粒(27)起提高所述物品(15)的耐磨特性的作用。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述金剛石顆粒(27)被可以是鎢的金屬表面層覆蓋。
文檔編號C23C24/10GK102164701SQ200980138264
公開日2011年8月24日 申請日期2009年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月6日
發(fā)明者G·D·布蘭肯希普, P·S·瓦倫, S·R·彼得斯, W·T·馬修斯 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司