一種利用異步送粉法進行激光熔覆制備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工領域，涉及激光熔覆一種新的送粉方式異步送粉法，特別涉 及異步送粉法制備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層。
【背景技術】
[0002] 目前激光熔覆的送粉方式主要分為預制涂層法、同軸送粉法和側向送粉法。預制 涂層法工藝簡單，操作靈活，對粉末流動性無要求，但在制備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層 時涂層厚度難以準確控制，稀釋率較大，氣孔較多，而且熔覆層中存在陶瓷顆粒熔化分解嚴 重和分布不均的現(xiàn)象，直接影響涂層性能。與預制涂層法相比，同軸送粉法和側向送粉法具 有工藝流程簡單，涂層厚度、稀釋率可控和便于自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，但在陶瓷顆粒增強金屬 基復合涂層制備過程中仍出現(xiàn)陶瓷顆粒燒損和熔化分解嚴重及顆粒分布不均勻的現(xiàn)象，而 且陶瓷顆粒和合金粉末在送粉過程中相互作用影響送粉效率，以至涂層硬度比相同條件下 預制涂層法制備的熔覆層低，大大降低了涂層的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用異步送粉法進行激光熔覆制備陶瓷顆粒增強金 屬基復合涂層的方法，該方法將同軸送粉嘴和側向送粉嘴相結合，能夠減少陶瓷顆粒增強 相的熔化分解和偏聚及分布不均勻現(xiàn)象，使陶瓷顆粒增強相最大限度的保持原有形貌并均 勻分布在整個涂層當中，大幅度提高涂層的性能。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0005] -種利用異步送粉法進行激光熔覆制備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層的方法，包 括以下步驟：
[0006] 步驟一：將側向送粉嘴固定在同軸送粉嘴上組裝成異步送粉嘴，其中側向送粉嘴 固定在與激光掃描方向相反的一側；
[0007] 步驟二：將合金粉末或金屬陶瓷復合粉末送入同軸送粉嘴，將陶瓷顆粒增強相送 入側向送粉嘴；
[0008] 步驟三：通過調(diào)節(jié)側向送粉嘴的角度和位置，使側向送粉嘴將陶瓷顆粒增強相送 入到與激光掃描方向相反一側熔池的中部至尾部之間的部位，同時通過同軸送粉嘴將合金 粉末或金屬陶瓷復合粉末送入熔池中央，使用激光器進行激光熔覆，得到陶瓷顆粒增強金 屬基復合涂層。
[0009] 所述步驟二中的合金粉末為鐵基、鈷基、鎳基、銅基、鈦基、鎂基、鋁基或金屬間化 合物基的合金粉末，合金粉末的粒徑為0. 1~500微米。
[0010] 所述步驟二中的金屬陶瓷復合粉末中所含的金屬粉末為鐵基、鈷基、鎳基、銅基、 鈦基、鎂基、鋁基或金屬間化合物基的合金粉末，金屬陶瓷復合粉末中所含的陶瓷顆粒為碳 化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒中的一種或任意比例的混合物；金屬陶瓷復合粉末 中所含的陶瓷顆粒的粒徑為0. 1~500微米，質(zhì)量分數(shù)為0. 1~70% ;金屬陶瓷復合粉末 中所含的金屬粉末的粒徑為〇. 1~500微米，質(zhì)量分數(shù)為30~99. 9%。
[0011] 所述步驟二中的陶瓷顆粒增強相為陶瓷粉末或含有金屬粉末的陶瓷金屬復合粉 末。
[0012] 所述的陶瓷粉末為單一的陶瓷材料或兩種及兩種以上的陶瓷材料的混合物，陶瓷 金屬復合粉末中所含的陶瓷粉末為單一的陶瓷材料或兩種及兩種以上的陶瓷材料的混合 物。
[0013] 所述的陶瓷粉末為碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒中的一種或任意比 例的混合物；陶瓷粉末的粒徑為0. 1~500微米。
[0014] 所述的陶瓷金屬復合粉末中所含的陶瓷粉末為碳化物、氮化物、硼化物和氧化物 陶瓷顆粒中的一種或任意比例的混合物，陶瓷金屬復合粉末中所含的金屬粉末為鐵基、鈷 基、鎳基、銅基、鈦基、鎂基、鋁基或金屬間化合物基的合金粉末；陶瓷金屬復合粉末中所含 的陶瓷粉末的粒徑為0. 1~500微米，質(zhì)量分數(shù)為70~99. 9% ;陶瓷金屬復合粉末中所含 的金屬粉末的粒徑為〇. 1~500微米，質(zhì)量分數(shù)為0. 1~30%。
[0015] 所述步驟二中的陶瓷顆粒增強相的形狀為球形、近球形、多角形或其他不規(guī)則外 形。
[0016] 所述步驟三中側向送粉嘴的送粉角度為20~70°，側向送粉嘴的出粉口距離熔 池的高度為2~20謹。
[0017] 所述步驟三中激光熔覆時采用的激光器為二氧化碳激光器，其功率為100W~ 10kW，掃描速度為50~600mm/min，離焦量為0~30mm，同軸送粉嘴的送粉量為2~IOr/ min，載氣流量為1~10L/min，側向送粉嘴的送粉量為2~10r/min，載氣流量為1~IOL/ min，保護氣壓力0. 01~IMPa，保護氣和載氣均為惰性氣體。
[0018] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0019] 本發(fā)明提供的利用異步送粉法進行激光熔覆制備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層 的方法，將側向送粉嘴固定在同軸送粉嘴上組裝成異步送粉嘴，通過側向送粉嘴將陶瓷顆 粒增強相送入到與激光掃描方向相反一側熔池的中部至尾部之間的部位，同時通過同軸送 粉嘴將合金粉末或金屬陶瓷復合粉末送入熔池中央，使用激光器進行激光熔覆，得到陶瓷 顆粒增強金屬基復合涂層。本發(fā)明采用的異步送粉法是將同軸送粉法和側向送粉法相結 合，通過側向送粉嘴將陶瓷顆粒增強相送入到熔池后部區(qū)域，由于熔池后部溫度較低，凝固 速度較快，大幅度的減少了陶瓷顆粒增強相的熔化分解，使陶瓷顆粒增強相來不及下沉或 上浮就凝固在涂層當中，達到有效保留并均勻分散陶瓷顆粒增強相的目的，最大限度的保 持陶瓷顆粒增強相的原有形貌均勻分布在整個涂層當中，減少陶瓷顆粒增強相的偏聚及分 布不均勻現(xiàn)象，能夠大幅度提高復合涂層的性能。本發(fā)明利用異步送粉法進行激光熔覆制 備陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層，異步送粉法工藝流程簡單，操作靈活，涂層厚度和稀釋率 容易控制，可適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。由于不存在同軸送粉過程中陶瓷顆粒增強相與 合金粉末相互作用影響送粉效率的現(xiàn)象，因此與同軸送粉法相比，異步送粉法的粉末利用 率可達到95%以上，具有良好的經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明采用的異步送粉法的示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明實施例1制得的WC陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層的宏觀形貌。
[0022] 圖3是本發(fā)明實施例1制得的WC陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層（a)與同軸送 粉法制備的WC陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層（b)的斷面結構。
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例2制得的Cr3C2陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層的宏觀形 貌。
[0024] 圖5是本發(fā)明實施例2制得的Cr3C2陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層（a)與同軸 送粉法制備的Cr3C2陶瓷顆粒增強Ni基合金復合涂層（b)的斷面結構。
【具體實施方式】
[0025] 下面對本發(fā)明進行進一步詳細說明。
[0026] 本發(fā)明提供了一種新的激光熔覆新的送粉方式一異步送粉法，即將同軸送粉嘴和 側向送粉嘴相結合，通過同軸送粉嘴將合金粉末或含少量細顆粒陶瓷顆粒的金屬陶瓷復合 粉末送入熔池中央，通過側向送粉嘴將密度相對較高或較低的或易溶解的或易分解的陶瓷 粉末或含該陶瓷的金屬陶瓷粉末送入熔池的后部溫度較低區(qū)域，根據(jù)高密度陶瓷沉降特 性、易溶解陶瓷的溶解特性、易分解陶瓷的分解特性、熔池大小、熔池溫度、熔池粘度和熔池 凝固特性等來確定側向送粉嘴送入熔池的具體位置，熔覆得到均勻致密的涂層，通過異步 送粉能夠減少陶瓷顆粒的熔化分解和偏聚及分布不均勻現(xiàn)象，使陶瓷顆粒增強相最大限度 的保持原有形貌并均勻分布在整個涂層當中，以達到有效保留并均勻分散陶瓷顆粒的目 的，能夠大幅度提尚涂層的性能。
[0027] 側向送粉嘴固定在與激光掃描方向相反的一側，使側向送粉嘴將粉末送入到與激 光掃描方向相反一側熔池的后部；可以通過調(diào)節(jié)側向送粉嘴的角度以及側向送粉嘴到熔池 的距離來確定側向送粉嘴送入熔池的具體位置；側向送粉嘴送入熔池中的具體位置受到陶 瓷固有特性、熔池大小、熔池溫度、熔池粘度、熔池凝固特性等多個因素的影響，可以通過有 限次實驗來獲得側向送粉嘴送入熔池中的最佳位置。高熔點的細小顆粒陶瓷粉末一般不 易熔化及沉底，因此小顆粒的陶瓷粉末可以通過與合金粉末預混后，整體通過同軸送粉嘴 送入熔池中，但質(zhì)量分數(shù)不易太高，一般不超過70%，否則會出現(xiàn)涂層與基體結合較差的情 況。
[0028] 陶瓷顆粒增強相的粒徑介于0. 1到500微米之間；密度可以是大于合金粉末的密 度也可以是小于或等于合金粉末的密度；可以是單一的純陶瓷顆粒，也可以是兩種或兩種 以上的陶瓷顆粒的混合體，也可以是含有陶瓷顆粒的金屬陶瓷粉末；陶瓷顆粒的形狀可以 是球形、也可以是近球形、多角形或其他不規(guī)則外形。制備的復合涂層的金屬基體可以是傳 統(tǒng)的鐵基、鈷基、鎳基等自熔性合金粉末，也可以是目前已開發(fā)研究的銅基、鈦基、鎂基、鋁 基以及金屬間化合物基等的合金粉末。
[0029] 異步送粉法工藝流程簡單，操作靈活，涂層厚度和稀釋率容易控制，可適用于大規(guī) 模的工業(yè)化生產(chǎn)。由于不存在同軸送粉過程中陶瓷粉末增強相與合金粉末相互作用影響送 粉效率的現(xiàn)象，因此與同軸送粉法相比，異步送粉法粉末利用率可達到95%以上。