超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的方法及机床与流程

1.本发明涉及工件内壁熔覆技术领域，尤其是超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的方法及机床。


背景技术：

2.在工程机械、石油化工、航空航天等领域，许多管件或缸体的内壁在其所处的弱酸性、潮湿、高压冲击等恶劣工作环境下，会逐步的出现腐蚀、磨损等一系列问题，严重制约其使用寿命，并由此可能带来诸多生产安全隐患。
3.传统表面加工方法如电镀、堆焊、喷涂等在内壁表面加工方面均存在一定的局限性，如电镀工艺存在镀层薄、脱落、污染等问题，堆焊工艺热输入量大易导致工件变形开裂，喷涂工艺制备的涂层与基材结合差等问题，因此，亟需寻求一种新的表面处理技术实现低成本、高效率等工件内壁增材制造，并切实改善其耐磨耐腐蚀性能。
4.超高速激光熔覆技术是一种激光表面改性技术，采用同步送粉的方式，利用高能量的激光束将合金粉末与高速运动的基材表面同时熔化，并快速凝固形成稀释率低、与基材冶金结合的熔覆层。该技术在高效率制备表面粗糙度极低、内部组织致密的熔覆层的同时，可通过调整合金材料实现不同性能熔覆层的制备。相比于传统电镀、堆焊、喷涂等方法，具有极大的优势。
5.目前大家对超高速熔覆技术的研究与应用主要集中在回转体结构的轴类件外表面激光熔覆，对内壁超高速激光熔覆的研究相对较少，且熔覆层组织疏散、有气孔、易开裂。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的方法及机床，用于解决现有工件内壁熔覆层组织疏散、有气孔、易开裂的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的方法，该方法包括以下步骤：
9.(1)对工件待熔覆面进行预处理；
10.(2)将合金粉末筛分后置于烘箱烘烤，保温设定时间后加入内壁熔覆设备送粉器内备用；
11.(3)将工件装夹在内孔超高速熔覆机床上；
12.(4)调整光斑大小及送粉头高度，确定熔覆起始点与终点位置坐标；
13.(5)设定加工参数，开启加工程序，对工件内壁熔覆一层具有一定厚度的合金熔覆层。
14.进一步地，熔覆结束后，将工件从机床上拆卸下来，置于空气中自然冷却；将冷却后的工件对熔覆层磨削加工至使用尺寸。
15.进一步地，步骤(1)中熔覆前尺寸为目标使用尺寸+保留熔覆层厚度的两倍。
16.进一步地，步骤(2)中合金粉末粒度为80-600目，霍尔流速在12-20(sec/50g)。
17.进一步地，步骤(2)中合金粉末烘烤温度为80-120℃，时间不低于60min。
18.进一步地，步骤(2)中合金粉末成分如下：按重量份计：c:0.05％-0.2％,si:0.5％-3％,cr:15％-30％,ni:2.5％-10％,b:0.25％-1.5％,mn：0.5％-1.5％，mo:1％-5％，余量为fe。
19.进一步地，步骤(3)中，固定工件，并对工件找正，对工件找正要求为工件待熔覆表面前端与后端圆周方向跳动要求不大于0.3mm。
20.进一步地，步骤(4)中，光斑大小为1.2mm-1.8mm,熔覆头高度要求为高于工件12mm-16mm,此时粉班位于工件上方1mm-2mm。
21.进一步地，步骤(5)中，加工参数包括激光器功率为5000w～8000w,熔覆线速度为25m/min～50m/min,搭接率70％～80％,熔覆厚度0.2mm-1mm；送粉器单位时间送粉量20g/min～100g/min，送粉方式为载气式送粉，气体选择惰性气体，气流量在5l/min-30l/min。
22.超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的机床，包括床身、数控系统，用于固定工件的卡盘和托架，还包括安装在床身上的移动立柱、送粉器、激光器以及熔覆头；所述卡盘的转动轴作为主轴，熔覆时，主轴、送粉器、激光器依次启动，以螺旋线的方式实现对工件整个待加工表面熔覆，程序结束时，激光器停止出光，送粉器停止出粉，熔覆头退出工件后移动至安全位置。
23.发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
24.1、本发明所提供的对工件内壁进行熔覆的方法所得合金熔覆层内部组织致密，无气孔、开裂问题，与基材呈现良好的冶金结合，具有优异的耐磨损耐腐蚀性能。解决了部分管件、缸体等工件内壁使用过程中易出现的锈蚀、磨损等一系列问题。
25.2、同时，该方法生产效率高，成本低，材料利用率高，熔覆层厚度精准可控、加工过程稳定。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明熔覆层金相组织；
28.图2是本发明机床立体结构图；
29.图3是本发明机床主视图。
具体实施方式
30.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例
绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
31.一种超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的方法，该方法包括以下步骤：
32.(1)对工件待熔覆面进行预处理，使用车、磨等加工方式将工件加工至熔覆前的尺寸，清理表面的锈蚀、油污。
33.(2)将合金粉末经筛网筛分后置于烘箱烘烤，保温一定时间后加入内壁熔覆设备送粉器内备用。
34.(3)将工件装夹在内孔超高速熔覆机床上，使用卡盘与托架配合将工件进行固定，并使用百分表对工件进行找正。
35.(4)调整光斑大小至合适，调整送粉头高度至合适，确定熔覆起始点与终点位置坐标。
36.(5)设定加工参数，编辑加工程序，程序包含了了激光器、送粉器的开关指令以及机床的运动指令。
37.(6)开启加工程序，机床主轴(固定工件用卡盘的转动轴)、送粉器、激光器依次被启动，以螺旋线的方式实现对工件整个待加工表面的熔覆，程序结束时，激光器停止出光，送粉器停止出粉，熔覆头退出工件后移动至安全位置。此时，工件内壁增加了一层具有一定厚度的耐磨耐腐蚀性能优异的合金熔覆层。设备组成如附图2、图3所示。
38.(7)熔覆结束后，将工件从机床上拆卸下来，置于空气中自然冷却。
39.(9)将冷却后的工件使用珩磨的方式对熔覆层磨削加工至使用尺寸。
40.步骤(1)中熔覆前尺寸为目标使用尺寸+保留熔覆层厚度的两倍。
41.步骤(2)中合金粉末粒度为80-600目，霍尔流速在12-20(sec/50g)。
42.步骤(2)中合金粉末烘烤温度为80-120℃，时间不低于60min。
43.步骤(2)中合金粉末成分如下：按重量份计：c:0.05％-0.2％,si:0.5％-3％,cr:15％-30％,ni:2.5％-10％,b:0.25％-1.5％,mn：0.5％-1.5％，mo:1％-5％，余量为fe。
44.步骤(3)中，固定工件，并对工件找正，对工件找正要求为工件待熔覆表面前端与后端圆周方向跳动要求不大于0.3mm。
45.步骤(4)中，光斑大小为1.2mm-1.8mm,熔覆头高度要求为高于工件12mm-16mm,此时粉班位于工件上方1mm-2mm。
46.步骤(5)中，加工参数包括激光器功率为5000w～8000w,熔覆线速度为25m/min～50m/min,搭接率70％～80％,熔覆厚度0.2mm-1mm；送粉器单位时间送粉量20g/min～100g/min，送粉方式为载气式送粉，气体选择惰性气体，气流量在5l/min-30l/min。
47.实施例1：
48.待加工工件为工程机械中某部位缸体，外径440mm内径为380mm,壁厚30mm,材质为27simn.
49.(1)对工件缸体内壁预处理，经过镗床加工后壁厚减少0.4mm,使用酒精清理表面油污。
50.(2)将牌号为431不锈钢的金属粉末经150目筛网筛分后，置于烘箱中在100℃条件下下保温60min进行烘干，然后将烘干后的粉末加入到内壁超高速设备送粉器中备用。
51.(3)将工件装夹在内孔超高速熔覆机床上，使用卡盘与托架将工件进行固定，工件前后端跳动0.1mm～0.2mm.
52.(4)将光斑大小调整至1.5mm,送粉头距离工件约15mm,此时粉焦位于工件上方1～2mm处，保证了激光约80％的能量用来熔化粉末。
53.5)设定加工参数，激光器功率为6000w,熔覆线速度为30m/min,搭接率为75％，送粉器单位时间送粉量为60g/min.送粉气体为n2，流量为5l/min,。
54.6)编辑程序，确认参数及坐标无误后，运行程序直至完成整个工件内壁超高速激光熔覆。熔覆厚度为0.6mm.
55.7)工件拆卸后置于空气中自然冷却。
56.8)对熔覆后工件内壁进行磨削加工，单边加工掉0.2mm后达到使用尺寸。
57.对于得到的熔覆层进行性能测试，达到以下指标：经无损检测，熔覆层无裂纹。熔覆层洛氏硬度在52-55hrc.按照国标gb/t6461-2002耐腐蚀性能评定为9级。耐磨损性能较基材提高了10倍以上。
58.实施例2：
59.1)待加工工件为工程机械中某部位阀座，外径220mm内径为170mm,壁厚25mm,材质为40cr,对工件缸体内壁预处理，单边去掉0.2mm厚度。
60.2)将铁基合金粉末经150目筛网筛分后，置于烘箱中100℃下保温60min进行烘干，然后将烘干后的粉末加入到内壁超高速设备送粉器中备用。
61.3)将工件装夹在内孔超高速熔覆机床上，使用卡盘与托架将工件进行固定，工件前后端跳动0.1mm～0.2mm.
62.4)将光斑大小调整至1.6mm,送粉头距离工件约15mm,此时粉焦位于工件上方1～2mm处，保证了激光80％的能量被粉末吸收。
63.5)设定加工参数，激光器功率为6000w,熔覆线速度为40m/min,搭接率为75％，送粉器单位时间送粉量为50g/min.载气式送粉，气体选择氮气。
64.6)编辑程序，确认参数及坐标无误后，运行程序直至完成整个工件内壁超高速激光熔覆。熔覆厚度为0.35mm.
65.7)工件拆卸后置于空气中自然冷却。
66.8)对熔覆后工件内壁进行磨削加工，单边加工掉0.15mm后达到使用尺寸。
67.对于得到的熔覆层(图1)进行性能测试，达到以下指标：经无损检测，熔覆层无裂纹。熔覆层洛氏硬度在45-48hrc.按照国标gb/t6461-2002耐腐蚀性能评定为9级。耐磨损性能较基材提高了10倍以上。
68.通过本发明熔覆加工得到的合金熔覆层，与基体呈现良好的冶金结合，内部组织致密，无气孔、开裂等缺陷。熔覆层表面光洁度好，可直接进行磨削加工，生产效率高。通过匹配合适的合金粉末，极大的改善了基材的耐腐蚀耐磨性能，显著提高了工件或设备的使用寿命。
69.如图2、图3所示，一种超高速激光熔覆制备耐腐蚀耐磨熔覆层的机床，包括床身1、数控系统2，用于固定工件的卡盘3和托架4(可沿直线导轨移动调整位置)，还包括安装在床身上的移动立柱5、送粉器6、激光器以及熔覆头7；移动立柱可在床身上沿滑轨移动。所述卡盘的转动轴作为主轴，熔覆时，主轴、送粉器、激光器依次启动，以螺旋线的方式实现对工件整个待加工表面熔覆，程序结束时，激光器停止出光，送粉器停止出粉，熔覆头退出工件后移动至安全位置。
70.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。