專利名稱：以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法
技術領域：
本發明涉及一種以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，尤其涉及ー種利用混合粉末為原料進行激光熔覆得到表面復合涂層的方法，屬于激光熔覆高性能涂層技術領域。
背景技術：
激光熔覆技術經過30多年的發展，隨著激光制造成本的降低以及大功率激光器在材料加工方面的潛在應用，已成為制備復合涂層的關鍵技術之一。激光熔覆技術通常是將按一定比例配制好的單質或化合物粉末，直接引入激光熔池得到復合涂層。按粉末材料的引入方式可分為預置法和同步送粉法。所謂預置法是將待熔覆的ー種或若干種粉末材料用一定方法靈活地制成所需形狀后置于基體材料(以下簡稱基材)表面，再用激光輻照預置層使之熔化并同時使基材表層很小部分熔化，熔覆材料熔液和基材表層熔液混合再凝固形成牢固的熔覆層。同步送粉法是將粉末材料和激光同時加入到基材表面同一區域，粉末材料和基材表面吸收光能熔化產生激光熔池，從而形成熔覆層。從目前國內外研究現狀來看，激光熔覆技術的應用以提高基材表面的耐磨耐蝕性、高溫抗氧化性以及生物相容性等性能為目標，即主要用于表面涂層的制備，而表面涂層大多又以復合涂層等多相涂層的制備為主，這就需要能夠輸送兩種或兩種以上粉末的高精度同步送粉器，但現有的同步送粉器由于送粉機械結構本身的缺陷，在需要輸送兩種(或兩種以上)粉末或較小粒度粉末時均很難達到技術要求，且在熔覆過程中存在粉末浪費嚴重、涂層質量不高等不足，因而在激光熔覆制備復合涂層研究領域鮮有應用；再者，通過預置法研制新的激光熔覆用粉末，不但簡單方便而且經濟實用，而有關激光熔覆的專用粉末目前在國內外市場上也并不多見，究其原因主要是沒有成熟的預置粉末方法。眾所周知，由于預置法基本不受粉末種類和粉末粒度大小的限制，可以靈活方便地向熔池中添加所需粉末，因而在激光熔覆制備復合涂層研究領域應用甚為廣泛國內最早從事激光熔覆的華中理工大學(現華中科技大學)等單位于1992年申請了國內第一篇關于激光熔覆制備復合涂層的發明專利，該專利CN1081721A于1994年公開了ー種在金屬表面激光熔覆耐磨層的方法，在該方法中采用的粉末供給方式就是預置法；時至今日，廣州有色金屬研究院2010年在專利CN101818343A中公開了ー種含有球形碳化鎢復合涂層的激光熔覆方法，該方法同樣采用了預置粉末激光熔覆法。在此將近20多年時間里，專利CN1456707公開了ー種激光熔覆金屬間化合物/陶瓷復合涂層及制備方法；專利CN1600891公開了ー種鈦合金表面激光熔覆涂層復合材料；專利CN1786272公開了ー種激光熔覆鎳基納米WC/Co預涂層的制備方法；專利CN1778989A公開了ー種激光熔覆原位合成制備生物陶瓷復合涂層的方法；專利CN100406170C公開了ー種TiC/Ni3Al金屬間化合物基表面復合涂層的制備方法；專利CNCN101705410A公開了ー種激光熔覆用耐磨抗熱腐蝕多元鋁硅碳氮化物金屬陶瓷。從以上專利同樣可以看出，激光熔覆制備復合涂層等復合涂層采用的粉末供給方式大多是預置法，但這些專利均沒有給出專門的預置方法；專利CN101158039A公開了ー種以壓片法預置粉末進行激光熔覆得到涂層的方法，由于壓片法對粉末的自粘接性要求較高，對于自粘接性較差的粉末材料，則需施加較大的壓カ才有可能成型，而壓カ過大在一定程度上將破壞原始材料的固有性能。因此，到目前為止，滿足粉末利用率高、對粉末種類和粒度適用范圍寬等要求的粉末預置方法還很少見諸報道，這在很大程度上制約了該項技術在工程界的技術開發和廣泛應用。
發明內容
針對現有激光熔覆技術難以滿足復合涂層制備以及熔覆過程粉末利用率低、涂層質量不高等缺陷，本發明提供ー種可推廣的粉末利用率高、對粉末種類和粉末粒度適用性強的擠壓預置粉末法進行激光熔覆得到復合涂層的方法。本發明提供的方法是這樣的先用傳統打磨或特種加工等方法將待熔覆基材表面進行處理，并輔之以丙酮和無水こ醇清洗除去基材表面的油污，再用粘接劑溶液將稱取好一定比例的粉末攪拌均勻混合成膏狀或糊狀，置于擠壓模具中，然后施加一定的壓カ壓制成所需要的形狀預置層在基材表面，將預置層試樣自然晾干或置于真空干燥箱中在80 100°C溫度下加熱硬化I 2h，以形成緊實的預置層。本發明的具體技術方案是一種以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，包括下列エ藝步驟
A、對需要熔覆復合涂層的基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將待熔覆粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成糊狀或膏狀，并以擠壓的方式將待熔覆粉末以條狀形式預置在基材的表面；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在80 100°C下真空加熱硬化I 2h，以形成預置層；
D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層。所述步驟A中的打磨是傳統的打磨處理或者特種加工處理。所述步驟B中的待熔覆粉末是由兩種或兩種以上單質元素或者化合物粉末組成的混合粉末。所述步驟B使用的粘接劑是有機粘接劑或者無機溶膠。所述有機粘接劑用量占預置層總質量的2 10%，如質量百分比濃度為3 8%的聚こ烯醇水溶液等。所述無機溶膠的用量占預置層總質量的2 10%，如ニ氧化鈦溶膠、ニ氧化硅溶膠
等ο 所述步驟B的待熔覆粉末條狀是先在基材表面預置一條后進行步驟C和D的操作，再預置另一待熔覆粉末條狀且與前一條狀搭接，然后進行步驟C和D的操作，如此反復，直至整個基材表面附著復合涂層。所述步驟B的待熔覆粉末條狀是以條狀依次排列并搭接在整個基材表面后，再進行步驟C和D的操作，使基材表面附著復合涂層。
所述待熔覆粉末條狀之間的搭接率為5 70%。所述步驟B的待熔覆粉末條狀的截面形狀為圓形、梯形或者矩形。所述步驟D中的保護氣氛為氮氣、氬氣、氦氣中的ー種或幾種。保護氣氛在該エ藝中主要起兩種作用①保護預置層不被氧化；②作為預置層的反應氣體參加高溫化學反應，以便和預置層中的某些元素化合反應后形成新的化合物。
本發明與其它激光熔覆粉末供給方法相比具有下列優點和有益效果
(1)本發明方法不存在粉末損失情況，粉末利用率極高，而激光熔覆技術所用粉末一般較為昂貴，這在很大程度上提高了該技術的經濟性；
(2)本發明方法完全不受粉末種類和粉末粒度的限制，且預置過程不改變粉末原始粒度，為開發激光熔覆專用粉末奠定了良好的エ藝基礎；
(3)通過調整擠壓模具擠壓頭截面形狀和尺寸可以靈活地控制預置層形狀尺寸，從而為各種機械零件表面修復和改性提供エ藝基礎，對推動激光熔覆技術在工程上的應用具有十分重要的意義；
本發明提出的方法具有對熔覆粉末種類和粉末粒度適用范圍寬、粉末利用率高、成本低廉、エ藝簡単、控制簡便等優點，不僅適用于激光熔覆復合涂層的實驗室研究，還適用于形狀復雜、技術要求高的金屬零件表面激光熔覆復合涂層工程領域。
圖I是本發明制作預置層的擠壓模具結構示意 圖2是實施例I熔覆有復合涂層的方形基材結構示意 圖3是實施例2熔覆有復合涂層的柱形基材結構示意 圖4是實施例3熔覆有復合涂層的復雜曲面結構示意 圖中，Ia為擠壓桿，Ib為擠壓活塞，Ic為糊狀或膏狀的待熔覆粉末，Id所示為不同截面形狀的擠壓頭；2a為方形基材，2b為成形后與方形基材表面相匹配的復合涂層；3a為柱形基材，3b為成形后與柱形基材表面相匹配的復合涂層；4a為復雜曲面柱形基材，4b為成形后與復雜曲面柱形基材表面相匹配的曲面狀復合涂層。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進ー步描述。實施例I
A、對需要熔覆復合涂層的方形基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其進行傳統的打磨處理后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將由B和Ti組成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在110°C下烘干24h后，再用占預置層總質量5%的質量百分比濃度為3%的聚こ烯醇水溶液作為粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成糊狀，并用圖I所示擠壓裝置將待熔覆粉末放入擠壓腔中，通過推動擠壓桿Ia使擠壓活塞Ib將其以條狀形式(截面形狀為圓形)擠出并預置在基材的表面；先在基材表面預置一條后進行步驟C和D的操作，再預置另一待熔覆粉末條狀且與前一條狀搭接，條狀之間的搭接率為20%，然后進行步驟C和D的操作，如此反復，直至整個基材表面附著復合涂層；C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干，以形成預置層；
D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛氮氣下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層(如圖2)。實施例2
A、對需要熔覆復合涂層的柱形基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其進行特種加工處理后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將由Al2O3和Ti組成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在100°C下烘干30h后，再用占預置層總質量10%的質量百分比濃度為8%的聚こ烯醇水溶液作為粘接劑將待熔 覆粉末均勻混合調和成膏狀，并用圖I所示擠壓裝置將待熔覆粉末放入擠壓腔中，通過推動擠壓桿Ia使擠壓活塞Ib將其以條狀形式(截面形狀為梯形)擠出并預置在基材的表面；先在基材表面預置一條后進行步驟C和D的操作，再預置另一待熔覆粉末條狀且與前一條狀搭接，條狀之間的搭接率為70%，然后進行步驟C和D的操作，如此反復，直至整個基材表面附著復合涂層；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在90°C下真空加熱硬化2h，以形成預置
層；
D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛氮氣和氬氣下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層(如圖3)。實施例3
A、對需要熔覆復合涂層的復雜曲面柱形基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其進行特種加工處理后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將由Ni60和TiC組成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在120°C下烘干36h后，再用占預置層總質量2%的ニ氧化鈦溶膠作為粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成糊狀，并用圖I所示擠壓裝置將待熔覆粉末放入擠壓腔中，通過推動擠壓桿Ia使擠壓活塞Ib將其以條狀形式(截面形狀為矩形)擠出并預置在基材的表面；先在基材表面預置一條后進行步驟C和D的操作，再預置另一待熔覆粉末條狀且與前一條狀搭接，條狀之間的搭接率為5%，然后進行步驟C和D的操作，如此反復，直至整個基材表面附著復合涂層；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在100°C下真空加熱硬化lh，以形成預置層；
D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛氮氣、氬氣和氦氣下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層(如圖3)。實施例4
A、對需要熔覆復合涂層的基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其進行傳統的打磨處理后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將由B和Ti組成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在120°C下烘干24h后，再用占預置層總質量7%的ニ氧化硅溶膠作為粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成膏狀，并以擠壓的方式將待熔覆粉末條狀是以條狀依次排列并搭接在整個基材表面后，再進行步驟C和D的操作，使基材表面附著復合涂層；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在80°C下真空加熱硬化2h，以形成預置
層；D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛氦氣下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層。 實施例5 A、對需要熔覆復合涂層的基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其進行傳統的打磨處理后用丙酮和無水こ醇清洗，以達到除油去銹的目的；
B、粉末處理將由Ni60和TiC組成的待熔覆粉末置于真空干燥箱中在100°C下烘干36h后，再用占預置層總質量10%的質量百分比濃度為5%的聚こ烯醇水溶液作為粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成糊狀或膏狀，并以擠壓方式將待熔覆粉末條狀是以條狀依次排列并搭接(條狀之間的搭接率為50%)在整個基材表面后，再進行步驟C和D的操作，使基材表面附著復合涂層；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在100°C下真空加熱硬化I. 5h，以形成預置層；
D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛氬氣和氦氣下進行熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層。
權利要求
1.一種以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于包括下列エ藝步驟 A、對需要熔覆復合涂層的基材表面進行處理視基體材料表面粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水こ醇清洗； B、粉末處理將待熔覆粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接劑將待熔覆粉末均勻混合調和成糊狀或膏狀，并以擠壓的方式將待熔覆粉末以條狀形式預置在基材的表面； C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在80 100°C下真空加熱硬化I 2h，以形成預置層； D、激光熔融將步驟B所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔融，使所 述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層。
2.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟A中的打磨是傳統的打磨處理或者特種加工處理。
3.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟B中的待熔覆粉末是由兩種或兩種以上單質元素或者化合物粉末組成的混合粉末。
4.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟B使用的粘接劑是有機粘接劑或者無機溶膠。
5.根據權利要求I或4所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述粘接劑用量占預置層總質量的2 10%。
6.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟B的待熔覆粉末條狀是先在基材表面預置一條后進行步驟C和D的操作，再預置另一待熔覆粉末條狀且與前一條狀搭接，然后進行步驟C和D的操作，如此反復，直至整個基材表面附著復合涂層。
7.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟B的待熔覆粉末條狀是以條狀依次排列并搭接在整個基材表面后，再進行步驟C和D的操作，使基材表面附著復合涂層。
8.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述待熔覆粉末條狀之間的搭接率為5 70%。
9.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟B的待熔覆粉末條狀的截面形狀為圓形、梯形或者矩形。
10.根據權利要求I所述的以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，其特征在于所述步驟D中的保護氣氛為氮氣、氬氣、氦氣中的ー種或幾種。
全文摘要
本發明涉及一種以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法，首先用配制好的粘接劑溶液將待熔覆粉末材料均勻混合成糊狀或膏狀，然后以擠壓方式將其預置在基體材料表面，自然條件晾干或置于真空干燥箱中烘干后形成預置層，最后進行激光熔融，使所述的預置層與基材實現冶金結合，即得到所需的復合涂層。本發明具有適用范圍寬、粉末利用率高、成本低廉、工藝簡單、控制簡便等優點，不僅適用于激光熔覆復合涂層的實驗室研究，還適用于形狀復雜、技術要求高的金屬零件表面激光熔覆復合涂層工程領域。
文檔編號C23C24/10GK102618868SQ201210097330
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者劉洪喜, 張曉偉, 蔣業華 申請人:昆明理工大學