含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法及注意事项

　　一种含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法

　　【技术领域】

　　[0001] 本发明属于表面合金化及涂层技术领域，涉及一种含Cr不锈钢表面氧化物扩散 障及耐蚀层的制备方法。

　　【背景技术】

　　[0002] 熔盐反应堆（Molten Salt Reactor-MSR)作为第四代核反应堆，因其极高的中子 经济性、大功率密度、固有负载可控、负温度系数大、高转化比、高可靠性、燃料组合耗费低、 可增殖性等优点，获得国内外广泛关注。但是，MSR中燃料和冷却剂所用的熔融氟化物具有 极强的腐蚀性，大多数在高温氧化环境中稳定存在的保护性氧化膜如Al 203、Cr203和SiO 2等 都会发生活性溶解，从而导致热端部件（主要是不锈钢）材料的失效。Ni在熔盐中的化学 稳定性较高，适合用作MSR环境结构材料的防护涂层。但是，当Ni涂层配合基体合金长期 服役时，Ni涂层无法阻挡基体中活性元素的外扩散，从而丧失了对基体的有效防护。

　　[0003] 鉴于互扩散是影响耐蚀Ni涂层服役寿命的关键因素，有必要在涂层和基体之间 引入扩散阻挡层。"扩散障/金属耐蚀层"复合涂层体系的设计在高温涂层领域已有研究应 用，例如，氮化物扩散障与金属基耐蚀层组成的复合涂层在解决燃气涡轮高温部件的高温 腐蚀、磨损和因元素互扩散导致的涂层退化等问题方面具有广阔的应用前景；A1 203、Cr203 等氧化物扩散障可有效抑制MCrAlY涂层与高温合金之间的元素互扩散。美国威斯康辛大 学的扩散动力学实验结果表明，由于合金元素在氧化物陶瓷中的扩散系数远小于其在金属 Ni中的数值，从而起到显著的阻扩散效应。

　　[0004]目前氧化物陶瓷扩散障的制备工艺主要包括磁控溅射、多弧离子镀等物理气相沉 积方法（PVD)和预氧化热生长方法。其中PVD要求设备真空、成本高昂，制备的扩散阻挡层 与基体间为物理结合，常因热膨胀系数不匹配存在结合力差、易脱落的问题，严重威胁熔盐 反应堆的安全运行。与PVD相比，预氧化热生长方法所需设备简单，价格低廉；氧化物涂层 与基体之间的化学结合能显著提高氧化物与基体粘附性；可通过控制反应条件对氧化物涂 层进行成分厚度调控。然而，通过上述传统涂层技术制备扩散障会对耐蚀Ni层的制备带来 一定的影响，如，氧化物扩散障的非导电性将会对电镀工艺制备Ni层产生不利影响，而采 用喷涂工艺制备Ni层又容易造成扩散障受力破裂，进一步影响其阻扩散作用。另外，采用 涂层技术先后制备的氧化物和Ni层间为物理结合，在服役过程中极易因热物理性能差异 发生开裂。可见，如何获得连续致密、与基体合金和耐蚀Ni层结合性能良好的扩散障是研 发熔盐反应堆涂层技术的关键。

　　【发明内容】

　　[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含Cr不锈钢表面氧化 物扩散障及耐蚀层的制备方法，该制备方法可以制备出连续致密且与含Cr不锈钢基体结 合性能良好的耐蚀Ni层。

　　[0006] 为达到上述目的，本发明所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备 方法包括以下步骤：

　　[0007] 1)取Ni (0)固溶体粉末，然后筛取粒径小于50μm的Ni (0)固溶体粉末作为冷喷 涂粉末；

　　[0008] 2)对待处理的含Cr不锈钢基体进行除油及清洗后进行喷砂处理；

　　[0009] 3)采用冷喷涂技术将步骤1)得到的冷喷涂粉末喷涂到经步骤2)处理的含Cr不 锈钢基体表面，在Cr不锈钢基体表面沉积Ni (0)固溶体层；

　　[0010] 4)在步骤3)得到的Ni (0)固溶体层的表面沉积耐蚀Ni层；

　　[0011] 5)将步骤4)得到的沉积有耐蚀Ni层的Cr不锈钢基体放置到惰性气体保护的容 器内，在进行热处理，使Cr不锈钢基体表面生长出Cr 203扩散障，然后再进行保温，得含Cr 不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层。

　　[0012] 步骤3)中Ni (0)固溶体层的厚度为10-100微米。

　　[0013] 步骤4)中耐蚀Ni层的厚度为90-400微米。

　　[0014] 步骤5)中的惰性气体为氩气；

　　[0015] 步骤5)中的容器为石英管或真空炉。

　　[0016] 步骤5)中热处理的过程中的温度为700-1000°C，保温时间为4-20h。

　　[0017] 含Cr不锈钢基本中Cr的含量大于等于18wt. %。

　　[0018] 本发明具有以下有益效果：

　　[0019] 本发明所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法在具体操作 时，先在含Cr不锈钢基本表面沉积Ni (0)固溶体层，再在Ni (0)固溶体层的表面沉积耐蚀 Ni层，然后在Cr不锈钢基体表面生长出Cr203扩散障，形成Cr 203扩散障/耐蚀Ni层结构， 从而得到连续致密且与含Cr不锈钢基体结合性能良好的耐蚀Ni层，制备方法简单。

　　[0020] 进一步，热处理的过程中的温度为700-1000°C，保温时间为4_20h，低吉布斯自由 能的Cr 203可在含Cr不锈钢基体/涂层界面优先生长。

　　【附图说明】

　　[0021] 图1 (a)为原始Ni粉的表面形貌；

　　[0022] 图1 (b)为经球磨处理后Ni (0)粉末的表面形貌；

　　[0023] 图2 (a)为冷喷涂Ni (0)层和Ni耐蚀外层后的复合涂层截面形貌；

　　[0024] 图2 (b)为图2 (a)中A处的放大图；

　　[0025] 图3为310ss基体/涂层界面处Cr203扩散障的形貌；

　　[0026] 图4(a)为Cr203扩散障的形貌图；

　　[0027] 图4 (b) Cr203扩散障的能谱Cr元素分布曲线；

　　[0028] 图4 (c) Cr203扩散障的能谱Fe元素分布曲线；

　　[0029] 图4 (d) Cr203扩散障的能谱Ni元素分布曲线；

　　[0030] 图4 (e) Cr203扩散障的能谱0元素分布曲线；

　　[0031] 图5 (a)为316ss基体的形貌图；

　　[0032] 图5(b)为涂层界面处Cr203扩散障的形貌图。

　　【具体实施方式】

　　[0033] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

　　[0034] 本发明所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法包括以下步 骤：

　　[0035] 1)取Ni (0)固溶体粉末，然后筛取粒径小于50μm的Ni (0)固溶体粉末作为冷喷 涂粉末；

　　[0036] 2)对待处理的含Cr不锈钢基体进行除油及清洗后进行喷砂处理；

　　[0037] 3)采用冷喷涂技术将步骤1)得到的冷喷涂粉末喷涂到经步骤2)处理的含Cr不 锈钢基体表面，在Cr不锈钢基体表面沉积Ni (0)固溶体层；

　　[0038] 4)在步骤3)得到的Ni (0)固溶体层的表面沉积耐蚀Ni层；

　　[0039] 5)将步骤4)得到的沉积有耐蚀Ni层的Cr不锈钢基体放置到惰性气体保护的容 器内，在进行热处理，使Cr不锈钢基体表面生长出Cr 203扩散障，然后再进行保温，得含Cr 不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层。

　　[0040] 步骤3)中Ni (0)固溶体层的厚度为10-100微米。

　　[0041] 步骤4)中耐蚀Ni层的厚度为90-400微米。

　　[0042] 步骤5)中的惰性气体为氩气；

　　[0043] 步骤5)中的容器为石英管或真空炉。

　　[0044] 步骤5)中热处理的过程中的温度为700-1000°C，保温时间为4_20h。

　　[0045] 含Cr不锈钢基本中Cr的含量大于等于18wt. %。

　　[0046] 实施例1

　　[0047]以Cr含量约为25wt. %的310不锈钢为基材（成分见表1)，对材料进行预处理： 丙酮超声除油，无水乙醇清洗后吹干；

　　[0048]表1

　　【主权项】

　　1. 一种含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 取Ni(O)固溶体粉末，然后筛取粒径小于50iim的Ni(O)固溶体粉末作为冷喷涂粉 末； 2) 对待处理的含Cr不锈钢基体进行除油及清洗后进行喷砂处理； 3) 采用冷喷涂技术将步骤1)得到的冷喷涂粉末喷涂到经步骤2)处理的含Cr不锈钢 基体表面，在Cr不锈钢基体表面沉积Ni(0)固溶体层； 4) 在步骤3)得到的Ni(0)固溶体层的表面沉积耐蚀Ni层； 5) 将步骤4)得到的沉积有耐蚀Ni层的Cr不锈钢基体放置到惰性气体保护的容器内， 在进行热处理，使Cr不锈钢基体表面生长出Cr2O3扩散障，然后再进行保温，得含Cr不锈钢 表面氧化物扩散障及耐蚀层。

　　2. 根据权利要求1所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征 在于，步骤3)中Ni(O)固溶体层的厚度为10-100微米。

　　3. 根据权利要求1所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征 在于，步骤4)中耐蚀Ni层的厚度为90-400微米。

　　4. 根据权利要求1所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征 在于， 步骤5)中的惰性气体为氩气； 步骤5)中的容器为石英管或真空炉。

　　5. 根据权利要求1所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征 在于，步骤5)中热处理的过程中的温度为700-1000°C，保温时间为4-20h。

　　6. 根据权利要求1所述的含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，其特征 在于，含Cr不锈钢基本中Cr的含量大于等于18wt. %。

　　【专利摘要】本发明公开了一种含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层的制备方法，包括以下步骤：1)取Ni(0)固溶体粉末，然后筛取粒径小于50μm的Ni(0)固溶体粉末作为冷喷涂粉末；2)对待处理的含Cr不锈钢基体进行除油及清洗后进行喷砂处理；3)采用冷喷涂技术将步骤1)得到的冷喷涂粉末喷涂到经步骤2)处理的含Cr不锈钢基体表面，在Cr不锈钢基体表面沉积Ni(0)固溶体层；4)在步骤3)得到的Ni(0)固溶体层的表面沉积耐蚀Ni层；5)将Cr不锈钢基体放置到惰性气体保护的容器内，在进行热处理，使Cr不锈钢基体表面生长出Cr2O3扩散障，然后再进行保温，得含Cr不锈钢表面氧化物扩散障及耐蚀层。本发明可以制备出连续致密且与含Cr不锈钢基体结合性能良好的耐蚀Ni层。

　　【IPC分类】C23C24-02

　　【公开号】CN104694917

　　【申请号】CN201510122199

　　【发明人】徐雅欣, 李长久, 雒晓涛, 李成新, 杨冠军

　　【申请人】西安交通大学

　　【公开日】2015年6月10日

　　【申请日】2015年3月19日

　　一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明公开了一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，是基于了激光感应复合快速熔覆的新方法。

　　【背景技术】

　　[0002]对关键机械零配件表面进行修复，虽然传统方法如堆焊和热喷涂等的效率高，涂层厚度均匀且与基材接合牢固，但由于受热过程缓慢，导致稀释率与热影响区大，陶瓷相烧损严重，而且只适合在平整表面进行熔涂。而激光熔覆技术具有能量密度高、热变形与热影响区小、稀释率低、激光加工位置可以精确定位等优点，正成为汽车、冶金、交通等领域的关键技术，具有广阔的应用前景。但由于激光熔覆自身的特点即快速加热与快速冷却凝固，在材料表面极易形成裂纹，这已成为阻碍激光熔覆技术工业化应用难以逾越的障碍之一。传统激光熔覆技术存在以下缺点，其一，熔覆效率低，导致大面积熔覆时成本昂贵；其二，由于激光熔覆本身的特点，即快速加热与快速凝固，在激光熔覆过程中，热应力极易诱导熔覆层开裂。

　　[0003]为了克服上述问题，本发明设计一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，提出了激光感应复合快速的新方法，熔覆效率相对于传统激光熔覆技术也大大提高而且金属陶瓷复合涂层无气孔与裂纹。解决熔覆层裂纹问题，加快推动激光熔覆技术的工业化应用。

　　【发明内容】

　　[0004]本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，发明一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法。其技术方案是一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，其特征是:本发明提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，其基本原理是伦兹定律，即随时间变化的电磁场会形成涡流，根据焦尔效应，涡流可以产生热。因此，利用高频感应加热线圈在工件表面产生的集肤效应，可使工件表面的温度只需几秒钟就可达到红热状态，然后将激光束定位到感应加热区，实现激光热源与感应加热源的复合，同时快速进行激光熔覆。

　　[0005]激光感应复合快速熔覆装置主要包括:数控面板、激光器、激光熔池、送粉器数控机床、基板、导磁体、高频感应加热器、专用感应加热线圈等。

　　[0006]具体工艺:将待加工的金属零件放在基板上，熔覆金属陶瓷粉末按比例配好装入送粉器。使用激光感应复合快速熔覆装置进行激光感应复合快速熔覆时，打开高频感应加热器，预热待加工的金属零件。激光扫描速度3000mm/min，粉末沉积率为(52.24?82.67)g/min，获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层。

　　[0007]本发明的特点是:通过引入高频感应加热器，激光熔覆的效率得到大大提高，其显著的优点如下:感应加热装置尺寸小，开启迅速，可取代体积大、起动和关闭时间较长、效率低的加热炉；被加热的工件不需要同感应器接触，加热时间短，装卸方便，而且可以对工件进行实时加热并同时进行激光熔覆，比传统激光熔覆的效率高广5倍；可对需要加热的区域精确定位，而不必对工件进行整体加热，因此对工件尺寸与形状无限制对于修复大尺寸工件如大型轧辊、曲轴等优势十分明显，应用前景十分广阔。该方法不仅可使熔覆效率大大提高而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层，为提高熔覆效率与消除熔覆层的裂纹开辟了一种新的途径，使激光熔覆金属陶瓷复合涂层技术走出实验室，实现工业化应用指日可待。

　　【具体实施方式】

　　[0008]一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，其特征是:本发明提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，其基本原理是伦兹定律，即随时间变化的电磁场会形成涡流，根据焦尔效应，涡流可以产生热。因此，利用高频感应加热线圈在工件表面产生的集肤效应，可使工件表面的温度只需几秒钟就可达到红热状态，然后将激光束定位到感应加热区，实现激光热源与感应加热源的复合，同时快速进行激光熔覆。

　　[0009]激光感应复合快速熔覆装置主要包括:数控面板、激光器、激光熔池、送粉器数控机床、基板、导磁体、高频感应加热器、专用感应加热线圈等。

　　[0010]具体工艺:将待加工的金属零件A3板放在基板上，熔覆金属陶瓷粉末为粉末为Ν?60Α+ 20 % WC的复合粉末，按比例配好装入送粉器。，使用激光感应复合快速熔覆装置进行激光感应复合快速熔覆时，打开高频感应加热器，预热待加工的金属零件。激光扫描速度3000mm/min，粉末沉积率为(52.24?82.67) g/min，获得了无裂纹的熔覆层宽度为(3?5)_，厚度为(0.6?1.2) _的金属陶瓷复合涂层，经检测没有气孔与裂纹。

　　【主权项】

　　1.一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，其特征是:提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，利用高频感应加热线圈在工件表面产生的集肤效应，可使工件表面的温度只需几秒钟就可达到红热状态，然后将激光束定位到感应加热区，实现激光热源与感应加热源的复合，同时快速进行激光熔覆。

　　2.根据权利要求1所述的一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，其特征是:激光感应复合快速熔覆装置主要包括:数控面板、激光器、激光熔池、送粉器数控机床、基板、导磁体、高频感应加热器、专用感应加热线圈等。

　　3.根据权利要求1所述的一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法，其特征是:具体工艺:将待加工的金属零件放在基板上，熔覆金属陶瓷粉末按比例配好装入送粉器，使用激光感应复合快速熔覆装置进行快速熔覆时，打开高频感应加热器，预热待加工的金属零件，控制激光扫描速度3000mm/min，粉末沉积率为(52.24?82.67) g/min。

　　【专利摘要】本发明公开了一种金属陶瓷复合涂层的激光熔覆的新方法。其技术方案是：提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，利用高频感应加热线圈在工件表面产生的集肤效应，可使工件表面的温度只需几秒钟就可达到红热状态，然后将激光束定位到感应加热区，实现激光热源与感应加热源的复合，同时快速进行激光熔覆。本发明的特点是：通过引入高频感应加热器，激光熔覆的效率得到大大提高，可对需要加热的区域精确定位。该方法不仅可使熔覆效率大大提高而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层，为提高熔覆效率与消除熔覆层的裂纹开辟了一种新的途径，使激光熔覆金属陶瓷复合涂层技术走出实验室，实现工业化应用指日可待。

　　【IPC分类】C23C24-10

　　【公开号】CN104694918

　　【申请号】CN201310657404

　　【发明人】马文超

　　【申请人】青岛平度市旧店金矿

　　【公开日】2015年6月10日

　　【申请日】2013年12月9日

　　钛合金激光表面合金化的方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明涉及金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金激光表面合金化的方法。

　　【背景技术】

　　[0002]钛合金具有低密度、比强度及屈强度高等特点，它能提供低重量、耐腐蚀结构。主要应用于医疗、航空等领域，尤其是在高推比航空发动机及先进战斗机等国防武器装置中的用量及对武器装备技术水平的作用越来越大。而且它还可以应用于能源、化学加工、航海和运输等领域。

　　[0003]但是，目前现有技术所制备的钛及钛合金(CN201180030176.6)表面硬度较低，化学活性较大，尤其是钛及钛合金本身的特性严重限制了其更广泛的应用。因此，进一步提高钛及钛合金的耐磨性、抗氧化抗腐蚀性等表面性能成为目前钛合金应用领域的一个难题。目前现有研究主要从改进合金的成分和制备工艺，对钛合金进行表面改性等方面进行改进。

　　[0004]在钛合金表面进行表面制备合金涂层是目前比较有效的方法，而其方法主要有传统渗碳渗氮、物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入以及激光表面改性等。但是这些方法具有技术成本高、技术完成周期长、技术效果不明显等特点。

　　【发明内容】

　　[0005]为了解决上述技术中存在的缺陷，本发明提出一种能够降低生产成本、增强钛合金耐磨性的钛合金激光表面合金化方法。

　　[0006]本发明的技术方案如下:一种钛合金激光表面合金化的方法，步骤如下:

　　[0007](I)将合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C30_40%、Ti 10-20%、Si5%、C20%、N20%、A15%，碾磨所述的合金粉末至分散均匀且平均粒径小于3um，用粘结剂调制成膏状物。合金粉末中的碳和氮对于钛合金表面强化具有重要的作用。有色金属，非金属元素的加入可以全面丰富钛合金表面的多种性能的提升。均匀分散有利于钛合金表面的强化。平均粒径越小，对于钛合金表面强化越有利。

　　[0008](2)将所述膏状物均匀涂覆于预处理的钛合金基体表面，涂覆厚度为0.4-0.6mm,晾干。涂覆的厚度对于钛合金激光表面合金化具有很重要的影响，因为激光的扫描将会影响钛合金表面的合金化化学反应。

　　[0009](3)对涂有合金粉末的钛合金基体表面进行激光扫描，激光功率为500W，光斑直径为4mm，扫描速度为1200-1500mm/min，得到钛合金激光表面化合金涂层。激光扫描的速度，功率对于激光表面合金化也具有很大的影响，将会对合金化层中合金化程度，合金化层裂纹和表面不平整度的控制产生影响。

　　[0010]优选的，步骤(I)中的粘结剂为聚乙酸乙烯酯溶液。

　　[0011]优选的，步骤(I)中的合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C30%、Ti20%、Si5%、C20%、N20%、A15%。上述的重量百分含量比的合金粉末对于合金化程度可以达到效果最佳。

　　[0012]优选的，步骤(2)中的涂覆厚度为0.5_。上述的涂覆厚度对于激光表面合金化效果可以达到最佳。

　　[0013]优选的，步骤(2)中的预处理为对钛合金表面进行清洗、吹干处理。钛合金表面的预处理可以帮助钛合金表面更有效率地进行。

　　[0014]优选的，步骤(3)中的激光扫描速度为1400mm/min。上述的激光扫描速度为最佳，对于钛合金的激光表面合金化效果可以达到最佳。

　　[0015]本发明的有益效果如下:

　　[0016]第一.本发明的技术方案技术成本低，技术方案的时间周期短，可以很快地投入工业生产，对于钛合金的更加广泛的工业生产具有很大的帮助。

　　[0017]第二.本发明的技术方案所制备的钛合金具有表面合金化涂层，使得其耐磨性、耐腐蚀性等表面综合性能有了很大的提升，平均硬度也有很大提高。由于在涂层的组织组成相为金属间化合物，金属间化合物独特的金属键与共价键共存的性质，使得该新型金属间化合物激光表面合金化涂层具有较低的磨损量，摩擦系数有显著降低，耐磨性有显著提高。

　　[0018]第三.本发明的技术工艺简单，适于批量工业化生产，技术简单易行，具有较大的市场应用前景。

　　【具体实施方式】

　　[0019]下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

　　[0020]本发明的实施例是在BT9钛合金基体表面通过激光表面合金化获得合金化涂层的过程，然后对其所获得的涂层进行性能测试。

　　[0021]实施例1

　　[0022]将合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C30%、Ti20%、Si5%、C20%、N20%、A15%，碾磨所述的合金粉末至分散均匀且平均粒径为2.5um，用聚乙酸乙烯酯溶液调制成膏状物。将所述膏状物均匀涂覆于进行清洗、吹干处理的BT9钛合金基体表面，涂覆厚度为0.5mm,晾干。对涂有合金粉末的钛合金基体表面进行激光扫描,激光功率为500W,光斑直径为4mm,扫描速度为1400mm/min,得到钛合金激光表面合金化涂层。

　　[0023]实施例2

　　[0024]按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例2中合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C35%、Ti 15%、Si5%、C20%、N20%、A15%。

　　[0025]实施例3

　　[0026]按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例3中合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C40%、Ti 10%、Si5%、C20%、N20%、A15%。

　　[0027]实施例4-5

　　[0028]按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例4，5中涂覆于钛合金基体表面的合金粉末的厚度分别为0.4mm, 0.6mm。

　　[0029]实施例6-7

　　[0030]按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例6，7中激光扫描速度分别为1200mm/min,1500mm/mino

　　[0031]最后将实施例1-7所获得的钛合金激光表面合金化涂层进行性能检测。检验结果如下:

　　[0032]1、显微硬度。钛合金激光表面合金化涂层硬度是采用MH-6型显微硬度仪测量的。测试结果表明:BT9钛合金基体硬度为Hv400，而通过实施例1所获得的钛合金激光表面合金化涂层显微硬度为HvlOOO，而通过实施例2-7所获得的钛合金激光表面合金化涂层显微硬度分别在Hv600至Hv800之间。

　　[0033]2、耐磨性。钛合金激光表面合金化涂层耐磨性是采用HSR-2M型高速往复摩擦试验机测试的，测试结果表明:通过实施例1所获得的钛合金激光表面合金化涂层的磨损形貌中犁沟较浅，且磨损量为0.2mg,比BT9钛合金基体少0.2mg。而经测试，通过实施例2_7所获得的钛合金激光表面合金化涂层磨损量与BT9钛合金基体相比，减少量在0-0.1mg之间。

　　【主权项】

　　1.钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述方法的步骤如下: (1)将合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C30-40%、Ti10-20%, Si5%、C20%、N20%、A15%，碾磨所述的合金粉末至分散均匀且平均粒径小于3um，用粘结剂调制成膏状物； (2)将所述膏状物均匀涂覆于预处理的钛合金基体表面，涂覆厚度为0.4-0.6mm,晾干; (3)对涂有合金粉末的钛合金基体表面进行激光扫描，激光功率为500W，光斑直径为4mm,扫描速度为1200-1500mm/min,得到钛合金激光表面化合金涂层。

　　2.根据权利要求1所述的钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中的粘结剂为聚乙酸乙烯酯溶液。

　　3.根据权利要求1所述的钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中的合金粉末由以下重量百分含量的组分组成:C30%、Ti20%、Si5%、C20%、N20%、A15%。

　　4.根据权利要求1所述的钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中的涂覆厚度为0.5mm。

　　5.根据权利要求1所述的钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中的预处理为对钛合金表面进行清洗、吹干处理。

　　6.根据权利要求1所述的钛合金激光表面合金化的方法，其特征在于:所述的步骤(3)中的激光扫描速度为1400mm/min。

　　【专利摘要】一种钛合金激光表面合金化的方法，将合金粉末碾磨，用粘结剂调制成膏状物，将膏状物均匀涂覆于预处理的钛合金基体表面，然后对其进行激光扫描，获得激光表面合金化涂层。本技术方案可以提高钛合金的表面性能，提升其耐磨性，耐腐蚀性等综合力学性能，本技术方案制备工艺简单，适于批量生产。

　　【IPC分类】B22F1-00, C23C24-10

　　【公开号】CN104694919

　　【申请号】CN201310659703

　　【发明人】刘官柱

　　【申请人】大连飞马文仪家俱有限公司

　　【公开日】2015年6月10日

　　【申请日】2013年12月4日

　　使用金属填充焊丝的激光熔覆系统和方法

　　【技术领域】

　　[0001]本说明书中所公开的主题涉及激光熔覆系统和方法，并且更具体地，涉及使用金属填充焊丝的激光熔覆系统和方法。

　　【背景技术】

　　[0002]多种工业应用中的金属和合金部件在制造和/或修复期间通常需要多种涂覆或焊接操作。例如，燃气涡轮发动机包括燃料喷嘴以将燃烧燃料输送至燃烧器部件。经过一段时间的延长使用，燃料喷嘴可能经历劣化，例如在喷嘴尖端的边缘周围。通过传统的熔焊建造金属层的过程可能需要显著的热输入。此外，如果未被适当地考虑到，焊接过程可能导致涡轮机部件的潜在变形。

　　[0003]为了减轻熔焊的一些影响，可以使用具有低热输入的过程。激光熔覆可以使用足够低的温度以用于将喷嘴尖端恢复到正确尺寸，但是使用激光熔覆技术将金属沉积在喷嘴的边缘上可能是困难的。此外，如果未被适当地考虑到，输送粉末金属可能易于造成粉末损耗和/或环境污染。尽管利用助熔剂可以提供低熔点材料，但是激光加热可能导致等离子体形成，其中所述等离子体形成使激光中断并且可能需要补充返修以解决这种中断。

　　[0004]因此，备选的激光熔覆系统和方法将在本领域内受到欢迎。

　　【发明内容】

　　[0005]在一个实施例中，公开一种激光熔覆系统。该激光熔覆系统包括:金属填充焊丝，该金属填充焊丝包括包绕金属填充芯的金属壳，其中金属填充芯包括粉末金属或细丝金属中的至少一种；以及激光器，该激光器产生激光束，其中所述激光束被引导至金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化金属壳和金属填充芯，从而产生熔池以用于沉积在基体上。

　　[0006]在另一个实施例中，公开一种激光熔覆方法。该激光熔覆方法包括提供具有表面的基体以及提供接近该表面的金属填充焊丝的尖端，其中金属填充焊丝包括包绕金属填充芯的金属壳，并且其中金属填充芯包括粉末金属或细丝金属中的至少一种。该激光熔覆方法还包括将来自激光器的激光束引导至金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化金属壳和金属填充芯，从而在基体的表面上产生熔池。

　　[0007]基于结合附图的以下详细描述，由本说明书中所讨论的实施例所提供的这些和另外的特征将得到更全面的理解。

　　【附图说明】

　　[0008]附图中所阐述的实施例在本质上是说明性和示例性的并且非旨在限制由权利要求所限定的本发明。能够在结合附图阅读时理解对说明性实施例的以下详细描述，其中相似的结构由相似的附图标记表示，在附图中:

　　[0009]图1是根据本说明书中示出或描述的一个或更多个实施例的激光熔覆系统的侧视图的不意图；

　　[0010]图2是通过根据本说明书中示出或描述的一个或更多个实施例的图1的激光熔覆系统沉积的熔覆层的俯视图；

　　[0011]图3是用于根据本说明书中示出或描述的一个或更多个实施例的激光熔覆系统的金属填充焊丝的横截面的示意图；以及

　　[0012]图4是根据本说明书中示出或描述的一个或更多个实施例的激光熔覆方法的图不O

　　[0013]附图标记名称:

　　[0014]10激光熔覆系统；11熔覆方向；15共同安装件；20送丝装置；25金属填充焊丝；22尖端；26金属壳；27金属填充芯；28粉末金属；29细丝金属；30激光器；32激光束；34激光光斑；40基体；41表面；45熔覆层；47熔池；100激光熔覆方法；110步骤；120步骤；130步骤；A激光器高度；t壳厚度；d芯直径。

　　【具体实施方式】

　　[0015]下文将对本发明的一个或更多个特定实施例进行描述。为了提供对这些实施例的简明描述，说明书中可能不会对实际实施方式的所有特征进行描述。应当领会，在任何这种实际实施方式的开发过程中，像在任何工程或设计项目中一样，必须做出多种实施方式的特定决定，以实现开发者的特定目标(例如遵守系统相关和商业相关的约束)，所述特定目标可能随着实施方式的不同而发生变化。此外，应当领会，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是无论如何，对于受益于本发明的本领域普通技术人员而言，这是设计、加工和制造的常规任务。

　　[0016]当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示具有元件中的一个或更多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意为包含性的并且意味着可以具有除所列出的元件之外的元件。

　　[0017]激光熔覆系统大体包括金属填充焊丝和激光器。金属填充焊丝有利于将粉末金属和/或细丝金属输送到由激光器产生的熔池，同时减轻环境成分(例如，污染物)的影响。激光器由此将激光束引导至金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化金属填充焊丝的金属壳和金属填充芯二者并且在基体上产生熔覆层。通过供给金属填充焊丝内部的粉末金属和/或细丝金属，激光熔覆可以用于沉积清洁、一致的熔覆层，同时利用相对低的激光功率和所施加的热。现在将在本说明书中更详细地描述激光熔覆系统和方法。

　　[0018]现在参照图1-3，示出了激光熔覆系统10。激光熔覆系统10大体包括金属填充焊丝25和激光器30。

　　[0019]金属填充焊丝25包括包绕金属填充芯27的金属壳26。金属填充芯27和金属壳26大体包括适于激光熔覆的材料一一即，能够借助通过激光器产生的激光束的功率而熔化并且随后与基体40的表面41结合并且固化在该表面41上的材料。基体40可以包括例如任何金属或合金基体，比如燃气涡轮机的任何涡轮机部件(例如，内衬、喷嘴、轮叶、叶片、动叶、燃烧器等等)。

　　[0020]金属填充焊丝27包括粉末金属28 (即，能够配合到金属填充焊丝25的金属壳26内的呈粉末形式的金属)或细丝金属29 (即，能够配合到金属填充焊丝25的金属壳26内的呈细丝、刚毛或毛发状形式的金属)中的至少一种。在一些实施例中，金属填充芯27可以包括一种或更多种粉末金属28 ο在一些实施例中，金属填充芯27可以包括一种类型或更多种类型的细丝金属29。在甚至一些实施例中，金属填充芯27可以包括一种或更多种类型的粉末金属28和一种或更多种类型的细丝金属29的组合。多种粉末金属28和细丝金属29可以包括能够借助激光束的功率而熔化并且随后与基体40的表面41结合并且固化到该表面41上的不同或相似的材料。例如，在一些实施例中，金属填充芯27能够包括尼莫尼克合金(Nimonic) 263、不锈钢、镲基高温合金(superalloy)、镲涂覆的Al2O3、钴基高温合金、铁基高温合金或者其它合适的金属或合金、及其组合。在一些实施例中，金属填充芯27可以包括一种材料。在其它实施例中，金属填充芯27可以包括多种材料。在甚至一些实施例中，金属填充芯27的材料或多种材料中的至少一些可以具有与金属壳26和/或基体40本身相同的材料组成(即，尽管呈不同形式但仍为相同的材料)。

　　[0021]此外，金属填充芯27能够包括具有均匀或不均匀尺寸的颗粒(即，粉末金属28)。在一些实施例中，金属填充芯27能够包括具有均匀或不均匀尺寸的一根或更多根较小的细丝(即，细丝金属29)。这种细丝可以各自具有处于例如从大约0.003英寸至大约0.006英寸的范围内的直径并且能够类似地包括尼莫尼克合金263、不锈钢、镍基高温合金、镍涂覆的Al2O3、钴基高温合金、铁基高温合金或者其它合适的金属或合金、及其组合。在一些特定实施例中，细丝金属29可以各自包括相同的一种材料。在其它实施例中，细丝金属29可以包括多种类型的材料。

　　[0022]在一些实施例中，金属填充芯27可以包括各自具有至少1300°C的熔化温度的一种或更多种粉末金属28和/或细丝金属29。这种实施例可以有助于防止能够由于使用较低的熔点成分而形成的炉渣。例如，在甚至一些实施例中，金属填充芯27可以不具有助熔剂。具体而言，金属填充芯27可以不具有下述成分，所述成分用于有利于较低温度熔化和/或其它材料的氧化但是同样造成炉渣的形成。

　　[0023]类似于金属填充芯27，金属壳26也能够包括例如尼莫尼克合金263、不锈钢、镍基高温合金、镲涂覆的Al2O3、钴基高温合金、铁基合金或者其它合适的金属或合金、及其组合。在一些实施例中，金属壳26可以包括一种材料。在其它实施例中，金属壳26可以包括多种材料。在甚至一些实施例中，金属壳26的材料或多种材料中的至少一些可以具有与金属填充芯27和/或基体40本身相同的材料组成(即，尽管形式不同但仍为相同的材料)。

　　[0024]金属填充焊丝25可以包括多种尺寸、形状和相对构造。例如，在一些实施例中，比如如图1-3中所示，金属填充焊丝25可以包括具有包绕金属填充芯27的圆柱形横截面的大体管状金属壳26。金属壳26可以备选地或另外地包括椭圆形横截面、类方形横截面、类矩形横截面或者任何其它的几何形状或非几何形状横截面。此外，金属壳26可以大体包括相对于金属填充芯27的金属填充焊丝的多种相对厚度。例如，金属壳26可以包括与芯直径d相比的壳厚度t，如图3中所示。在一些实施例中，壳厚度t可以处于从大约0.003英寸至大约0.01英寸的范围内。在一些实施例中，芯直径d可以处于从大约0.025英寸至大约0.045英寸的范围内。

　　[0025]在一些实施例中，比如如图1中所示，可以通过送丝装置20提供金属填充焊丝25。该送丝装置可以包括能够朝向目标沉积区域连续地进给和引导金属填充焊丝25的任何装置。在一些特定实施例中，送丝装置20可以沿熔覆方向11前进，同时进给连续量的金属填充焊丝25，使得在熔覆层45前进的同时，熔池47具有新材料的恒定供给。

　　[0026]仍然参照图1和图2，激光熔覆系统10还包括激光器30。激光器30能够包括能产生激光束32并且朝向金属填充焊丝25的尖端22的至少一部分引导激光束32的任何激光器系统。具体而言，激光器30能够产生激光束32，该激光束32能够被引向金属填充焊丝25的尖端22的至少一部分，以熔化金属壳26和金属填充芯27 二者。在一些实施例中，激光器30能够产生激光束32，该激光束32还被引向基体的表面41的至少一部分。

　　[0027]激光器30能够包括能熔化金属填充焊丝25的金属壳2

　　6和金属填充芯27 二者的任何类型的激光器。例如，在一些实施例中，激光器30能够选自Nd=YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器和盘状激光器。在一些实施例中，激光器30能够产生从大约400瓦至大约I, 000瓦的激光束32。在甚至一些实施例中，激光器30能够产生小于或等于大约800瓦的激光束32。此外，激光器30能够产生可在金属填充焊丝25的尖端22上聚焦或散焦的连续或脉冲激光束32。

　　[0028]激光器30能够被布置于离开基体40的表面41的激光器高度A处。在一些实施例中，激光器30与基体40的表面41之间的激光器高度A保持固定。在一些实施例中，激光器高度A发生变化。在一些实施例中，激光器30所产生的激光束32可以直接聚焦在金属填充焊丝25的尖端22上，使得尖端22上的激光光斑34相对较小。然而，在一些实施例中，激光束32可以聚焦在尖端22的上方或下方，使得激光光斑34较大。例如，激光束32可以聚焦在基体的表面41以上具有一定高度的点处，所述高度为大约5毫米至大约15毫米、或者备选地大约8毫米至大约13毫米、或者备选地大约10毫米至大约12毫米。这种实施例可以使能量聚焦跨过基体40的表面41的较大区域和金属填充焊丝25的尖端22分布。

　　[0029]参照图1，在一些实施例中，送丝装置20和激光器30可以连接至共同安装件15。这种实施例可以有利于激光器30在送丝装置20沿熔覆方向11沉积熔覆层45时与送丝装置20 —致地移动。在其它实施例中，送丝装置20和激光器30可以连接至分离的固定件，但是仍然比如通过激光器30上的自动聚焦装置而沿熔覆方向11 一致地横过基体40，所述自动聚焦装置跟随金属填充焊丝25的尖端22的移动。在甚至另一个实施例中，送丝装置20和激光器30可以保持静止，连接至共同安装件15或分离的安装件，而基体40相对于送丝装置20和激光器30 二者移动。

　　[0030]应当领会，图1中所示的金属填充焊丝25、送丝装置20和激光器30的构造和布置仅仅是说明性的并且不期望构成限制。此外，尽管已在本发明中详细地描述了一些具体实施例，但是本领域技术人员应当领会，备选的或另外的修改是可能的，其中包括多个元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、角度、材料的使用、定向、速度以及类似参数上的改变。

　　[0031]在操作中，金属填充焊丝25可以被布置成使得其尖端22接近基体的表面41。激光器30随后能够产生激光束32，该激光束32被引导至尖端22的至少一部分上，由此激光束使得金属填充焊丝的金属壳26和金属填充芯27 二者熔化到基体42的表面41上。由熔化的金属壳26和金属填充芯27所产生的熔池47随后能够与表面41结合并且固化在该表面41上或与该表面41 一起固化，以在基体40上产生熔覆层45。该过程能够通过下述而沿熔覆方向11继续:通过使金属填充焊丝25 (例如通过送丝装置20)和激光器30相对于静止的基体40连续地前进、通过使基体40相对于静止的金属填充焊丝25和激光器30移动、或其组合。该过程能够继续沉积熔覆层45以覆盖基体40的任何合适的区域。例如，在一些实施例中，熔覆层45可以沉积(即，熔池47可以固化)成扰流器(即能够将层流气流扰乱成湍流气流的构造)。这种实施例可以特别地被用于实现用于涡轮机的内衬。

　　[0032]在一些实施例中，可以在金属填充焊丝25的尖端22周围提供保护气体。保护气体能够包括例如氩、氮、氦或类似气体或其组合。在一些特定实施例中，保护气体可以在被提供到金属填充焊丝25的尖端22的周围之前被预热，以有助于提高来自激光熔覆系统10的潜在沉积率。

　　[0033]现在再参照图4，示出了用于使用本说明书中所公开的激光熔覆系统10来熔覆基体40的表面41的至少一部分的激光熔覆方法100。激光熔覆方法100首先包括在步骤110中提供具有表面41的基体40。如上文所讨论的，基体能够包括能与由金属填充焊丝25所产生的熔覆层45结合的任何金属或合金部件。在一些实施例中，基体40可以包括燃气涡轮机的涡轮机部件，例如内衬、喷嘴、轮叶、叶片、动叶、燃烧器或类似部件。

　　[0034]激光熔覆方法100还包括在步骤120中提供接近基体40的表面41的金属填充焊丝25的尖端22。如本说明书中所讨论的，金属填充焊丝25包括包绕金属填充芯27的金属壳26。此外，在一些实施例中，可以通过送丝装置20来提供金属填充焊丝25。

　　[0035]激光熔覆方法100还包括在步骤130中将激光束32引导至金属填充焊丝25的尖端22的至少一部分上，以恪化金属壳26和金属填充芯27。如上文所讨论的，恪化金属壳26和金属填充芯27在表面41上产生熔池47，该熔池47将随后与表面41结合并且固化在该表面41上以在基体40上产生熔覆层45。在一些实施例中，尖端22的至少一部分可以在引导激光束32之前被预热。在一些实施例中，方法100还包括使送丝装置20和激光器30沿熔覆方向11 一致地前进。

　　[0036]现在应当领会，激光熔覆系统和方法可以利用包括包绕金属填充芯的金属壳的金属填充焊丝。通过供给金属填充焊丝内部的粉末金属和/或细丝金属，激光熔覆可以用于沉积清洁、一致的熔覆层，同时利用相对较低的激光功率和所施加的热。此外，可以避免利用助熔剂材料或过量的热，由此有利于更加一致和质量更高的熔覆层。

　　[0037]尽管已经结合仅数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解的是，本发明并不限于这些公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此夕卜，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不被视为受到以上描述的限制，而是仅由所附权利要求的范围限定。

　　【主权项】

　　1.一种激光熔覆系统，包括: 金属填充焊丝，所述金属填充焊丝包括包绕金属填充芯的金属壳，其中，所述金属填充芯包括粉末金属或细丝金属中的至少一种；以及 激光器，所述激光器产生激光束，其中所述激光束被引导至所述金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化所述金属壳和所述金属填充芯，从而产生熔池以用于沉积在基体上。

　　2.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述金属填充芯包括各自具有至少大约1300°C的熔化温度的一种或更多种粉末金属或细丝金属。

　　3.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述金属填充芯不具有助熔剂。

　　4.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述金属填充芯和所述金属壳包括共同的材料组成。

　　5.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述基体包括涡轮机部件。

　　6.根据权利要求5所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述涡轮机部件包括内衬。

　　7.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，由所述激光器产生的激光束为大约400瓦至大约1,000瓦。

　　8.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，通过送丝装置进给金属填充焊丝。

　　9.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述金属填充芯包括各自具有从大约0.003英寸至大约0.006英寸的直径的一根或更多根细丝金属。

　　10.根据权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述金属填充焊丝包括从大约0.025英寸至大约0.045英寸的直径。

　　11.一种激光熔覆方法，包括: 提供具有表面的基体； 提供接近所述表面的金属填充焊丝的尖端，其中，所述金属填充焊丝包括包绕金属填充芯的金属壳，并且其中所述金属填充芯包括粉末金属或细丝金属中的至少一种；以及将来自激光器的激光束引导至所述金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化所述金属壳和金属填充芯，从而在所述基体的表面上产生熔池。

　　12.根据权利要求11所述的混合涂覆方法，还包括在产生所述熔池的同时在所述金属填充焊丝的所述尖端的周围提供保护气体。

　　13.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，还包括在引导所述激光束之前对所述尖端的至少一部分进行预热。

　　14.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述金属填充芯包括各自具有至少大约1300°C的熔化温度的一种或更多种粉末金属或细丝金属。

　　15.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述金属填充芯不具有助熔剂。

　　16.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述基体包括用于涡轮机的内衬并且所述内衬的表面上的熔池固化成扰流器。

　　17.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光器产生从大约400瓦至大约1，000瓦的激光束。

　　18.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，送丝装置提供所述金属填充焊丝。

　　19.根据权利要求11所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述金属填充芯包括各自具有从大约0.003英寸至大约0.006英寸的直径的一根或更多根细丝金属。

　　20.根据权利要求18所述的激光熔覆方法，还包括使所述送丝装置和所述激光器沿熔覆方向一致地前进。

　　【专利摘要】本发明公开一种激光熔覆系统，该激光熔覆系统包括金属填充焊丝和激光器，金属填充焊丝包括包绕金属填充芯的金属壳，其中金属填充芯包括粉末金属或细丝金属中的至少一种，激光器产生激光束，其中所述激光束被引导至金属填充焊丝的尖端的至少一部分上，以熔化金属壳和金属填充芯，从而产生熔池以用于沉积在基体上。

　　【IPC分类】C23C24-10

　　【公开号】CN104694920

　　【申请号】CN201410738289

　　【发明人】林德超, P.S.迪马斯乔, D.V.布奇, S.C.科蒂林加姆, 崔岩

　　【申请人】通用电气公司

　　【公开日】2015年6月10日

　　【申请日】2014年12月5日

　　【公告号】EP2881216A1, US20150158118