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专利号: 201511017713X
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 对金属材料的镀覆;用金属材料对材料的镀覆;表面化学处理;金属材料的扩散处理;真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆;金属材料腐蚀或积垢的一般抑制〔2〕
更新日期:2024-02-28
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摘要:

权利要求书:

1.一种梯度耐磨涂层,其特征在于:所述梯度耐磨涂层分为四层,包括底层、两层过渡层及耐磨层;其中,底层采用Co50+0.15%CeO2粉末,过渡层采用Co50+0.25%CeO2+6%Ni/WC粉末,上层的耐磨层采用Co50+0.4%CeO2+12%Ni/WC粉末;所述底层厚度是0.4~0.5mm,第一层过渡层的厚度是0.7~0.9mm,耐磨层的厚度是1.2~1.4mm;

所述Co50合金粉末化学成分,按质量百分含量计算为:Cr:21.6%,Ni:10.4%,Si:

1.8%,B:2.55%,C:0.1%,W:5.62%,Co:余量;

所述Ni/WC粉末化学成分,按质量百分含量计算为:C:1.5~3.0%,B:1.5~3.5%,Si:

1.0~4.0%,Fe<14%,Cr:8.0~12.0%,W:5.62%,Ni:余量。

2.一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆权利要求1所述的梯度耐磨涂层的系统,其特征在于:包括数控操作设备、数控电脑、CO2激光器、三爪卡盘、熔覆基体、激光折射镜、同轴送粉激光头、工具头、氩气气瓶、同步送粉器、变幅杆、换能器、定位夹具、水平移动平台、超声波发生器、电磁感应加热线圈、红外测温探头、数控工作台;

所述数控操作设备、CO2激光器、三爪卡盘、激光折射镜、同轴送粉激光头、数控工作台组成CO2激光器数控加工装置,CO2激光器发出的激光束经过激光折射镜并通过同轴送粉激光头照射到熔覆基体,数控操作设备控制数控工作台、三爪卡盘与同轴送分激光头的运动方式;

所述超声波发生器、水平移动平台、定位夹具、换能器、变幅杆、工具头组成超声波振动装置,换能器、变幅杆与工具头依次相连组成振动单元,超声波发生器通过信号传输线连接振动单元,振动单元通过定位夹具与水平移动平台相固连,水平移动平台再与CO2激光器数控加工装置的数控工作台相固连;

所述红外测温探头、电磁感应加热线圈和数控电脑组成轮廓跟踪电磁感应加热器,数控电脑通过信号传输线连接红外测温探头与电磁感应加热线圈;通过数控电脑控制电磁感应加热线圈的加热轨迹与待熔覆表面外轮廓保持一致且线圈始终距离待熔覆表面5~

10mm,红外测温探头则把线圈加热温度实时传回数控电脑以便实现温度控制;

所述氩气气瓶分别与同轴送粉激光头和同步送粉器相连,氩气气瓶通过同轴送粉激光头向熔覆区域吹送氩气保护气,同步送粉器与同轴送粉激光头相连,同步送粉器通过同轴送粉激光头向熔覆基体吹送熔覆粉末,熔覆基体装夹于三爪卡盘上;

所述定位夹具,实现工具头高度方向上的调节,并确保工具头始终垂直于熔覆基体的中轴线,水平移动平台可使工具头实现水平面上的单向移动;

所述定位夹具包括一个定位基板、四个基板紧固螺母、四个基板紧固螺栓、一个基板高度锁紧螺母、一个高度调节螺柱、一个下夹紧块、两个导向定位螺柱、一个上夹紧块、两个夹紧螺钉、一个下夹紧块高度锁紧螺母、两个导向锁紧螺母、两个导向锁紧垫片、四个基板紧固垫片、两个夹紧垫片;其中定位基板通过四个基板紧固螺母、四个基板紧固螺栓与四个基板紧固垫片与水平移动平台相固定,定位基板与下夹紧块通过高度调节螺柱相连;当高度调节完毕时,将下夹紧块高度锁紧螺母与基板高度锁紧螺母旋紧;将两个导向定位螺柱通过两个导向锁紧螺母和两个导向锁紧垫片与定位基板相固定;将振动单元装夹于上夹紧块与下夹紧块中间的夹紧孔中,通过两个夹紧螺钉与两个夹紧垫片实现夹紧;

所述水平移动平台,其主要由X轴T型移动台、X轴移动旋转把手、XY轴移动导向台、Y轴移动旋转把手、Y轴移动台、四个紧固螺栓组成;其中X轴移动旋转把手与Y轴移动旋转把手分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动,水平移动平台通过四个紧固螺栓与CO2激光器数控加工装置的数控工作台相固定。

3.一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:实现步骤如下:

(1)配制制备梯度耐磨涂层的粉末,然后进行球磨、搅拌并干燥;

(2)对待熔覆基体进行预处理,用砂纸打磨待熔覆表面,而后用丙酮擦洗表面,安装相应的辅助工装夹具;然后对熔覆基体进行预热处理,水平移动平台与CO2激光器数控加工装置的数控工作台相固定,振动单元通过定位夹具与水平移动平台相固定;

(3)将预热后的熔覆基体装夹于三爪卡盘上,利用水平移动平台将工具头压紧在熔覆基体上,打开同步送粉器与氩气气瓶,启动CO2激光器、数控操作设备、超声波发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器,在待熔覆表面激光熔覆制备权利要求1所述的梯度耐磨涂层;采用Co50+0.15%CeO2粉末熔覆底层,第二、三层为过渡层采用Co50+0.25%CeO2+6%Ni/WC粉末制备,采用Co50+0.4%CeO2+12%Ni/WC粉末制备外表面的耐磨层;数控操作设备控制数控工作台、三爪卡盘与同轴送粉激光头按照数控程序进行运动;氩气气瓶持续为同轴送粉激光头与同步送粉器供气,同步送粉器通过同轴送粉激光头向熔覆区域持续吹送熔覆粉末,氩气气瓶通过同轴送粉激光头向熔覆区域吹送氩气保护气,送粉气与保护气流量分别为

700L/h与14L/min;工具头对熔覆基体靠近熔覆区的区域持续施加超声振动,振动频率为

15kHz;轮廓跟踪电磁感应加热器通过数控电脑控制线圈加热的轨迹始终与待熔覆表面外轮廓形状保持一致,并且线圈始终距离待熔覆表面5~10mm,利用红外测温探头控制熔覆区域被感应加热温度为800℃,线圈持续加热熔覆区域至熔覆结束;

(4)梯度耐磨涂层制备结束时,同时关闭CO2激光器、数控操作装置、超声波发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器;然后关闭氩气气瓶及同步送粉器,对激光熔覆后的熔覆基体进行保温处理,然后随炉冷却。

4.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:所述工具头对熔覆基体靠近熔覆区的区域持续施加超声振动,振动频率为15kHz。

5.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:所述超声振动装置采用的工艺参数为:工作频率为10~

20kHz,最大输出功率为1000W,气动压力为0.3~0.6MPa。

6.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:轮廓跟踪电磁感应加热器通过数控电脑控制线圈加热的轨迹始终与待熔覆表面外轮廓形状保持一致,并且线圈始终距离待熔覆表面5~10mm,利用红外测温探头控制熔覆层被感应加热温度为800℃。

7.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:所述轮廓电磁感应加热装置的工艺参数为:工作电压为

380V、频率为60Hz、加热温度范围为150~1000℃。

8.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:所述梯度耐磨涂层底层激光熔覆时采用12%~22%的大稀释率,确保与熔覆基体形成良好的冶金结合,并使底层的热膨胀系数接近母材,降低残余应力引起的熔覆层开裂倾向;两层过渡层采用6%~8%的小稀释率,上层的耐磨层采用5%~7%的小稀释率,由于WC含量的逐渐增加,在硬度与耐磨性提高的同时,缓解涂层的开裂倾向。

9.根据权利要求3所述的一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的方法,其特征在于:所述底层激光熔覆参数为:激光功率1700W~1900W,扫描速度270~290mm/min,送粉率0.5~0.7r/min,光斑直径4~5mm,搭接率40%~50%,熔高

0.3~0.5mm;过渡层激光熔覆参数为:激光功率1600W~1800W,扫描速度270~290mm/min,送粉率0.6~0.8r/min,光斑直径4~5mm,搭接率40%~50%,熔高0.7~0.9mm;耐磨层激光熔覆参数为:激光功率2000W~2200W,扫描速度270~290mm/min,送粉率0.7~0.9r/min,光斑直径4~5mm,搭接率40%~50%,熔高1.0~1.2mm。