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輝銳服務介紹丨10 超高速熔覆涂層
來源: | 作者:輝銳集團 | 發布時間: 2020-08-31 | 1016 次瀏覽 | 分享到:

1.超高速熔覆與傳統熔覆工藝比較

激光直接沉積技術可以在零件表面直接沉積不同的材料并形成高強度的金屬結合,利用該技術進行表面涂層處理厚度可以達到電鍍技術的10到500倍。基于傳統激光熔覆技術,輝銳集團開發的超高速熔覆技術處于國內領先水平。
● 超高速熔覆技術采用比傳統激光熔覆技術快兩個數量級的熔覆速度(達幾米/秒),對基材表面進行高效率涂層熔覆。超過1.5平方米/小時的高效率涂層可以使激光熔覆的成本降低到與鍍硬鉻成本相當。
● 電鍍涂層屬于物理結合,涂層厚度較薄一般為20-60μm。而超高速熔覆涂層厚度最少達到120μm,最高可達到1000μm,激光涂層與基材的結合屬于冶金結合,結合強度比電鍍涂層高幾倍,因此涂層壽命更長。
●  超高速熔覆比傳統熔覆工藝對基材造成的熱影響區和熱應力都更小,不易造成變形和開裂。

圖1 傳統激光熔覆(左)  超高速激光熔覆(右)的工藝原理示意圖



     超高速激光熔覆與傳統激光熔覆的區別如上圖所示。在傳統激光熔覆中,激光能量優先被基板吸收,在基材表面生成穩定熔池,熔覆粉末進入熔池后被熔融,冷卻凝固后形成熔覆層,由于穩定熔池是粉末熔融的前提條件,因此激光掃描速度一般低于30mm/s,熔覆效率低于0.1m2/h,熔覆層厚度一般在0.5-2mm范圍內;同時基材熔深較深,稀釋率與熱影響區都較大,基材變形問題較嚴重。在超高速激光熔覆過程中,熔覆粉末優先吸收激光能量,在抵達基板前已達到熔融狀態,而基材表面只形成極淺的熔池或不產生熔池,依靠熔融粉末的熱量傳遞與基材產生冶金結合。沒有了穩定熔池這一限制,激光掃描速度目前可以達到3000mm/s,可實現的熔覆層厚度目前在0.05-1mm范圍內,且對基材熱輸入極小,稀釋率低于1%,可應用于薄壁空心管等對熱輸入敏感的產品上。針對煤機部件表面增強層取代電鍍硬鉻的方向,0.5mm厚度以下的熔覆層不管在性能還是成本方面都具有很大的應用優勢。
超高速熔覆工藝的實現,大大依賴于對熔覆粉末束流與激光能量分配的精確控制,對設備要求很高。輝銳集團通過自主研發,目前已實現了關鍵部件的自主設計與生產,批量生產了煤機專用超高速熔覆成套設備,同時針對不同材料與具體零件,開展了大量工藝開發測試工作。以下舉例給出超高速熔覆層性能測試結果。



2.超高速熔覆涂層著色探傷


下圖為煤機液壓支架立柱樣管,材質為27SiMn,熔覆層材料為馬氏體不銹鋼,具有良好的耐磨耐腐蝕性能,廣泛應用于煤機液壓支架立柱表面修復。對熔覆冷卻之后的樣管表面著色探傷,未發現裂紋缺陷的產生。


圖2 高速熔覆中(左)


熔覆冷卻后著色探傷(右)



3.超高速熔覆涂層變形測定

圖3為熔覆變形測定位置示意圖,熔覆前將工件裝卡進車床卡盤,通過百分表調整工件圓跳動,將尾部頂針頂緊,分別在工件夾持端、中間部分及頂針端測量熔覆前圓跳動,另外沿著工件母線方向在四個間隔90度位置分別測量熔覆前工件的直線度。熔覆完畢待工件冷卻后,分別測量圓跳動及直線度,得到表2.2及表2.3中熔覆前后對比數據,可以看到工件熔覆前后圓跳動最大0.2mm,直線度最大0.15mm。


圖3熔覆變形測定示意圖



圓跳動測量結果



直線度測量結果


4.超高速熔覆涂層金相檢測

將熔覆層沿垂直于激光掃描方向切開,檢測熔覆層內部成型質量,下圖分別為金相顯微鏡在500倍及1000倍鏡頭下拍攝的金相照片,可以看到熔覆層與基材結合連續致密,未見氣孔、未熔、合缺陷,涂層組織為涂層的顯微組織為δ-Fe+馬氏體的混合組織。




圖4
 
500X(左)  1000X(右)


5.超高速熔覆涂層硬度檢測

1)熔覆層硬度趨勢

采用維氏硬度計檢測熔覆層截面沿厚度方向顯微硬度分布趨勢,實驗加載力為200gf,加載時間10s,測量點基準位置為熔覆層與基材結合界面,分別向基材方向及熔覆層方向每隔100um距離測一個點硬度值,得到下表中顯微硬度值,圖5為硬度趨勢圖,可以看到,高速熔覆涂層大幅度提高了材料表面硬度,熱影響去硬度相應提高。

圖5 硬度趨勢圖


6.超高速熔覆涂層結合強度


圖6為熔覆層與基材結合強度測定方式示意,通過拉伸得到的平行于熔覆層與基材結合方向的剪切強度近似表征熔覆層與基材的結合強度。圖7所示抗拉強度曲線得到剪切強度約為基材抗拉強度的80%,按照國標合金結構鋼27SiMn機械性能標準980MPa計算,涂層結合界面強度可達到780MPa抗拉強度,相比于電鍍涂層的結合強度要高出一個量級。


圖6 強度測定方式示意圖


圖7 抗拉強度曲線



7.超高速熔覆涂層鹽霧腐蝕

按照GB/T 10125-2012標準對熔覆層進行500h中性鹽霧腐蝕測試,熔覆層耐腐蝕性能評級達到9/B。熔覆樣品經1000h鹽霧測試表面無明顯變化,無銹蝕點出現。

圖8 熔覆試樣經1000h中性鹽霧檢測前后對比照片

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