一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法.pdf

一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其包括如下步骤：1)预制WC/Co基熔覆粉末；2)顶头工件表面预处理，清污、铁锈；预热，温度400～600℃，预热2～5小时；3)CO2激光器采用逆向同步式或同轴式送粉方式，多道次熔覆已预制的复合粉末；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；4)后续处理。本发明采用激光在穿孔顶头表面制备WC陶瓷颗粒增强Co基复合涂层，涂层与基体呈冶金结合，提高了涂层与基体的结合力；涂层厚度最大可达到几个毫米；WC颗粒表面包覆Ni，可以减少WC对激光能量的吸收，降低其在激光熔池的烧损率。WC颗粒在涂层中分布均匀，具有高的涂层硬度，提高顶头的使用性能，延长使用寿命。

1.  一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其包括如下步骤：
1)预制WC/Co基熔覆粉末，基体材料为Co基合金粉末，陶瓷增强相为WC，复合粉末质量百分比为：Co基基体材料75-90％，WC增强相10-25％；
2)顶头工件送入CO₂激光器前的表面预处理，清污、铁锈，对顶头预热，预热温度400～600℃，预热2～5小时；
3)CO₂激光器采用逆向同步式或同轴式送粉方式，多道次熔覆已预制的复合粉末；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；
4)后续处理。

2.  如权利要求1所述的穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其特征是，所述的陶瓷增强相WC经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍为包覆材料，包覆后WC合金颗粒成分质量百分比为：60-90％WC，10-40％包覆材料。

3.  如权利要求1所述的穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其特征是，步骤(2)在顶头工作面上涂刷磷化锌涂料。

4.  如权利要求1所述的穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其特征是，步骤(3)所述的激光熔覆工艺参数：激光功率1-5kW，激光扫描速度100-500mm/min，激光光斑直径2-6mm，激光多道次搭接率20-60％；所述的惰性保护气体为氩气或氮气；激光熔覆能得到厚度可控的钴基合金涂层。

5.  如权利要求1所述的穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其特征是，步骤(3)激光熔覆能得到的钴基合金涂层厚度为0.5～3mm。

6.  如权利要求1所述的穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其特征是，步骤(4)所述的后续处理为穿孔顶头表面经激光多道次熔覆钴基涂层后冷却，在热处理炉中对样品进行去应力退火，退火温度400～600℃，时间8～12小时，出炉后熔覆层表面经打磨、抛光。

一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化技术领域，特别涉及一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法。
背景技术
穿孔顶头是生产不锈钢、耐热钢、轴承钢和其它特种合金钢管的关键工具，其使用寿命的高低对产品的产量、质量、生产成本都有直接影响。顶头工作时，温度在1000℃左右，并承受着巨大的轴向压力、径向压力、旋转摩擦力、骤冷骤热的热应力等复合应力，使用中易发生鼻部塌腔、变形、粘钢和开裂等失效。因此，要求其具有良好的耐磨性、抗高温氧化性和耐激冷激热性，以满足恶劣的生产使用条件。
目前，国际上有关提高顶头使用性能的方法围绕下述方向已经形成多项专利：
1.选用不同的穿孔顶头材料。美国专利2007020137公开了一种含Cr、WC的镍基合金制备穿孔顶头，由于顶头以Ni为基体，性能较好，但价格昂贵。目前，国内制备顶头的材料一般选用合金钢，中国专利1112165采用Fe基Cr-Ni-Mo系合金材料，通过提高基体合金含量改善顶头使用性能。中国专利公开号1243170公开了一种在铁基合金中添加5％稀土元素提高穿孔顶头性能的方法，稀土可净化晶界，降低S、P含量。但是，由于以上专利仍采用Fe基体材料，在顶头恶劣的工作环境中，使用寿命仍有待进一步提高。
2.采用各种涂层制备技术。中国专利公开号1459514采用表面原子束沉积，包括电子束蒸发、磁控溅射等多种PVD技术在顶头表面沉积耐磨耐热MCrAlR薄膜，中国专利公开号1990905公开了一种通过高能离子注入在钢基体中制备WC梯度层技术，基体表面可形成WC合金梯度层。以上技术形成的薄膜致密性较好，具有一定的强度和抗氧化性能。但制造需在真空中进行，费用较高，且与基体的结合强度不足，特别是涂层有效厚度属于微米级，难以承受顶头较长的工作时间，使用过程中有害杂质会深入涂层内部使之发生腐蚀而损坏，或在使用早期即出现局部的撕落。
综上所述，已有的穿孔顶头改性技术，在制备成本和使用性能方面仍难以满足实际使用的需要，生产中急需一种表面耐磨和抗热性能远高于铁基合金，有效工作层与基体结合牢固，具有一定尺寸厚度，成本较低的穿孔顶头制备方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，使用高功率CO₂激光器在穿孔顶头表面快速熔覆制备具有一定厚度的WC颗粒弥散增强Co基复合涂层。涂层与基体形成牢固的冶金结合，具有耐高温氧化、高硬度、耐磨损和抗热裂性能，可显著提高顶头的使用寿命，并具有制备成本低，可用于报废顶头局部修复等优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法，其包括如下步骤：
1)预制WC/Co基熔覆粉末，基体材料为Co基合金粉末，陶瓷增强相为WC，复合粉末质量百分比为：Co基基体材料75-90％，WC增强相10-25％；
2)顶头工件送入CO₂激光器前的表面预处理，清污、铁锈，获得清洁的表面；对顶头预热，预热温度400～600℃，预热2～5小时，以降低基材与熔覆涂层之间的温度梯度；
3)CO₂激光器采用逆向同步式或同轴式送粉方式，多道次熔覆已预制的复合粉末；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；
4)后续处理。
进一步，所述的陶瓷增强相WC经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍为包覆材料，包覆后WC合金颗粒成分质量百分比为：60-90％WC，10-40％包覆材料。
步骤(2)在顶头工作面上涂刷磷化锌涂料，进行工作面黑化处理，以增强顶头工作面的抗锈抗蚀能力。
步骤(3)所述的激光熔覆工艺参数：激光功率1-5kW，激光扫描速度100-500mm/min，激光光斑直径2-6mm，激光多道次搭接率20-60％；所述的惰性保护气体为氩气或氮气；激光熔覆能得到厚度可控的钴基合金涂层。
步骤(3)激光熔覆能得到的钴基合金涂层厚度为0.5～3mm。
步骤(4)所述的后续处理为穿孔顶头表面经激光多道次熔覆钴基涂层后冷却，在热处理炉中对样品进行去应力退火，消除激光熔覆涂层的热应力，退火温度400～600℃，时间8～12小时，出炉后熔覆层表面经打磨、抛光。
本发明具有以下优点和效果：
1.使用高功率的CO₂气体激光器在穿孔顶头表面制备WC陶瓷颗粒增强Co基复合涂层，涂层与基体呈冶金结合，提高了涂层与基体的结合力，解决了涂层易脱落的问题，且涂层厚度可控，最大可达到几个毫米，有利于结构涂层性能的发挥。
2.WC颗粒表面包覆Ni，一方面可以减少WC对激光能量的吸收，降低其在激光熔池的烧损率；另一方面，表面包覆的Ni与涂层Co基基体的材料热物性十分相似、润湿性较好，有利于WC颗粒与钴基合金基体之间形成冶金结合，提高WC颗粒在涂层中分布均匀性，赋予涂层高的硬度和耐磨性能。
3.激光熔覆WC颗粒增强Co基合金涂层与其它技术制备的涂层相比，具有更优良的耐磨性能和抗高温氧化性能，且激光熔覆涂层具有细小的晶粒组织，可进一步提高涂层的硬度，提高顶头的使用性能，延长使用寿命。
4.本发明顶头工作面硬度可达到55HRC以上，可用于穿孔顶头表面高性能强化，也可用于报废顶头局部的修复，节约了生产成本，对冶金行业可产生较好的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明WC颗粒在激光熔覆Co50复合合金涂层分布示意图；
图2为本发明WC颗粒与涂层基体形成冶金结合示意图。
具体实施方式
实施例1
穿孔顶头表面强化激光熔覆方法，工艺包括如下步骤：
(1)试样预处理：清除顶头工作面、黑化处理，然后对该顶头在500℃预热3.5小时；(2)熔覆粉末预制：按质量比将基体Co50和Ni包WC陶瓷增强相两种粉末配制含15wt.％WC的混合粉末，在研磨皿里经充分研磨后烘干；(3)激光熔覆工艺：激光器的功率调整为2.4kW，激光扫描速度为220mm/min，激光光斑直径为5mm，激光扫描道次搭接率为40％，同时在激光器作用下将预制好的复合合金粉末采用逆向同步式送粉方式熔覆在该顶头工作面上；(4)后续处理：将激光熔覆后的穿孔顶头置于热处理炉中进行500℃去应力退火10小时，随后出炉，表面打磨后即可使用。
实施例2
穿孔顶头表面强化激光熔覆方法，工艺包括如下步骤：
(1)试样预处理：清除顶头工作面、黑化处理，然后对该顶头在400℃预热5小时；(2)熔覆粉末预制：按质量比将基体Co50和Ni包WC陶瓷增强相两种粉末配制含10wt.％WC的混合粉末，在研磨皿里经充分研磨后烘干；(3)激光熔覆工艺：激光器的功率调整为1.8kW，激光扫描速度为300mm/min，激光光斑直径为5mm，激光扫描道次搭接率为50％，同时在激光器作用下将预制好的复合合金粉末采用逆向同步式送粉方式熔覆在该顶头工作面上；(4)后续处理：将激光熔覆后的穿孔顶头置于热处理炉中进行400℃去应力退火12小时，随后出炉，表面打磨后即可使用。
实施例3
穿孔顶头表面强化激光熔覆方法，工艺包括如下步骤：
(1)试样预处理：清除顶头工作面、黑化处理，然后对该顶头在600℃预热3小时；(2)熔覆粉末预制：按质量比将基体Co50和Ni包WC陶瓷增强相两种粉末配制含20wt.％WC的混合粉末，在研磨皿里经充分研磨后烘干；(3)激光熔覆工艺：激光器的功率调整为3.0kW，激光扫描速度为150mm/min，激光光斑直径为4mm，激光扫描道次搭接率为30％，同时在激光器作用下将预制好的复合合金粉末采用逆向同步式送粉方式熔覆在该顶头工作面上；(4)后续处理：将激光熔覆后的穿孔顶头置于热处理炉中进行600℃去应力退火8小时，随后出炉，表面打磨后即可使用。
从图1可以看出，本发明WC颗粒在激光熔覆Co50复合合金涂层中不仅含量比较高而且分布非常均匀；而图2显示出因WC颗粒表面有少量的微熔而与基体间产生冶金结合并产生二次结晶WC，可有效提高涂层本身的耐磨性能和抗热裂性能。
综上所述，本发明采用激光在穿孔顶头表面制备WC陶瓷颗粒增强Co基复合涂层，涂层与基体呈冶金结合，提高了涂层与基体的结合力；涂层厚度最大可达到几个毫米，有利于结构涂层性能的发挥；WC颗粒表面包覆Ni，可以减少WC对激光能量的吸收，降低其在激光熔池的烧损率。WC颗粒在涂层中分布均匀，具有高的涂层硬度，提高顶头的使用性能，延长使用寿命。