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1、(10)申请公布号 CN 102164701 A (43)申请公布日 2011.08.24 CN 102164701 A *CN102164701A* (21)申请号 200980138264.0 (22)申请日 2009.10.06 61/103,069 2008.10.06 US B23K 9/04(2006.01) B23K 10/02(2006.01) B23K 15/00(2006.01) B23K 26/34(2006.01) C23C 24/10(2006.01) C23C 26/00(2006.01) B23K 26/14(2006.01) (71)申请人 林肯环球股份有限公司。
2、 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 GD布兰肯希普 WT马修斯 SR彼得斯 PS瓦伦 (74)专利代理机构 北京嘉和天工知识产权代理 事务所 11269 代理人 严慎 (54) 发明名称 用于利用矿物颗粒激光熔覆物品的方法和系 统 (57) 摘要 在一种激光熔覆方法中， 金刚石颗粒 (27) 被 施加于已被能量源(10， 12)(如激光)熔化的物品 的基底材料 (15)。所述颗粒 (27) 被引入所述熔 融材料 (18) 中并且被允许随所述物品 (15) 的表 面冷却和凝固而就位。 所述金刚石颗粒(27)起提 高所述物品(15)的耐磨特性的作用。 在一个实施 方案中， 所述金刚石颗粒 (。
3、27) 被可以是钨的金属 表面层覆盖。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.03.28 (86)PCT申请的申请数据 PCT/IB2009/007050 2009.10.06 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/041117 EN 2010.04.15 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 9 页 CN 102164704 A1/2 页 2 1. 一种提高相关联物品 (15) 的耐磨性的方法， 所述方法包括以下步骤 ： 引导具有足够能量的能量源 (10)， 以熔化相关联物。
4、品 (15) 的至少部分 ； 以及， 将矿物颗粒 (26， 27) 注入到所述相关联物品的所述至少部分中， 以提高所述相关联物 品 (15) 的耐磨性。 2. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述相关联物品 (15) 包括至少部分为金属的表面 区 ； 并且， 其中所述能源 (10) 是具有足够能量的电磁辐射源， 以熔化所述相关联物品 (15) 的所 述金属表面的至少部分。 3. 如权利要求 1 或 2 所述的方法， 其中引导能量源 (10) 的步骤包括以下步骤 ： 引导具有足够能量的能量源 (10)， 以熔化所述金属表面的至少部分， 从而形成熔融池 (28) ； 并且其中所述将矿物颗粒 (2。
5、6， 27) 注入的步骤包括以下步骤 ： 将矿物颗粒 (26， 27) 沉积到所述熔融池 (28) 中。 4.如权利要求1至3之一所述的方法， 其中所述能量源(10)是放大的光和/或是从焊 接电源 (16) 获得的。 5. 一种激光熔覆相关联金属物品 (15) 的方法， 所述方法包括以下步骤 ： 提供和激活具有照射所述相关联金属物品 (15) 的表面的能量束的激光 (12) ； 沿轨迹引导所述激光 (12) 从而在所述相关联金属物品 (15) 的表面上创建熔融池 (28) ； 以及， 将非金属的晶体颗粒(26， 27)沉积到所述熔融池(28)中， 以提高所述相关联金属物品 (15) 的耐磨性。。
6、 6. 如权利要求 5 所述的方法， 其中所述非金属的晶体颗粒 (26， 27) 的至少部分具有等 轴构型的晶格结构。 7. 如权利要求 6 所述的方法， 其中所述非金属的晶体颗粒 (26， 27) 被沉积到在所述能 量束后方位置的所述熔融池 (28) 中。 8. 如权利要求 7 所述的方法， 其中所述能量束后方的所述位置在基本上 0 英寸 (0cm) 至 1 英寸 (2.54cm) 之间的范围。 9. 如权利要求 5 至 8 之一所述的方法， 其中所述非金属的晶体颗粒 (26， 27) 的至少一 些至少部分地被表面层 (31) 覆盖。 10. 如权利要求 9 所述的方法， 其中所述表面层 (。
7、31) 由钨、 钴或铬中的至少一种构成。 11. 一种用于金属熔覆的系统， 特别地， 使用如权利要求 1 至 10 之一所述的方法的系 统， 所述系统包括 ： 具有足够能量的激光 (12)， 以熔化相关联金属物品 (15) 的至少表面部分 ； 以及， 用于沉积颗粒 (26， 27) 的进料装置 (20)。 12. 如权利要求 11 所述的系统， 其中所述进料装置 (20) 相对于所述激光 (12) 固定在 适当位置， 以将颗粒 (26， 27) 沉积到所述相关联金属物品 (15) 的熔化的表面部分中 ； 并且 所述系统还包括 ： 用于将熔覆粒子沉积到所述相关联金属物品 (15) 的未熔化的表面。
8、上的第二进料装置 (20a， 20b)。 13. 如权利要求 11 或 12 所述的系统， 还包括 ： 权 利 要 求 书 CN 102164701 A CN 102164704 A2/2 页 3 用于分配气体来至少部分地覆盖所述相关联金属物品(15)的被所述激光(12)熔化的 区域的装置。 14. 如权利要求 1 至 13 之一各自所述的方法或系统， 其中所述颗粒 (26， 27) 由金刚石 颗粒和刚玉颗粒中的至少一种构成， 或包括金刚石颗粒和刚玉颗粒中的至少一种。 15.如权利要求1至14之一各自所述的方法或系统， 其中颗粒(26， 27)的大小在从100 微米至 800 微米之间的范围内。
9、， 或在从 400 微米至 600 微米之间的范围内。 权 利 要 求 书 CN 102164701 A CN 102164704 A1/5 页 4 用于利用矿物颗粒激光熔覆物品的方法和系统 技术领域 0001 本发明总地涉及用于激光熔覆金属物品的方法和材料， 并且更特殊地， 涉及包括 改进物品耐磨性的添加剂。 背景技术 0002 金属部件时常未能实现它们的预期用途， 这不仅归因于断裂， 还归因于磨损和磨 耗。 磨损从尺寸方面和功能方面改变金属部件。 用于修复磨损的金属部件的工艺是已知的， 其中耐久材料被附着到磨耗的表面。激光熔覆是一种这样的工艺。为了获得改进的耐磨性 和耐久性， 制造部门还使。
10、用激光熔覆将硬材料附着到相对更软的材料上。 0003 在激光熔覆操作中， 集中的能量束照射在给定物品的表面上来熔化材料的外层。 然后粉末被喷射或沉积到颗粒与衬底结合的熔化的表面上。典型地， 该粉末包括由镍、 钴、 铬或其他金属制成的熔覆颗粒。 从而， 耐磨性被改进。 尽管如此， 改性后的物品仍遭受磨损。 所需要的是超过当前使用的熔覆材料的耐磨性来显著地提高金属物品的耐磨性的添加剂。 本发明的主要目的是提供这样的具有其各种伴随益处的方案。 发明内容 0004 在本发明的一个实施方案中， 熔覆相关联物品的方法包括引导具有充足能量的能 量源， 以熔化相关联物品的至少部分以及将矿物粒料注入到该相关联物。
11、品的该至少部分中 的步骤， 其中该矿物粒料可以是金刚石粒料或刚玉粒料。 0005 在本发明的另一实施方案中， 熔覆相关联物品的方法包括提供和激活具有照射相 关联金属物品的表面的能量束的激光， 沿轨迹引导该激光从而在该相关联金属物品的表面 上创建熔融池， 以及将非金属的晶体颗粒沉积到该熔融池中的步骤， 其中所述非金属的晶 体颗粒可以是金刚石粒料或刚玉粒料。 0006 在更进一步的实施方案中， 本发明提供用于金属熔覆的系统以及用以提高相关联 物品的耐磨性的颗粒 ( 特别是金刚石颗粒 ) 的使用。 0007 本发明的进一步的方面， 益处以及实施方案可从以下的描述， 附图以及权利要求 书中推出。 附图。
12、说明 0008 图 1 是依照本发明的实施方案， 激光熔化圆状物品的表面的立体图。 0009 图 2 是依照本发明的实施方案， 激光熔化平面物体的表面的立体图， 其中金刚石 颗粒正被加入到衬底。 0010 图 3 是依照本发明的实施方案， 将金刚石颗粒沉积到衬底中的激光熔覆工艺的侧 视图。 0011 图 3a 是依照本发明的实施方案， 使用焊接电源将金刚石颗粒沉积到衬底中的熔 覆工艺的侧视图。 说 明 书 CN 102164701 A CN 102164704 A2/5 页 5 0012 图 4 是依照本发明的实施方案， 被表面层覆盖的数个耐磨颗粒 ( 可以是金刚石颗 粒 ) 的立体图。 00。
13、13 图 5 是依照本发明的实施方案， 嵌入衬底层的耐磨颗粒的截面特写图。 0014 图 6 是依照本发明的实施方案的物品的示意图， 示出被施加的具有耐磨颗粒嵌入 其中的熔覆材料。 0015 图 7 是依照本发明的实施方案， 提高相关联物品的耐磨特性的方法的框图。 0016 图 8 是依照本发明的实施方案， 激光熔覆相关联金属物品的方法的框图。 具体实施方式 0017 现参考附图和描述， 其中的示出和描述仅出于图示说明本发明的实施方案的目 的， 而不是出于限制它们的目的。图 1 描绘用于熔覆相关物品 15 的表面的能量源 10。能量 源10可以以各种形式中的任何形式来输送能量， 如从例如电流和。
14、/或以放大的光的形式的 电磁辐射获得。 在一个实施方案中， 能量源10是激光12， 虽然如弧焊电源16的其他能量源 可以被使用， 而不背离本发明的实施方案意图的覆盖范围。能量源 10 可以引导能量到物品 15 的表面上， 从而熔化材料的外层。如随后将被详细讨论的， 接下来熔融池 28 于是被注入 一种或更多种物质来提高物品 15 的耐磨性。在凝固状态， 该物质根深蒂固于衬底中， 在物 品 15 使用期间起到耐磨耗和退化的作用。 0018 本发明的实施方案总地涉及金属物品， 虽然相似的方法可以用于非金属组件。因 此， 物品15可以由基底金属(如铁)构成并且可以由薄片钢， 钢板或圆钢料构建。 本发。
15、明中 描述的方法和工艺还可以被应用于合金金属(如铝)或通过合理的工程学判断选择的任何 其他合金。本发明的实施方案的应用包括但不限于 ( 仅举几例 ) 磨损的或被破坏的部件的 修理或表面重修， 在组件表面上的敷层的施加， 以及添加制造 (additive manufacturing)。 0019 参考图1和图2， 可以是直接二极管激光器12的激光12引导能量以指定速率来熔 化物品 15 的外部分。熔化的材料的量 ( 即其厚度或深度 ) 部分地取决于能量束 13 的强度 和它的停留时间， 连同其他因素， 如基底材料组成。激光 12 可以横贯覆盖物品表面或物品 表面的选定部分的路径。在一个实施方案中。
16、， 激光 12 可以具有特征束宽度， 该特征束宽度 可以在 0mm 至 15mm 之间的范围。更具体地， 该束宽度可以基本上是 12mm。然而， 应该这样 解释， 即其他的激光配置 ( 包括但不限于小光斑激光 (spot laser) 可以被利用而不背离 本发明的实施方案意图的覆盖范围。因此， 可以选择这样的轨迹， 所述轨迹将束 13 的宽度， 功率比以及激光束 13 相对于物品 15 的表面的行进时间考虑进去。当然， 本领域技术人员 将会容易地理解， 激光 12 和物品 15 中的一个或二者可以相对于另一个以适用于熔化物品 15 的表面的任何速率移动。 0020 在本发明的一个特定的实施方案。
17、中， 保护气体 17 可以结合激光束 13 来分配。以 这种方式， 物品 15 的表面可以被气体 17( 可以是惰性气体 17) 遮盖或喷盖， 以最小化熔化 区 18 与空气的相互作用。不利的现象， 特殊地是等离子云的形成， 可以在激光束 13 与正被 处理的表面之间的相互作用的点处出现。等离子云吸收和反射激光束 13 的部分， 并且趋于 使束 13 的其余部分散焦， 从而使它的强度变小。因此， 提供流动的惰性气体 17 来充满围绕 激光束13区域并且因此充满熔化区18。 使用的气体17的实施例包括 ： 氦， 氩以及它们的组 合。然而， 上述列表不是要被理解为限制性的。相反， 有效地防止等离子。
18、云的形成和其他不 说 明 书 CN 102164701 A CN 102164704 A3/5 页 6 利效应的任何类型的气体可以被使用。气体 17 可以通过与激光束 13 同一的喷嘴来分配。 可选择地， 单独的喷嘴 ( 未示出 ) 可以用于与以上描述一致的方式来分配气体 17 和充满熔 化区 18。尽管如此， 可以通过合理的工程学判断来选择分配保护气体 17 的任何方式。 0021 继续参考图 2 并且现在还要参考图 3， 进料装置 20 可以用于将一种物质或多种物 质沉积到物品15的表面上， 以注入物品15的熔融材料。 在一个实施方案中， 进料装置20可 以利用重力分配物质。进料装置 20。
19、 可以包括一个或更多个构成重力进料机构的组件。管 状构件 24 可以被使用， 以将材料从进料源 ( 未示出 ) 引导到熔融池 28 中的点或靠近熔融 池 28 的点。至于管状构件 24 在激光 12 或激光束 13 后方的位置， 管状构件 24 可以是可调 整的。将会被理解的是， 管状构件 24( 还被称为进料管 ) 可以被安置在相对于熔化区 18 的 任何位置， 只要适合于用于本发明的实施方案。可选择地， 进料装置 20 可以通过使用加压 的介质 ( 例如惰性气体 17) 将物质驱使到物品 15 的表面上或将物质喷射到熔融池 28 中。 尽管如此， 熔覆过程中使用的任何分配物质的装置或方法可。
20、被挑选而不背离本发明的实施 方案意图的覆盖范围。 0022 在一个特定的实施方案中， 多个进料装置 20a， 20b可以用于将物质分配到物品 15 的表面上。 进料装置20a， 20b可以沉积相同的或不同的材料。 在示例性方式中， 进料装置20a 可以分配用于提高物品15的耐磨特性的晶体颗粒， 所述晶体颗粒可以是金刚石颗粒27。 相 似地， 进料装置 20b可以分配另一种颗粒， 所述另一种颗粒可以包括例如熔覆颗粒或适用于 在熔覆过程中使用的其他物质。进料装置 20a， 20b可以安置在相对于激光 12 的各种位置， 并且更特殊地， 可以安置在相对于物品 15 表面上的照射束 13 的各种位置。。
21、特别地， 进料装 置20a， 20b可以相对于激光12以固定方式安置， 并且更具体地， 可以由通过合理的工程学判 断选择的任何适当的方式刚性连接到激光 12。在示例性方式中， 进料装置 20a可以安置在 束 13 的前方， 即相对于它的行进方向在激光束 13 之前， 而进料装置 20b可以处于束 13 的 后方。尽管如此， 进料装置 20a， 20b可以安置在从束 13 和 / 或熔化区 18 起的任何位置和距 离处， 只要是通过合理的工程学判断选择的。 0023 继续参考图 2 和图 3 并且现在还要参考 4， 从进料装置 20 分配的物质可以起提高 物品 15 耐磨特性的作用。在一个实施方。
22、案中， 在本发明中被称为耐磨性颗粒 26 的物质， 可 以由矿物物质构成。在一个实施方案中考虑的是， 矿物物质可以基本上在本质上是非金属 的 ； 也就是说大部分由被分类为非金属的元素构成。 耐磨颗粒26还可以在它的构造中基本 上是元素的 (elemental)。附加地， 在它的固相中， 矿物物质可以在本质上是晶体的。更具 体地， 晶体晶格结构的微观构型可以是等轴构型的， 也就是说该晶格结构被安排在三维周 期性重复的点阵中。在一个实施方案中， 耐磨颗粒 26 可以大部分由碳原子构成， 所述耐磨 颗粒26在上述构型中更通常地被已知为金刚石27。 在本领域已知的是， 金刚石物质不是必 须完整地或纯净。
23、地由碳构成。 相反， 其他元素， 例如氮， 可以散布到晶格结构中， 所述氮已知 赋予金刚石物质黄色色彩。应当这样解释， 全部这样的变体将被包括在本发明的实施方案 覆盖的范围内。 0024 其他实施方案被考虑， 其中耐磨颗粒 26 由包括与金刚石 27 不同的复合物或除金 刚石之外的复合物的矿物物质构成。这样的矿物物质可以相似地具有等轴构型的晶格结 构。矿物的一个类型 ( 通常称为刚玉 ) 由铝氧化物制成。这种耐磨颗粒 26 的实施例可以 包括蓝宝石， 红宝石等等。 在这种方式中， 矿物物质可以被称为宝石并且可以基本上在构型 说 明 书 CN 102164701 A CN 102164704 A。
24、4/5 页 7 上是均一的。如在本发明中描述的那些矿物物质可以包括各种重量的外来的颗粒， 该外来 的颗粒可以被晶格结构包住或被并入晶格结构中。再次说明， 全部这样的复合物将理解为 落入本发明的实施方案的覆盖范围内。 0025 耐磨颗粒 26 可以具有相对小的在从大约 100( 微米 ) 直至并且超过 800( 微 米 ) 范围变化的尺寸的直径。更具体地， 耐磨颗粒 26 可以在基本上 400( 微米 ) 至 600( 微米 ) 之间的范围内。然而， 耐磨颗粒 26 可以略微大于或小于所陈述的范围。在示 例性方式中， 附图一般地描绘圆形的或椭圆形的颗粒， 然而耐磨颗粒 26 还可以是细长的， 或。
25、者具有任何形状， 只要适合用于本发明的实施方案。 0026 继续参考图 4 和图 5， 另一实施方案被考虑， 其中耐磨颗粒 26 可以至少部分地被 表面层 31 覆盖或涂敷。表面层 31 或敷层 31 可以由金属或金属合金构成。该金属或金属 合金可以本身是硬的或耐磨的。附加地， 包括表面层 31 的材料可以对应于物品 15 的基底 材料。也就是说， 包括金属表面层 31 的材料可以有效地与物品 15 的基底材料共混在一起。 在一个实施例中， 表面层 31 由钨或碳化钨构成。一旦暴露于激光束 13 能量源和 / 或来自 熔融池 28 的热， 钨熔化形成碳化钨衬底 34， 耐磨颗粒 26 被嵌入在。
26、所述碳化钨衬底 34 中。 其他的实施方案被考虑， 其中表面层 31 由钴， 铬和 / 或从它们形成的合金构成。尽管如此， 表面层 31 可以由任何金属构成， 只要适合用于本发明的实施方案。 0027 现参考图6。 在一个实施方案中， 表面层31的类型和/或量可以有选择地调整， 以 改变耐磨颗粒 26 的总体密度。在金刚石颗粒 27 的实施例中， 将被理解的是， 金刚石 27 是 基本上均一的， 具有总地一致的密度。这样， 不论金刚石颗粒 27 尺寸如何， 未涂敷的金刚石 颗粒 27 将仅仅顶多渗入到熔融池 28 中。为增加到熔融池 28 中的渗入， 表面层 31 的量可 以被改变来提高颗粒 。
27、26 的总体密度， 以允许颗粒 26 更深地就位 (settle) 到熔融池 28 中。 在一个实施例中， 表面层 31 的厚度可以在从仅一微米直至 50 微米的范围内。然而， 表面层 31的任何厚度可以被选择， 只要适合用于本发明的实施方案。 还将会被认识到的是， 熔融池 28的冷却率以及随与熔化区的距离变化的熔融池28的粘度可以影响耐磨颗粒26就位到熔 融池 28 中有多深。因此， 管状构件 24 的位置可以被调整， 以达到耐磨颗粒 26 的任何期望 的就位深度。本领域技术人员将会进一步理解， 耐磨颗粒 26 中的一些可以被加工为具有与 其他耐磨颗粒 26 不同的表面层厚度并且因此具有与其。
28、他耐磨颗粒 26 不同的密度。当一起 组合和分配时， 耐磨颗粒 26 在不同的深度就位。通过调整较轻与较重密度颗粒的比例， 最 终用户可以遍及衬底内的一个深度范围有效地分布耐磨颗粒26。 全部这样的比例应被理解 为落入本发明的实施方案的覆盖范围内。 0028 本发明已参考所公开的实施方案在此描述。 显然， 一旦阅读和理解本说明书， 他人 将会想到修改和变更。 意图的是， 包括全部这样的修改和变更， 因为它们在所附权利要求书 或其等同物的范围内。 0029 参考标号 ： 0030 10 能量源 0031 12 激光 0032 13 能量束 0033 15 物品 0034 16 焊接电源 说 明 。
29、书 CN 102164701 A CN 102164704 A5/5 页 8 0035 17 保护气体 0036 18 熔化区 0037 20 进料装置 0038 20a多个进料装置 0039 20b多个进料装置 0040 24 管状构件 0041 26 耐磨颗粒 0042 27 金刚石颗粒 0043 28 熔融池 0044 31 表面层或敷层 0045 34 碳化物衬底 说 明 书 CN 102164701 A CN 102164704 A1/9 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A2/9 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 。
30、102164701 A CN 102164704 A3/9 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A4/9 页 12 图 3a 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A5/9 页 13 图 4 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A6/9 页 14 图 5 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A7/9 页 15 图 6 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A8/9 页 16 图 7 说 明 书 附 图 CN 102164701 A CN 102164704 A9/9 页 17 图 8 说 明 书 附 图 CN 102164701 A 。