一种硬质合金的熔敷工艺

技术领域

本发明属于金属热加工成型技术领域，可应用于通用机械、容器制造或维修行业，具体涉及一种硬质合金锯齿沟槽状结合层的熔敷工艺。

背景技术

在通用机械、容器制造或维修行业，常有硬质合金熔敷工作，在基体金属上熔敷硬质合金，作为机械、容器设备中的耐磨面使用。以阀门密封面为例，经过长期的开关启停及高温高压的运行工况影响，密封面产生擦伤、腐蚀、裂纹，甚至整体脱落导致阀门密封失效，这其中裂纹和密封面整体脱落缺陷危害最大。

密封面开裂和脱落情况发生的一个重要原因是密封面金属(硬质合金)与基体金属结合力不足。现有硬质合金熔敷工艺方法包括焊条(丝)堆焊、超音速火焰喷涂(HVOF)、等离子转移弧粉末堆焊(PTA)。这些方法都是将硬质合金熔融后平铺在基体金属表面，结合层随熔化热源移动而形成，虽有起伏但基本上都是平面状态(如附图1中的黑线区域)，边界单一平直，可以很好应对垂直于结合层的应力状态，但是当有平行于结合层的剪切力作用时，其受力状态会非常差。

硬质合金与基体金属性能差异巨大，基体金属一般兼顾满足设备的整体性能，而硬质合金因为工作的功能要求，只突出其在工作条件下的硬度和抗磨擦性能，两种金属的结合层在很薄的厚度范围内有很大的物理性能变化，尤其是熔融金属熔敷冷却后，结合层会有很大的残余应力。

硬质合金密封面正常工况下受到撞击、挤压、摩擦作用，其受力为正向压力和剪切力，剪切力的受力方向基本与结合层平行，结合层两侧的金属组织及力学性能是连贯的，一旦有缺陷在结合层萌生，在外部剪切力的作用下，很容易沿结合层发生缺陷扩展，严重的会导致密封面整体脱落。

目前现有改善硬质合金与基体金属结合层状况的措施，也只有通过热处理方法改善结合层组织，降低结合层残余应力，无法从受力状态上做出结构性改善。

上述目前常用的熔敷方法和热处理方法，无法改变硬质合金与基体金属结合层平面状的结构形态，只能改善结合层的组织和残余应力状况。结合层的缺陷或组织不完整，长期受到平行于结合层的剪切力作用下，很容易顺着结合层扩展、变大，直至失效。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的硬质合金的熔敷工艺，其能够改变结合层结构形态，改善受剪切力的作用状态。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种硬质合金的熔敷工艺，包括如下步骤：在熔敷硬质合金第一层或者第二层，采用脉冲激光熔融硬质合金粉末并在金属基体上产生熔池，对应所述脉冲激光的波峰阶段的熔池面积沿朝向所述金属基体的方向逐渐变小，形成尺寸由上至下逐渐减小的沟槽层，所述沟槽层沿所述金属基体的厚度方向向下延伸；在熔敷第一层或者第二层中的另一层时，采用连续激光熔融硬质合金粉末并形成平面层，所述沟槽层和平面层共同形成结合层。多个连续沟槽形成锯齿状，使得结合层与下方的基体金属层牢牢地结合在一起。

根据本发明的一些优选实施方面，所述沟槽层的深度为0.02～2.30mm。能在厚度为1mm～10mm范围的堆焊层获得与之良好匹配的沟槽，沟槽深度比堆焊层厚度大2％～23％。

根据本发明的一些优选实施方面，相邻所述沟槽层之间的距离(两个沟槽最低点之间的距离)为0.8～4.0mm。针对不同厚度的堆焊层，在此范围内均匀分布的沟槽间距可以良好应对于不同摩擦频次的工况状态。

根据本发明的一些优选实施方面，所述沟槽层的截面为波谷状；每个波谷状的所述沟槽的侧边与水平面的夹角为15～75°，该角度能够可以有效的将剪切力转化为锯齿间的拉、压力，加强表层硬质合金与下方金属基体的结合力。当每个沟槽的形状为波谷状(波浪状的下半部分)的时候，将波谷的最低点以及位于该最低点两侧的两个最高点之间形成三角形，该三角形的两个侧边与水平面的夹角为15～75°，优选为30-60°。

根据本发明的一些优选实施方面，所述平面层的厚度为0.2～0.6mm(除去沟槽的平面层)，使得能够在不同厚度范围内，良好结合堆焊层和沟槽。

根据本发明的一些优选实施方面，在熔敷金属的第一层时使用一次脉冲激光配合一次喷粉形成所述沟槽，在熔敷金属的第二层时使用一次连续激光配合二次喷粉，在所述金属基体上形成带有所述沟槽的结合层。

根据本发明的一些优选实施方面，所述一次脉冲激光的参数为2KW～6KW；所述一次喷粉的参数为15～50L/min；所述一次连续激光的参数为1KW～5KW；所述二次喷粉的参数为15～50L/min。

根据本发明的一些优选实施方面，在熔敷金属的第一层时使用一次连续激光配合一次喷粉，形成平面层；在熔敷金属的第二层时使用一次脉冲激光配合二次喷粉，使所述平面层发生再熔，并在脉冲激光下形成带有所述沟槽的结合层。

根据本发明的一些优选实施方面，所述一次连续激光的参数为1KW～5KW；所述一次喷粉的参数为15～50L/min；所述一次脉冲激光的参数为2KW～6KW；所述二次喷粉的参数为15～50L/min。在上述工艺参数下能形成稳定可靠的堆焊层及锯齿沟槽。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的硬质合金的熔敷工艺，采用脉冲激光喷粉熔敷的方法，形成带有锯齿沟槽的硬质合金与基体金属的结合层，改变结合层结构形态，锯齿沟槽层沿金属基体的厚度方向向下延伸，改善其受剪切力作用状态，达到阻止缺陷在结合层扩展的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中基体金属与硬质合金结合后的截面扫描电镜图；

图2为本发明优选实施例中硬质合金的熔敷结构示意图；

图3为本发明优选实施例中基体金属与硬质合金结合后的截面扫描电镜图；

附图中，金属基体-1，沟槽层-2，平面层-3，硬质合金层-4。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图2和3所示，本实施例中的硬质合金的熔敷结构，由上至下依次包括硬质合金层、结合层和金属基体，金属基体上具有沟槽，沟槽的尺寸沿朝向金属基体的方向逐渐变小，结合层包括容纳在沟槽内的沟槽层以及位于沟槽层与硬质合金层之间的平面层。多个连续沟槽形成锯齿状，使得结合层与下方的基体金属层牢牢地结合在一起。

尺寸方面，沟槽(层)的深度为0.02～2.30mm，能在厚度为1mm～10mm范围的堆焊层获得与之良好匹配的沟槽，沟槽深度比堆焊层厚度大2％～23％。相邻沟槽(层)之间的距离(两个沟槽最低点之间的距离)为0.8～4.0mm。针对不同厚度的堆焊层，在此范围内均匀分布的沟槽间距可以良好应对于不同摩擦频次的工况状态。平面层的厚度为0.2～0.6mm(除去沟槽的平面层)，使得能够在不同厚度范围内，良好结合堆焊层和沟槽。

沟槽(层)的截面为波谷状(波浪状的下半部分)；每个波谷状的沟槽的侧边与水平面的夹角为15～75°，该角度能够可以有效的将剪切力转化为锯齿间的拉、压力，加强表层硬质合金与下方金属基体的结合力。当每个沟槽的形状为波谷状的时候，将波谷的最低点以及位于该最低点两侧的两个最高点之间形成三角形，该三角形的两个侧边与水平面的夹角为15～75°，优选为30-60°。

以下为针对上述硬质合金的熔敷结构的制备方法以及对应得到的具体的熔敷结构：

本发明的工艺方法基于激光喷粉熔敷方法，激光作为热源输入，具有热量集中、功率精准的优点，能实现熔池范围、深度精准可控，避免对正常区域造成不利影响。具体的，在熔敷金属的第一层或者第二层时，激光以脉冲形式发出，在脉冲波峰阶段发出高能量激光，熔融硬质合金粉末并在基体金属上产生较大熔深，激光能量受金属材料阻挡吸收，波峰阶段熔池面积沿基体金属的深度方向逐渐变小，形成锯齿沟槽状的结合层；在脉冲波谷阶段发出正常能量激光，熔融硬质合金粉末在基体金属上产生均匀厚度的熔深，形成平面状的结合层。

具体实施时，以特定的脉冲激光参数，配以合适的喷粉速率和行走速度，在结合层形成连续的锯齿沟槽状结构(如图2所示)。可以采用两种方式，第一种：在第一层使用脉冲激光配合喷粉形成连续锯齿状结合层结构，第二层使用正常能量激光配合少量喷粉，抹平因脉冲带来的表面不连续。第二种：在第一层使用正常能量激光配合少量喷粉，形成一层较薄的平面结合层，第二层使用脉冲激光配合适量喷粉，使结合层随激光发生再熔，并在连续脉冲下形成锯齿沟槽状结合层。两种方式步骤参数及所形成沟槽结构尺寸大体如下。

表1两种方式参数表

从第三层开始属于同质材料(硬质合金)熔敷，使用正常参数(激光功率：3～5KW，喷粉气流量：25～50L/min)激光熔敷，从而最终得到锯齿沟槽状结合层的硬质合金熔敷金属。

实施例1

本实施例中的硬质合金的熔敷工艺，具体包括如下步骤：

在熔敷金属的第一层使用一次脉冲激光配合一次喷粉形成沟槽层，在熔敷金属的第二层使用一次连续激光配合二次喷粉并形成平面层，最终在金属基体上形成带有沟槽层的结合层。从第三层开始属于同质材料(硬质合金)熔敷，使用正常参数(激光功率：3～5KW，喷粉气流量：25～50L/min)激光熔敷，从而最终得到锯齿沟槽状结合层的硬质合金熔敷金属。

其中，一次脉冲激光的参数为5.6KW；一次喷粉的参数为40L/min；一次连续激光的参数为1.2KW；二次喷粉的参数为15L/min。平面层的厚度为0.48mm；硬质合金的厚度为1.98mm。

如图3所示，本实施例中制备得到的沟槽层中的每个沟槽为波谷状，参数为：沟槽的深度为2.2mm，相邻沟槽之间的距离为3.9mm，沟槽的侧边与水平面的夹角为45°。

实施例2

本实施例中的硬质合金的熔敷工艺，具体包括如下步骤：

在熔敷金属的第一层使用一次连续激光配合一次喷粉，形成平面层；在熔敷金属的第二层使用一次脉冲激光配合二次喷粉，使平面层发生再熔，并在脉冲激光下形成带有沟槽层的结合层。从第三层开始属于同质材料(硬质合金)熔敷，使用正常参数(激光功率：3～5KW，喷粉气流量：25～50L/min)激光熔敷，从而最终得到锯齿沟槽状结合层的硬质合金熔敷金属。

其中，一次连续激光的参数为2KW；一次喷粉的参数为18L/min；一次脉冲激光的参数为5KW；二次喷粉的参数为30L/min。平面层的厚度为0.3mm；硬质合金的厚度为0.38mm。

本实施例中制备得到的沟槽层中的每个沟槽为波谷状，参数为：沟槽的深度为0.08mm，相邻沟槽之间的距离为0.9mm，沟槽的侧边与水平面的夹角为15°。

本工艺发明采用脉冲激光喷粉方法熔敷硬质合金，并形成锯齿沟槽状结合层。脉冲激光功率精准，可准确控制熔池大小、深度，在配合不同送粉速率，机器人行走速度等参数条件下，可以实现结合层锯齿沟槽状结构形式，改变了硬质合金在剪切力作用下结合层的受力状态。在原本平面形式的结合层，因为材料性能具有方向性，缺陷很容易沿结合层面扩展；但锯齿沟槽状结合层使材料性能在该界面实现了交叉分布，当剪切力作用时，可以将其分解为垂直结合层方向的力，从而阻止缺陷沿结合层扩展，从微观结构上改变了密封面在剪切力作用下的受力状态。这些是现有熔敷方法和热处理方法无法做到的，克服了熔敷金属结合层微观结构只能是平面结构，剪切力作用下受力状态无法改变，顺结合层缺陷扩展无法阻挡的问题。本发明采用脉冲激光喷粉熔敷的方法，形成带有锯齿的硬质合金与基体金属的结合层，改变结合层结构形态，锯齿沿金属基体的厚度方向向下延伸，改善其受剪切力作用状态，达到阻止缺陷在结合层扩展的目的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。