[發明專利]一種陶瓷增強金屬基復合焊層的等離子堆焊制備方法

有效

• 申請號: 201410301239.2
• 申請日: 2014-06-27
• 公開（公告）號: CN104096958A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 程旭東;何鵬;鄒雋;潘成剛;王華昌;黃尚宇;胡建華;李友成;雷雨;周夢成;鄒芳麗
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B23K10/02
• 分類號: B23K10/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于堆焊制備硬面焊層技術領域，特別提供了一種陶瓷增強金屬基復合焊層的等離子堆焊制備方法，能拓展可用于堆焊的增強陶瓷顆粒種類，顯著提高金屬基復合焊層的表面性能。

背景技術

陶瓷增強金屬基復合材料因兼具金屬的塑韌性，陶瓷的剛度和硬度，能勝任更苛刻的服役條件，受到人們的廣泛關注。近年來在航空航天，汽車以及其它結構材料應用領域，陶瓷增強金屬基復合材料被認為是最有前景的功能材料之一。以較常見陶瓷碳化硅為例，它具有高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、低熱膨脹系數、較高的熱導率等優點，被廣泛作為陶瓷增強顆粒制備顆粒增強金屬基復合材料。等離子堆焊因制備方法簡單，能制備較厚的焊層，且相對于其它方法沉積效率高，成本低，被認為是理想的表面強化方法之一。然而在采用等離子堆焊制備陶瓷增金屬基復合焊層時，由于等離子焰心的高溫，陶瓷燒損嚴重，降低了其利用效率，且產生的氣體使得焊層多孔，多缺陷，惡化了焊層性能。甚至部分陶瓷與一些金屬在高溫下屬于熱力學非平衡體系，不僅能在金屬中發生物理溶解，還會發生化學反應，生成大量的脆性碳化物，硅化物，這些生成的碳化物與硅化物部分溶解于焊層金屬基體中，雖然也能對基體產生固溶強化作用，但是也增加了焊層的脆性。20世紀80年代，針對上述問題，美國華盛頓海軍實驗室Robert?J.Schaefer發明了一種激光熔注技術(Laser?Melted?Injection),在激光光斑尾部直接注射陶瓷顆粒進入熔池，巧妙的避免了高能激光對增強顆粒的輻照。使得陶瓷增強金屬基復合材料表面強化技術得到了極大的發展，隨后經英國帝國理工大學，日本長岡技術大學，荷蘭格羅寧根大學，中國哈工大等科研機構的努力，激光熔注技術發展日趨成熟。然而等離子堆焊作為一種比較有前景的硬面焊層制備技術，在采用類似方法尾部注射增強顆粒時卻遇到了較大困難。首先，堆焊噴嘴與待焊工件之間的距離遠小于激光方法中激光器與工件的距離，使得外送粉在堆焊上空間實現較為拘束；其次，與激光所形成的表面熔池不同，等離子焰產生的熔池上方存在較強的離子氣流，使得陶瓷粉很難從外部被送進熔池；再次，由于等離子與激光能量表現形式不同，使得等離子堆焊時，外送粉氣流對等離子焰的穩定性也容易產生破壞。因此，本發明通過特定的外送粉結構設計與理論計算方法，提供了一種陶瓷增強金屬基復合焊層的等離子堆焊制備方法。采用該方法制備出的復合焊層，其碳化物是原位生成的，與焊層結合緊密，且粒徑大，分布均勻，能顯著提高復合焊層的機械性能與熱物性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提供一種陶瓷增強金屬基復合焊層的等離子堆焊制備方法，該方法操作簡單，能制備出一種原位生成的大顆粒碳化物增強復合焊層，能顯著提高復合焊層的機械性能與熱物性能。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種陶瓷增強金屬基復合焊層的等離子堆焊制備方法，包括有以下步驟：

1)堆焊前預處理：對金屬基體、金屬合金粉體、增強陶瓷粉體進行預處理，其中，金屬基體首先經清洗烘干，隨后預熱至200～300℃，堆焊前進行快速表面打磨，漏出基體新鮮表面；金屬合金粉體與增強陶瓷粉體首先放置于100～150℃下烘干，待冷卻至室溫后，將金屬合金粉體裝進焊機的同步送粉器，增強陶瓷粉體裝進外送粉器；

2)槍外熔注送粉：首先采用外送粉器將增強陶瓷粉送進中間粉斗，隨后經中間粉斗進入外送粉管，最后增強陶瓷粉被從熔池尾部注入熔池；采用中間粉斗的目的是為了更好的獲得持續均勻的粉體流，同時可通過調整泄壓閥獲取不同的粉流速度，使得增強粉體能更好地被注射進熔池(參照圖1)；