楊啟正

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

模具表面處理中激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用*

Application of laser cladding technology in mold surface treatment

楊啟正

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

隨著模具產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的產(chǎn)品都是用模具來(lái)制造的，由于制造模具需要大量的人力、物力和資源，因此，在模具表面進(jìn)行處理時(shí)采用激光熔覆技術(shù)，可延長(zhǎng)模具的使用壽命，降低模具制品成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)的模具表面處理方法相比，激光熔覆技術(shù)具有工件變形小，涂覆層質(zhì)量穩(wěn)定，表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性等特點(diǎn)。

模具；表面處理；激光熔覆；工藝

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是改變材料表面性能的一種先進(jìn)技術(shù)，是在激光束的作用下將熔覆材料粉末與基體表面快速加熱并熔化，使其與基材呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而大大改善基體表面耐磨性、耐蝕性、耐熱性、抗氧化性和電氣特性等，是一種表面強(qiáng)化方法。

1.1 激光熔覆技術(shù)當(dāng)前主要應(yīng)用于三個(gè)方面

（1）材料表面改性。采用大功率的激光束對(duì)材料表面加熱，從而在材料表面形成處理層，改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能和物理性能，并能提高零件的耐磨、耐蝕和耐疲勞等系列性能，以滿足各種不同的使用需求。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電器等行業(yè)。

（2）產(chǎn)品的表面修復(fù)。在產(chǎn)品的表面通過(guò)激光熔覆涂層，進(jìn)行產(chǎn)品表面的修復(fù)來(lái)改善其性能，如在產(chǎn)品表面激光熔覆一層耐磨抗蝕合金，就可提高零部件的使用壽命，對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，可以提高模具的強(qiáng)度，降低模具制造成本，還能縮短模具制造的周期。

（3）快速原型制造。利用金屬粉末的逐層燒結(jié)疊加，快速制造出模型。

1.2 激光熔覆技術(shù)的主要特點(diǎn)

（1）冷卻快（高達(dá)106 K/s），易得到細(xì)晶組織，結(jié)構(gòu)致密。

（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合。

（3）熱輸入和變形較小，涂層稀釋率較低，與基體呈冶金結(jié)合。

（4）適合熔覆的材料多，材料粉末的選擇沒有限制。

（5）光束瞄準(zhǔn)可以使很難接近的地方進(jìn)行熔敷。

（6）熔覆層的厚度范圍大，如單道送粉一次，其涂覆的厚度可在0.3~2.0 mm之間。

（7）可選擇區(qū)域進(jìn)行激光熔覆，熔覆材料的耗費(fèi)少，且具有很好的性價(jià)比。

（8）整個(gè)工藝過(guò)程很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，熔覆層質(zhì)量較穩(wěn)定。

2 激光熔覆技術(shù)在模具中的應(yīng)用

2.1 模具用激光熔覆材料的選取

激光熔覆技術(shù)是在一般材料表面涂覆一層具有某項(xiàng)特殊功能的材料。因此，熔覆材料應(yīng)根據(jù)使用要求和基體的狀態(tài)來(lái)選取。另外，還得考慮涂層材料是否有良好的工藝性。

目前常用的激光熔覆材料主要有鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金和金屬陶瓷等。鈷基合金主要應(yīng)用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的模具；鐵基合金主要應(yīng)用于局部耐磨且容易變形的模具；鎳基合金主要應(yīng)用于局部耐磨、耐熱腐蝕和抗熱疲勞的模具；金屬陶瓷主要應(yīng)用于具有耐磨性、耐蝕性、耐高溫和抗氧化性的模具。采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行模具表面處理，可以對(duì)模具表面進(jìn)行改性，也可以對(duì)正常失效的模具表面進(jìn)行修復(fù)。實(shí)踐證實(shí)，對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，能大大延長(zhǎng)模具的使用壽命。

應(yīng)用激光熔覆技術(shù)的關(guān)鍵是在于涂覆材料的選取，工藝方法的確定及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。熔覆材料包括自熔性合金材料、復(fù)合材料、陶瓷材料等，這些材料具有良好的耐磨、耐腐蝕性能，通常以粉末的形式使用。

各類激光熔覆材料特點(diǎn)及應(yīng)用見表1。

表1 各類激光熔覆材料特點(diǎn)

2.2 激光熔覆技術(shù)在模具表面處理中的應(yīng)用工藝

激光熔覆工藝中材料的添加方式主要有兩類。

（1）合金預(yù)置法。該方法是將待熔覆的合金材料按指定的方法預(yù)先覆蓋在材料的表面上，然后采用激光束對(duì)表面進(jìn)行掃描，使合金覆蓋層和部分基體材料熔化，待快速凝固后，基材表面就能形成冶金結(jié)合的熔覆層。

（2）合金同步法。該方法是采用專用的送料系統(tǒng)，將合金材料直接送到激光作用區(qū)，這樣基材和合金能同時(shí)熔化，待冷卻結(jié)晶，從而形成合金熔覆層。其優(yōu)點(diǎn)是工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，合金材料利用率高，可控性好，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

下面以熱鍛模為例了解激光熔覆工藝過(guò)程。

熱鍛模大多采用5CrNiMo或5CrMnMo合金工具鋼來(lái)制造，熱鍛模的工作環(huán)境通常是高溫環(huán)境和較大載荷工作，就需要具有很好的抗高溫、耐熱疲勞和耐磨性能。因此，模具表面需采用激光熔覆技術(shù)處理來(lái)滿足以上要求。

根據(jù)熱鍛模實(shí)際的工況條件，確定熱鍛模表面的涂覆材料為NiCrAl/Cr3C2粉末，采用合金同步法，工藝過(guò)程如下：

（1）表面預(yù)處理。首先將基材的表面快速加熱到400 ℃左右，再除油，然后用噴砂去除材料表面的銹蝕。

（2）預(yù)熱。對(duì)基材表面加熱，到一定的溫度后再適當(dāng)減少基材與熔覆層之間的溫差，可降低熔覆層冷縮后產(chǎn)生的應(yīng)力。

（3）激光熔化處理。

（4）后加熱處理，消除熔覆層的殘余應(yīng)力。

（5）機(jī)械加工，檢查表面處理質(zhì)量。

其主要工藝過(guò)程如圖1如示。

圖1 工藝過(guò)程

[1] 閆忠琳，葉宏.激光熔覆技術(shù)及其在模具中的應(yīng)用[J].激光雜志，2006，27（2）：73~74.

[2] 詹蓮鳳.激光熔覆技術(shù)在模具表面處理中應(yīng)用 [J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2007，8.

[3] 劉克生，等主編.激光加工工藝[M].武漢.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2011，7.

[4] 王中林，等主編.激光加工設(shè)備與工藝[M].武漢.華中科技大學(xué)出版社，2011，9.

(P-01)

TG174

1009-797X (2015) 24-0142-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.057

楊啟正（1973-），男，高級(jí)工程師，主要從事教育與機(jī)械工程研究。

2015-11-19

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：基于激光熔覆原理新型模具材料涂層剝離趨向干預(yù)研究（14C0477）。