本發(fā)明涉及激光熔覆技術(shù)，尤其是一種活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著各國(guó)對(duì)柴油機(jī)排放要求的提高，柴油機(jī)正向著不斷提高功率密度、高緊奏性的方向發(fā)展，燃燒室部件承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。活塞頂面在工作過程中直接與高溫高壓燃?xì)饨佑|，工作環(huán)境極為惡劣，易發(fā)生熱損傷，亟需提高其抗熱疲勞性能。

激光熔覆具有功率密度高、快速熔凝的特點(diǎn)，可以在低成本基體材料表面制備組織致密、稀釋率可控、冶金結(jié)合的高性能表面涂層，最大限度發(fā)揮材料性能，并有效的降低成本，成為提高活塞頂面抗熱疲勞性能的有效技術(shù)途徑。

活塞用38MnVS6屬亞共析鋼，具有很寬的奧氏體化溫度區(qū)間，在激光熔覆快速冷卻過程中易產(chǎn)生裂紋，對(duì)獲得無(wú)裂紋缺陷、冶金結(jié)合的熔覆層帶來(lái)一定影響，另外對(duì)于活塞頂面大面積熔覆，隨著熔覆的進(jìn)行熱量不斷積累，熔覆層冷凝過程不斷變化，難以獲得均勻、穩(wěn)定的熔覆層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法，用于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，能夠在活塞頂面獲得均勻、穩(wěn)定、厚度可控的坑熱疲勞合金涂層，顯著提高活塞的使用壽命。

本發(fā)明提供一種活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法，包括以下步 驟：

步驟1，對(duì)活塞毛坯件頂面進(jìn)行機(jī)械加工預(yù)處理；

步驟2，根據(jù)活塞頂面結(jié)構(gòu)設(shè)定激光的行走軌跡；

步驟3，采用Co-Cr-W合金粉末作為熔覆材料，在激光行走的同時(shí)向活塞頂面同步添加Co-Cr-W合金粉末；設(shè)定熔覆工藝參數(shù)，對(duì)活塞頂面進(jìn)行激光熔覆，在活塞頂面形成抗熱疲勞合金涂層即熔覆層；以所述激光在活塞頂面照射形成的熔池溫度為控制信號(hào)，通過調(diào)整激光功率實(shí)現(xiàn)熔覆過程中的閉環(huán)控制。

優(yōu)選地，所述步驟3中，所述激光在活塞頂面照射形成的熔池溫度為一恒定溫度范圍。

優(yōu)選地，所述恒定溫度范圍在1500℃～2500℃之間。

優(yōu)選地，采用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度，以熔覆開始5s～10s時(shí)段平均溫度作為后續(xù)熔覆的目標(biāo)溫度，通過調(diào)節(jié)激光功率，實(shí)現(xiàn)熔覆過程中穩(wěn)定的熔池溫度。

優(yōu)選地，所述步驟1中：根據(jù)設(shè)定的熔覆層的厚度，對(duì)活塞毛坯頂面進(jìn)行切削加工，使得切削后的活塞厚度與活塞成品厚度上尺寸差值為設(shè)定的熔覆層厚度，誤差≤0.5mm。

優(yōu)選地，所述步驟2中：所述激光的行走軌跡為針對(duì)活塞頂面形狀、尺寸、熔覆層厚度要求，設(shè)置多道多層同心圓或多道多層圓心在同一軸線上的圓作為激光熔覆運(yùn)動(dòng)軌跡。

優(yōu)選地，所述步驟2中，所述活塞頂面結(jié)構(gòu)為平頂，所述激光的行走軌跡為多道多層同心圓；所述活塞頂面結(jié)構(gòu)為凸頂或凹頂，所述激光的行走軌跡為多道多層圓心在同一軸線上的圓。

優(yōu)選地，所述的Co-Cr-W合金粉末，其成分按照重量百分比為C：0.3％，Si：1.6％，B：2.3％，W：5.0％，Ni：8.0％，Cr：25.0％，Co：57.8％,所述的Co-Cr-W合金粉末的粒度40μm～150μm。

優(yōu)選地，所述激光為連續(xù)固體激光器發(fā)出；所述Co-Cr-W合金粉采用同軸送粉的方式進(jìn)行粉末輸送；所述熔覆工藝參數(shù)包括激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速率、搭接率；

熔覆工藝參數(shù)如下：

激光功率：P＝600～1000W；

光斑直徑：D＝2.0mm；

掃描速度：V＝3～5mm/s；

送粉速率：F＝1.8～3.9g/min；

搭接率：η＝30％～40％。

優(yōu)選地，所述熔覆層的厚度為1mm～3mm。

本發(fā)明提供的活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法，通過選擇合適的熔覆材料，將激光熔覆技術(shù)嵌入活塞制造工藝流程之中，在活塞頂面制備與基體冶金結(jié)合、厚度可控、無(wú)裂紋缺陷的抗熱疲勞合金涂層，顯著提高活塞使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法中活塞的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法中平頂活塞頂面熔覆軌跡示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供一種活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法，包括以下步驟：

步驟1，對(duì)活塞毛坯件頂面進(jìn)行機(jī)械加工預(yù)處理；根據(jù)設(shè)定的熔覆層的厚度，對(duì)活塞毛坯頂面進(jìn)行切削加工，除去氧化層，露出活塞毛坯基體材料， 使得切削后的活塞厚度與活塞成品厚度上尺寸差值為設(shè)定的熔覆層厚度，誤差≤0.5mm。

步驟2，根據(jù)活塞頂面結(jié)構(gòu)設(shè)定激光的行走軌跡；

激光的行走軌跡可針對(duì)活塞頂面形狀、尺寸、熔覆層厚度要求，設(shè)置多道多層同心圓或多道多層圓心在同一軸線上的圓作為激光熔覆運(yùn)動(dòng)軌跡；

參見圖1、圖2，活塞頂面1結(jié)構(gòu)為平頂，激光的行走軌跡為多道多層同心圓2；從頂面中心開始，向外圍逐漸搭接，最終覆蓋整個(gè)頂面，如圖2所示，重復(fù)這一過程，實(shí)現(xiàn)多層熔覆。

本實(shí)施例中待熔覆活塞為平頂活塞，頂面直徑為113mm，如圖1所示。設(shè)計(jì)熔覆層厚度為1.5mm，切削量為1.5mm。

活塞頂面結(jié)構(gòu)為凸頂(圖中未示)或凹頂(圖中未示)，激光的行走軌跡為多道多層圓心在同一軸線上的圓；也是從頂面中心開始，向外圍逐漸搭接，并同時(shí)改變激光頭高度，保持激光頭與熔池中心點(diǎn)距離不變，最終覆蓋整個(gè)頂面，重復(fù)這一過程，實(shí)現(xiàn)多層熔覆(本實(shí)施例中為5層熔覆，即步驟3的動(dòng)作重復(fù)5次，形成5層熔覆最終形成熔覆層)。熔覆層的厚度可通過熔覆工藝中的具體熔覆層數(shù)進(jìn)行控制。

步驟3，采用Co-Cr-W合金粉末作為熔覆材料，在激光行走的同時(shí)向活塞頂面按照激光的行走軌跡同步添加Co-Cr-W合金粉末；設(shè)定熔覆工藝參數(shù)，對(duì)活塞頂面進(jìn)行激光熔覆，在活塞頂面形成抗熱疲勞合金涂層即熔覆層。

本實(shí)施例中：活塞材料為38MnVS6，顯微組織為層片狀的珠光體和白色的鐵素體組織，其主要化學(xué)成分(wt.％)為C:0.38％，Si：0.65％，Mn：1.4％，V：0.10％，Ti：0.02％，Cr：0.16％，Ni：0.04％，N：0.012％，S：0.04％，F(xiàn)e：余量。熔覆材料為自熔性Co-Cr-W合金粉末，粉末粒度40μm～150μm，主要化學(xué)成分(wt.％)為C：0.35％，Si：1.6％，B：2.3％，W：5％，Ni：8％，Cr：25.0％，Co：余量。

為了保證形成后的熔覆層的抗熱疲勞性能，激光在活塞頂面照射形成的 熔池溫度為一恒定溫度范圍，通常在1500℃～2500℃之間。以激光在活塞頂面照射形成的熔池溫度為控制信號(hào)，通過調(diào)整激光功率實(shí)現(xiàn)熔覆過程中的閉環(huán)控制。采用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度，以熔覆開始5s～10s時(shí)段平均溫度作為后續(xù)熔覆的目標(biāo)溫度，溫度高于此目標(biāo)溫度則降低激光功率，溫度低于此目標(biāo)溫度則提高激光功率。通過調(diào)節(jié)激光功率，實(shí)現(xiàn)熔覆過程中穩(wěn)定的熔池溫度。本實(shí)施例中的目標(biāo)溫度為2000℃，當(dāng)熔池當(dāng)前溫度超過2000℃時(shí)，就自動(dòng)降低激光功率，當(dāng)熔池當(dāng)前溫度低于2000℃時(shí)，就自動(dòng)提高激光功率，這樣形成的熔覆層的穩(wěn)定性更好。

激光為連續(xù)Nd:YAG固體激光器發(fā)出；Co-Cr-W合金粉采用同軸送粉的方式進(jìn)行輸送，即粉末通過與激光束同軸的錐形噴嘴后匯聚于激光作用點(diǎn)，在激光行走的同時(shí)，同步添加粉末；載粉氣體為氬氣，控制的工藝參數(shù)包括激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速率、搭接率等；

熔覆工藝參數(shù)如下：

初始10s激光功率：P＝800W；

光斑直徑：D＝2.0mm；

掃描速度：V＝3mm/s；

送粉速率：F＝1.8g/min；

搭接率：η＝37.5％；

本發(fā)明提供的活塞頂面抗熱疲勞合金涂層激光熔覆方法，通過選擇合適的熔覆材料，將激光熔覆技術(shù)嵌入活塞制造工藝流程之中，在活塞頂面制備與活塞基體冶金結(jié)合、均勻、穩(wěn)定、厚度可控、無(wú)裂紋缺陷的抗熱疲勞合金涂層，顯著提高了活塞的使用壽命。