模具表面處理中激光熔覆技術的應用*

楊啟正

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001）

模具表面處理中激光熔覆技術的應用*

Application of laser cladding technology in mold surface treatment

楊啟正

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001）

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

模具；表面處理；激光熔覆；工藝

1 激光熔覆技術

激光熔覆技術是改變材料表面性能的一種先進技術，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，是一種表面強化方法。

1.1 激光熔覆技術當前主要應用于三個方面

（1）材料表面改性。采用大功率的激光束對材料表面加熱，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。該技術廣泛應用于航空航天、機械、電器等行業(yè)。

（2）產(chǎn)品的表面修復。在產(chǎn)品的表面通過激光熔覆涂層，進行產(chǎn)品表面的修復來改善其性能，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，對模具表面進行激光熔覆處理，可以提高模具的強度，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疊加，快速制造出模型。

1.2 激光熔覆技術的主要特點

（1）冷卻快（高達106 K/s），易得到細晶組織，結構致密。

（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結合。

（3）熱輸入和變形較小，涂層稀釋率較低，與基體呈冶金結合。

（4）適合熔覆的材料多，材料粉末的選擇沒有限制。

（5）光束瞄準可以使很難接近的地方進行熔敷。

（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)域進行激光熔覆，熔覆材料的耗費少，且具有很好的性價比。

（8）整個工藝過程很容易實現(xiàn)自動化，熔覆層質(zhì)量較穩(wěn)定。

2 激光熔覆技術在模具中的應用

2.1 模具用激光熔覆材料的選取

激光熔覆技術是在一般材料表面涂覆一層具有某項特殊功能的材料。因此，熔覆材料應根據(jù)使用要求和基體的狀態(tài)來選取。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。鈷基合金主要應用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的模具；鐵基合金主要應用于局部耐磨且容易變形的模具；鎳基合金主要應用于局部耐磨、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。采用激光熔覆技術進行模具表面處理，可以對模具表面進行改性，也可以對正常失效的模具表面進行修復。實踐證實，對模具表面進行激光熔覆處理，能大大延長模具的使用壽命。

應用激光熔覆技術的關鍵是在于涂覆材料的選取，工藝方法的確定及工藝參數(shù)的設計。熔覆材料包括自熔性合金材料、復合材料、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及應用見表1。

表1 各類激光熔覆材料特點

2.2 激光熔覆技術在模具表面處理中的應用工藝

激光熔覆工藝中材料的添加方式主要有兩類。

（1）合金預置法。該方法是將待熔覆的合金材料按指定的方法預先覆蓋在材料的表面上，然后采用激光束對表面進行掃描，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熔化，待冷卻結晶，從而形成合金熔覆層。其優(yōu)點是工藝過程簡單，合金材料利用率高，可控性好，且易于實現(xiàn)自動化。

下面以熱鍛模為例了解激光熔覆工藝過程。

熱鍛模大多采用5CrNiMo或5CrMnMo合金工具鋼來制造，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處理來滿足以上要求。

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

（1）表面預處理。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）預熱。對基材表面加熱，到一定的溫度后再適當減少基材與熔覆層之間的溫差，可降低熔覆層冷縮后產(chǎn)生的應力。

（3）激光熔化處理。

（4）后加熱處理，消除熔覆層的殘余應力。

（5）機械加工，檢查表面處理質(zhì)量。

其主要工藝過程如圖1如示。

圖1 工藝過程

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

[2] 詹蓮鳳.激光熔覆技術在模具表面處理中應用 [J].中國新技術新產(chǎn)品，2007，8.

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

[4] 王中林，等主編.激光加工設備與工藝[M].武漢.華中科技大學出版社，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，高級工程師，主要從事教育與機械工程研究。

2015-11-19

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