1.本发明涉及螺杆表面处理技术领域，尤其涉及一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法及设备。
背景技术：2.机筒和螺杆是注塑机的核心部件，机筒螺杆是一对运动副，相对于机筒来说，螺杆更易于由于表面摩擦磨损而失效损坏。螺杆失效引起的损失是惊人的，据相关统计数据，螺杆失效损失就已经超过25亿美金。由于国内注塑机、挤出机的用量极大，螺杆失效必然导致巨大的经济损失。因此解决螺杆的过早失效问题是亟待研究的课题，而螺杆表面强化技术的研发是最重要的方向。
3.塑料颗粒及填料由尾部进入注塑机筒，受螺杆挤压推进，并且在前进中混合塑化，由螺杆头部注入模腔。因此螺杆在机筒中是作高速旋转运动，并处在一定的高温高压条件下，同时螺杆还须经受塑料颗粒与填料颗粒的摩擦与磨损。当填料是一些玻璃纤维，碳酸钙等无机硬物质时，螺杆的磨损尤为剧烈。并且塑料和填料在高温下塑化时常常分解出强腐蚀性介质，如硬聚氯乙烯分解出氯化氢气体，氟塑料分解出氟化氢气体都能强烈腐蚀螺杆表面金属。基于螺杆的服役工况，其表面一般需经特殊处理以满足下列要求：
4.(1)可加工性良好，便于切削加工以获得光洁的表面，从而减小摩擦系数增加注塑生产效率；
5.(2)热处理性能良好，以保证较小的变形和获得必要的强度、硬度等基本性能；
6.(3)高温耐磨耐蚀性能良好，从而保证螺杆具有一定的使用寿命；
7.(4)表面处理层必须具有良好的附着性，保证表面层与基体金属之间有高的结合强度；
8.(5)加工处理工艺应尽可能的简单方便，易于操作，同时保证整个螺杆的制造成本要尽可能的低廉。
9.目前，国内外在提高螺杆的使用寿命方面已经采取了一系列措施，广泛使用的工艺方法主要有：全硬化螺杆、表面氮化、电镀硬铬、表面火焰淬硬、高频淬硬、激光处理、真空镀覆、化学镀ni-p和表面喷涂、喷焊、堆焊等。上述螺杆表面处理方法各有特点，不同方法处理的螺杆可以被用来适应不同的注塑材料和工艺要求，但在使用的过程中也存在一些局限性。例如，表面氮化工艺中，氮化温度通常高于500℃，氮化时间几十小时，生产效率低，能源消耗大，设备费用高，生产车间工矿恶劣，同时长时间的高温氮化螺杆很容易变形，氮化后磨外圆的工序容易磨掉表面局部的白亮层，在使用中这一部位就首先被腐蚀磨损，进而导致整个螺杆过早失效；同时，表面氮化用材必须是38crmoa1a氮化钢，价格较高，而氮化层的硬度也比较低。电镀硬铬工艺除了环境污染和涂层耐磨性能较差外，还存在尖角效应，有棱角的地方镀层厚，其它的地方镀层薄，且电镀前要经过磨削加工将各处的尖角倒圆，否则由于镀铬的边缘效应，产生粗晶颗粒，成为铬层剥落的起点。高速钢整体淬火工艺由于整体淬
透，表面易被杂质或体积较大的高硬度填充颗粒崩裂。激光熔覆方法一次加工的表面积较小，比较不适用于整体螺杆加工。真空镀覆工艺需要高真空设备，成本昂贵，且可处理工件的尺寸有限。化学镀ni-p方法的最大问题在于镀层薄，一般几十微米。
10.超音速激光沉积技术(supersonic laser deposition，sld)，也称激光辅助冷喷涂(laser assisted cold spray，lacs)。该技术是将冷喷涂与激光加热相结合的一种新型涂层制备方法，在冷喷涂的过程中利用激光同步加热喷涂粉末和基体表面，使二者软化但不熔化，提高了喷涂粉末和基体表面的塑性变形能力，可将冷喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可在以n2为载气的情况下实现高硬度材料涂层的制备，大大拓展了冷喷涂技术可沉积材料的范围，降低了冷喷涂技术的成本和能耗。超音速激光沉积技术具有不受工件尺寸和施工场所的限制、沉积效率较高以及对基体材料的热影响小的特点，既可用于螺杆的生产，也是一种螺杆局部修复的技术，综合成本较低。
技术实现要素：11.本发明的技术目的是为了保护螺杆不被摩擦腐蚀，从而延长其使用寿命、提高其性能，提出一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法及设备，通过该工艺方法强化的螺杆表面具有优异的基体结合强度、抗高温磨损性和耐腐蚀性，同时具备优异的表面可抛磨加工性能，能够提高螺杆的使用性能，延长其使用寿命。
12.本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：
13.一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，所述方法为：
14.以螺杆为基体，在该基体表面采用超音速激光沉积技术制备强化复合涂层以期提高其表面质量，所述强化复合涂层由位于基体表面的金属过渡层、位于金属过渡层表面的抛光合金层组成；
15.所述金属过渡层由硬质合金材料组成，所述硬质合金材料包括但不限于：wc-crc-ni、wc-co、wc-co-cr、wc-fecral、wc-ni等；金属过渡层的厚度范围在150～260μm；
16.所述抛光合金层的材料包括但不限于：nicr、nial、nicral、316l、nicrbsimofe等；抛光合金层的厚度范围在150～330μm；
17.所述螺杆例如为注塑机螺杆，螺杆的常用材料包括但不限于：钢材，如45号钢、40cr、氮化钢等。
18.进一步，一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，包括以下步骤：
19.步骤1、对螺杆表面进行预处理，然后将螺杆固定在旋转固定机床上，等待后续表面强化处理；
20.所述预处理是指对螺杆表面进行清洗、除锈除油污和喷砂处理；清洗、除锈除油污和喷砂处理的方法包括但不限于：激光清洗、激光除锈除油污、激光喷丸等；
21.步骤2、在步骤1准备好的螺杆表面采用超音速激光沉积技术喷涂金属硬质合金过渡层；调节喷涂装置的位置，使得喷枪在螺杆表面喷涂出粉斑；在喷涂装置的一侧引入前置激光器，使得前置激光器产生的光斑位于粉斑的前方，尺寸与粉斑部分或完全重合；在喷涂装置的另一侧引入后置激光器，使得后置激光器产生的光斑位于粉斑的后面，尺寸与粉斑部分或完全重合；
22.喷涂的参数范围如下：载气压力2mpa，送粉气压0.5mpa，送粉速率10～150g/min，喷涂距离5～100mm，激光功率10～6000w，气体预热温度100～600℃；
23.喷涂装置喷涂出的粉斑直径为2～12mm；前置激光器产生的光斑直径为1～15mm；后置激光器产生的光斑直径为1～12mm；
24.步骤3、在步骤2制备的金属硬质合金过渡层表面再次采用超音速激光沉积技术喷涂表面抛光合金层；调节喷涂装置的位置，使得喷枪在螺杆表面喷涂出粉斑；在喷涂装置的一侧引入前置激光器，使得前置激光器产生的光斑位于粉斑的前方，尺寸与粉斑部分或完全重合；在喷涂装置的另一侧引入后置激光器，使得后置激光器产生的光斑位于粉斑的后面，尺寸与粉斑部分或完全重合；
25.喷涂的参数范围如下：载气压力1.2mpa，送粉气压0.3mpa，送粉速率10～100g/min，喷涂距离10～80mm，激光功率10～3000w，气体预热温度100～500℃；
26.喷涂装置喷涂出的粉斑直径为2～12mm；前置激光器产生的光斑直径为1～15mm；后置激光器产生的光斑直径为1～12mm。
27.本发明步骤2中，超音速激光沉积技术喷涂金属硬质合金过渡层的作用原理分为两个过程：
28.(1)前置激光器产生的激光对待加工螺杆表面进行毛化、预热软化，激光毛化用于消除喷砂(丸)处理所带来的残留物的影响，增加粗糙度的同时起到预热基材的作用，以促进涂层与基体的结合；
29.(2)后置激光器产生的激光对沉积涂层进行重熔，消除涂层内部孔隙，减小涂层表面的粗糙度，而涂层的中下部依然保持原始粉末的结构和性能。
30.本发明步骤3中，超音速激光沉积技术喷涂抛光合金层的作用原理分为两个过程：
31.(1)前置激光器产生的激光对金属硬质合金过渡层表面进行预热软化，增加粗糙度的同时起到预热基材的作用，以促进金属硬质合金过渡层与抛光合金层的结合；
32.(2)后置激光器产生的激光对沉积涂层进行重熔，消除涂层内部孔隙，减小涂层表面的粗糙度，而涂层的中下部依然保持原始粉末的结构和性能。
33.一种用于实施本发明基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法的设备，所述设备包括：防护壳体、气体供应装置、除尘装置、固定旋转机床、喷涂装置及控制喷涂装置移动、转动的机床；
34.所述防护壳体包括固定壳体和活动壳体，固定壳体用于保护设备，活动壳体用于打开设备放置工件；
35.所述气体供应装置由一组高压气体罐组成，用于实验气体供应；
36.所述除尘装置包括抽风机和粉末收集装置，用于实验粉末的吸收收集；
37.所述固定旋转机床用于螺杆工件的固定和绕轴旋转转动；
38.所述喷涂装置由前置激光器、喷枪、后置激光器以及控制激光器和喷枪移动转动的控制机构组成；前置激光器位于喷枪的一侧，发射出的光斑处于喷枪喷出的粉斑的前方；后置激光器位于喷枪的另一侧，发射出的光斑处于粉斑的后方；喷枪为拉瓦尔型喷枪；喷枪与激光器同步移动，光斑与粉斑的尺寸部分或完全重合。
39.具体的，利用所述设备对螺杆表面进行超音速激光沉积，包括以下操作步骤：
40.(1)将螺杆装入固定旋转机床，确保工件转动时圆心在同一水平线上；
41.(2)调节喷枪，在工件表面喷出粉斑，调节前置激光器，使得前置光斑位于粉斑前方，部分重合，调节后置激光器，使得后置光斑位于粉斑后方，部分重合，加工过程中喷嘴和激光器同步移动；
42.(3)根据螺杆材料、喷涂粉末材料，在设备控制面板中设置好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉器转速；
43.(4)在螺杆表面首次超音速激光沉积制备金属硬质合金过渡层，然后再次制备抛光合金层。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
45.(1)本发明中螺杆表面的复合涂层具有综合成本较低、制备简单、效果显著、适于大规模生产的优点，可替代目前广泛使用的渗氮、喷焊等螺杆表面处理工艺，显著延长螺杆的使用寿命，具有良好的应用前景与经济效益。
46.(2)超音速激光沉积技术，提高了喷涂粉末和基体表面的塑性变形能力，实现高硬度材料涂层的制备，大大拓展了冷喷涂技术可沉积材料的范围，降低了冷喷涂技术的成本和能耗。超音速激光沉积技术具有不受工件尺寸和施工场所的限制、沉积效率较高以及对基体材料的热影响小的特点，既可用于螺杆的生产，也是一种螺杆局部修复的技术，综合成本较低。
附图说明
47.图1是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的强化设备的外部装置示意图；
48.图2是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的强化设备的喷涂装置及机床示意图；
49.图3是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的强化设备的侧边剖切示意图；
50.图4是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的强化设备的喷涂装置放大图；
51.图5是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法的工作过程示意图；
52.图6是一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法的侧边工作示意图；
53.其中，1-1-活动壳体；1-2-固定壳体；1-3-高压气瓶组；1-4-粉末收集装置；1-5-抽风机；1-6-控制气阀；2-1-固定旋转机床；2-2-旋转电机；2-3-螺杆；3-喷涂装置及控制机床；3-1-横向移动机床；3-2-竖向移动机床；3-3-激光器；3-4-喷枪；3-5-喷枪控制电机1；3-6-喷枪控制电机2；3-7-竖向移动控制电机；3-8-横向移动控制电机；
ⅰ‑
激光束；
ⅱ‑
粉末流；
ⅲ‑
强化涂层。
具体实施方式
54.下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
55.实施例1：
56.本实施例中，以螺杆为基体，在基体表面上采用超音速激光沉积技术制备复合涂层，该复合涂层是由位于螺杆表面的wc-co硬质合金过渡涂层，以及位于过渡层表面的ni60涂层组成，该wc-co涂层厚度为216μm，ni60涂层厚度为255μm。wc-co过渡涂层是由市售15～55μm的wc-co粉末经超音速激光沉积技术制备而得，ni60涂层是由市售20～40μm的ni60粉末经超音速激光沉积技术制备而得。如图5所示，该复合涂层的具体制备方法如下：
57.1、喷涂前，将螺杆进行激光清洗(激光功率500w)预处理，使其粗糙度(3.25微米)达到喷涂要求；
58.2、采用超音速激光沉积技术对螺杆表面进行喷涂。
59.首先喷涂wc-co硬质合金过渡层，超音速激光沉积喷涂参数为：载气类型为氮气，气压为2mpa，流量为250slpm，送粉气n2流量为10slpm，送粉气压为0.5mpa，粉末输送速率为30g/min，喷涂距离为20mm，激光功率800w，气体预热温度600℃；喷涂装置喷涂出的粉斑直径为8mm；前置激光器产生的光斑直径为8mm；后置激光器产生的光斑直径为8mm。
60.然后喷涂表层ni60，同样采用超音速激光沉积技术，喷涂参数为：载气为氮气，气压为1.2mpa，流量为70slpm，送粉气n2流量为8slpm，送粉气压0.3mpa，粉末输送速率为15g/min，喷涂距离为15mm，激光功率1000w，气体预热温度600℃；喷涂装置喷涂出的粉斑直径为5mm；前置激光器产生的光斑直径为5mm；后置激光器产生的光斑直径为5mm。
61.对上述制备得到的螺杆表面的复合涂层进行如下性能测试：
62.(1)涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得wc-co过渡涂层的平均硬度为1115hv，ni60涂层的硬度为685hv。
63.(2)涂层表面粗糙度：利用表面轮廓仪分别记录原始涂层表面轮廓曲线与抛光后涂层，测得原始涂层表面粗糙度约为ra＝1.8～2.30μm，抛光后涂层的平均表面粗糙度约为ra＝0.03μm。
64.(3)涂层结合强度：利用涂层结合强度测试方法，经拉伸试验测得涂层在e7胶结合处拉断，结果表明涂层的结合强度大于70mpa。
65.实施例2：
66.本实施例中，以螺杆为基体，在基体表面上采用超音速激光沉积技术制备复合涂层，该复合涂层是由位于基体表面的wc-co-cr硬质合金过渡涂层，以及位于过渡层表面的ni60涂层组成，该wc-co-cr涂层厚度为220μm，ni60涂层厚度为302μm。wc-co-cr过渡涂层是由市售10～50μm的wc-co-cr粉末经超音速激光沉积技术制备而得，ni60涂层是由市售20～40μm的ni60粉末经超音速激光沉积技术制备而得。
67.上述复合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法相同，所不同的是，粉末分别是wc-co-cr粉末与ni60，得到螺杆表面的复合涂层。
68.对上述制备得到的螺杆表面的复合涂层进行如下性能测试：
69.(1)涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得wc-co-cr过渡涂层的平均硬度为1175hv，ni60涂层的硬度为693hv。
70.(2)涂层表面粗糙度：利用表面轮廓仪分别记录原始涂层表面轮廓曲线与抛光后涂层，测得原始涂层表面粗糙度约为ra＝1.20～1.60μm，抛光后涂层的平均表面粗糙度约为ra＝0.018μm。
71.(3)涂层结合强度：利用涂层结合强度测试方法，经拉伸试验测得涂层在e7胶结合处拉断，结果表明涂层的结合强度大于70mpa。
技术特征：1.一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，所述方法为：以螺杆为基体，在该基体表面采用超音速激光沉积技术制备强化复合涂层以期提高其表面质量，所述强化复合涂层由位于基体表面的金属过渡层、位于金属过渡层表面的抛光合金层组成；所述金属过渡层由硬质合金材料组成，所述硬质合金材料选自：wc-crc-ni、wc-co、wc-co-cr、wc-fecral或wc-ni；所述抛光合金层的材料选自：nicr、nial、nicral、316l或nicrbsimofe。2.如权利要求1所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，所述螺杆为注塑机螺杆，螺杆的材料为：钢材，如45号钢、40cr或氮化钢。3.如权利要求1所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，所述金属过渡层的厚度范围在150～260μm。4.如权利要求1所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，所述抛光合金层的厚度范围在150～330μm。5.如权利要求1所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，所述的工艺方法包括以下步骤：步骤1、对螺杆表面进行预处理，然后将螺杆固定在旋转固定机床上，等待后续表面强化处理；步骤2、在步骤1准备好的螺杆表面采用超音速激光沉积技术喷涂金属硬质合金过渡层；调节喷涂装置的位置，使得喷枪在螺杆表面喷涂出粉斑；在喷涂装置的一侧引入前置激光器，使得前置激光器产生的光斑位于粉斑的前方，尺寸与粉斑部分或完全重合；在喷涂装置的另一侧引入后置激光器，使得后置激光器产生的光斑位于粉斑的后面，尺寸与粉斑部分或完全重合；喷涂的参数范围如下：载气压力2mpa，送粉气压0.5mpa，送粉速率10～150g/min，喷涂距离5～100mm，激光功率10～6000w，气体预热温度100～600℃；步骤3、在步骤2制备的金属硬质合金过渡层表面再次采用超音速激光沉积技术喷涂表面抛光合金层；调节喷涂装置的位置，使得喷枪在螺杆表面喷涂出粉斑；在喷涂装置的一侧引入前置激光器，使得前置激光器产生的光斑位于粉斑的前方，尺寸与粉斑部分或完全重合；在喷涂装置的另一侧引入后置激光器，使得后置激光器产生的光斑位于粉斑的后面，尺寸与粉斑部分或完全重合；喷涂的参数范围如下：载气压力1.2mpa，送粉气压0.3mpa，送粉速率10～100g/min，喷涂距离10～80mm，激光功率10～3000w，气体预热温度100～500℃。6.如权利要求5所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法，其特征在于，步骤2、步骤3中：喷涂装置喷涂出的粉斑直径为2～12mm；前置激光器产生的光斑直径为1～15mm；后置激光器产生的光斑直径为1～12mm。7.一种用于实施权利要求1所述的基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法的设备，其特征在于，所述设备包括：防护壳体、气体供应装置、除尘装置、固定旋转机床、喷涂装置及控制喷涂装置移动、转动的机床；所述防护壳体包括固定壳体和活动壳体，固定壳体用于保护设备，活动壳体用于打开
设备放置工件；所述气体供应装置由一组高压气体罐组成，用于实验气体供应；所述除尘装置包括抽风机和粉末收集装置，用于实验粉末的吸收收集；所述固定旋转机床用于螺杆工件的固定和绕轴旋转转动；所述喷涂装置由前置激光器、喷枪、后置激光器以及控制激光器和喷枪移动转动的控制机构组成；前置激光器位于喷枪的一侧，发射出的光斑处于喷枪喷出的粉斑的前方；后置激光器位于喷枪的另一侧，发射出的光斑处于粉斑的后方；喷枪为拉瓦尔型喷枪；喷枪与激光器同步移动，光斑与粉斑的尺寸部分或完全重合。
技术总结本发明公开了一种基于超音速激光沉积技术强化螺杆表面质量的工艺方法及设备，该工艺方法通过前置激光器对待加工表面进行软化处理，喷涂装置喷涂强化材料粉末对螺杆表面进行强化涂层制备，后置激光器对强化涂层进行重熔提高表面质量；强化复合涂层由位于基体表面的金属过渡层、位于金属过渡层表面的抛光合金层组成；与现有的螺杆表面涂层相比，本发明不仅具有优异的表面易于抛磨加工性能，而且具有优异的基体结合强度、耐摩擦磨损性能和耐高温、耐腐蚀性能，能够极大地提高螺杆的使用性能，显著延长螺杆的使用寿命，可替代目前广泛使用的渗氮、喷焊等螺杆表面处理工艺，具有良好的应用前景与经济效益。应用前景与经济效益。应用前景与经济效益。
技术研发人员：宋一然 祝丰年 罗准 李波 姚建华 苏益民 刘琪琪 段杜芩 李晨曦 郭锦莹 段小川
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
