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脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法及其裝置制造方法

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脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種脈沖電流輔助激光熔覆制備金屬涂層的方法及其裝置,屬于激光加工及材料表面改性裝備【技術(shù)領(lǐng)域】。該包括以下過(guò)程:在導(dǎo)電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處,進(jìn)行激光熔覆;在激光熔覆的同時(shí)施加脈沖電流作用于熔池,激光熔覆過(guò)程結(jié)束時(shí)即刻停止輸送脈沖電流,所述脈沖電流波形為矩形方波,脈沖電流均值I=6~100A,脈沖寬度為η=100μs~4000μs,脈沖頻率為f=50~2KHz。本發(fā)明可顯著細(xì)化激光熔覆時(shí)熔覆層的凝固組織,并使得組織分布更加均勻;當(dāng)脈沖電流作用于熔體時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電流平均值、脈沖寬度及脈沖頻率可以控制熔覆層凝固過(guò)程,以獲得細(xì)化的晶粒和均勻的組織成分。
【專利說(shuō)明】脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脈沖電流輔助激光熔覆制備金屬涂層的方法及其裝置,屬于激光加工及材料表面改性裝備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的快速進(jìn)步和發(fā)展,人們對(duì)支撐現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一——“材料”的性能要求越來(lái)越高。為了提高材料的表面性能、拓展材料的使用領(lǐng)域和范圍,科研人員已開(kāi)發(fā)了多種用于材料表面改性的技術(shù),形成了欣欣向榮的材料表面工程科學(xué)。激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)。它通過(guò)在基體材料表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝,在基層表面形成冶金結(jié)合的改性熔覆層。激光熔覆技術(shù)由于具有稀釋度小、涂層與基體結(jié)合好、對(duì)基體材料的適用范圍寬、改善性能幅度大的優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛、深入的發(fā)展和應(yīng)用。尤其是在航空、航天、汽車、模具、石油、電力等行業(yè),激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用已初具規(guī)模。但是,激光熔覆涂層也存在著熔覆層組織不均勻、易出現(xiàn)氣孔及裂紋等缺陷,這是制約激光熔覆技術(shù)獲得產(chǎn)業(yè)化推廣的主要因素。
[0003]為了解決上述問(wèn)題,部分研究人員嘗試了多種方法,如對(duì)熔覆層進(jìn)行后續(xù)熱處理、在激光熔覆時(shí)輔以電磁攪拌等。在激光熔覆后用熱處理的方法可以在一定程度上減小熔覆層內(nèi)部殘余應(yīng)力,卻也容易導(dǎo)致晶粒粗大,降低其屈服強(qiáng)度。而使用電磁攪拌輔助激光熔覆,雖能細(xì)化晶粒,卻容易在熔池里攪入空氣生成金屬氧化物,且設(shè)備龐大、操作復(fù)雜,較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提 供一種脈沖電流細(xì)化激光熔覆層凝固組織、促進(jìn)組織成分分布均勻的方法及裝置,致力于改善激光熔覆涂層組織結(jié)構(gòu)及綜合性能。
[0005]本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,在導(dǎo)電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處,進(jìn)行激光熔覆;在激光熔覆的同時(shí)施加脈沖電流作用于熔池,激光熔覆過(guò)程結(jié)束時(shí)即刻停止輸送脈沖電流,所述脈沖電流波形為矩形方波,脈沖電流均值1=6~100A,脈沖寬度為η =100 μ s~1000 μ S,脈沖頻率為f=50 ~2KHz。
[0006]通過(guò)設(shè)計(jì)的涂層制備裝置,在電流的作用下,熔池附近部分接觸到電流的粉末對(duì)激光的吸收率會(huì)提升(參見(jiàn)陳君,張群莉,姚建華等.激光技術(shù),2009,33 (2):121~123),增加其熔化幾率,進(jìn)而提高粉末的利用率。將脈沖電源作用于熔池,還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化凝固組織、促進(jìn)成分均勻分布的目的。當(dāng)脈沖電流作用于熔池時(shí),根據(jù)Maxwell方程可知,變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)的作用下,導(dǎo)電流體會(huì)出現(xiàn)向其中心軸收縮的現(xiàn)象,即磁致收縮效應(yīng)。在變化的電磁力的作用下,體積基本固定并隨著激光光斑移動(dòng)的熔體被反復(fù)壓縮。這一方面增加了熔池內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng),使得組織分布更均勻,另一方面會(huì)碎斷熔池邊界剛剛形成的枝晶,進(jìn)入熔池內(nèi)部形成新的晶核。此外,一定強(qiáng)度的電脈沖可以提高熔池內(nèi)原子團(tuán)簇的數(shù)量,從而提升形核率,達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)脈沖電流均值大于6A即可產(chǎn)生細(xì)晶效果??紤]安全因素,限定脈沖電流均值最大值為100A。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供所述脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法的裝置,用于對(duì)導(dǎo)電基體的待加工區(qū)熔覆金屬涂層,其特征在于:
該裝置包括工控機(jī)、送粉器、反光鏡、激光器、第一電極和第二電極、脈沖電源;上述工控機(jī)的第一輸出端與送粉器相連,工控機(jī)第二輸出端與激光器相連,工控機(jī)的第三輸出端與脈沖電源相連,脈沖電源的正負(fù)極分別于第一電極、第二電極相連;激光器上還帶有將發(fā)射出的激光反射至待加工區(qū)的反光鏡。
[0008]送粉器通過(guò)送粉噴嘴向基體表面噴施粉末,激光器通過(guò)反光鏡向基體表面輸出激光進(jìn)行熔覆。與此同時(shí),脈沖電源通過(guò)電極向基體及熔覆層輸入電流,工控機(jī)控制激光器、送粉器及脈沖電源的開(kāi)、關(guān)及工作參數(shù)。
[0009]所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于:上述熔池位于所述脈沖電流的電流密度最大處。激光熔覆時(shí),脈沖電流在基體、熔覆層及熔池的分布情況受形狀、電導(dǎo)率影響較大。優(yōu)選方案是熔池位于脈沖電流的電流密度最大處,這樣有利于增加熔池內(nèi)部流動(dòng)、降低晶粒形核能,從而提高形核率,改善凝固組織。
[0010]根據(jù)所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于:上述金屬粉末為銅基材料、或鐵基材料、或鈷基材料、或鎳基材料、或鋁基材料、或金屬間化合物基材料。上述材料均為激光熔覆常用材料,熱物理性能優(yōu)、可焊性好、熔覆性能佳。此外,上述材料均為金屬材料,具有導(dǎo)電性,這將有利于本發(fā)明的順利施行。
[0011]根據(jù)所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于:所述激光熔覆中,采用的激光熔覆參數(shù)為:粉末粒度為-100~+300目;激光功率P=500~1000Off ;掃描速度v=5~50mm/s ;激光光斑直徑為D=I~5mm ;所用的保護(hù)氣體為惰性氣體。上述參數(shù)均為激光熔覆實(shí)踐中的常用參數(shù),可保證順利完成常規(guī)激光熔覆工藝。
`[0012]根據(jù)所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織裝置,其特征在于上述第一電極和第二電極的位置通過(guò)以下規(guī)則確定:由第一電極和第二電極確定的電場(chǎng)中電流密度最大處位于待加工區(qū)。電極的位置直接影響電場(chǎng)的分布情況。為了獲得最佳的熔覆效果,應(yīng)將第一電極和第二電極置于適當(dāng)?shù)奈恢?,使其所確定的電場(chǎng)中電流密度最大處位于待加工區(qū)。
本發(fā)明方法具有以下明顯的優(yōu)勢(shì):
(1)本發(fā)明中,脈沖電流的加入能提高粉末對(duì)激光的吸收率,進(jìn)而提高激光熔覆時(shí)粉末的利用率,節(jié)約貴重材料;
(2)本發(fā)明可顯著細(xì)化激光熔覆時(shí)熔覆層的凝固組織,并使得組織分布更加均勻;當(dāng)脈沖電流作用于熔體時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電流平均值、脈沖寬度及脈沖頻率可以控制熔覆層凝固過(guò)程,以獲得細(xì)化的晶粒和均勻的組織成分;
(3)本發(fā)明的裝置簡(jiǎn)單、操作方便,且成本低、效果明顯;
(4)本發(fā)明僅在激光熔覆時(shí)加入了脈沖電流的作用,無(wú)雜質(zhì)加入,未產(chǎn)生污染物質(zhì),對(duì)環(huán)境友好。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0013]圖1為所述脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法的裝置示意圖;
圖2為GH4169及FGH95鎳基高溫合金化學(xué)成分表;
圖3未施加脈沖電流的激光熔覆涂層截面的顯微組織圖;
圖4實(shí)施例2所得脈沖電流輔助激光熔覆涂層截面的顯微組織圖;
圖5實(shí)施例3所得脈沖電流輔助激光熔覆涂層截面的顯微組織圖;
圖中標(biāo)號(hào)名稱:1、工控機(jī),2、送粉器,3、反光鏡,4、激光器,5、第一電極,6、導(dǎo)電基體,7、第二電極,8、脈沖電源,9、待加工區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下提供運(yùn)用本發(fā)明方法的實(shí)例,以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的理解。
[0015]實(shí)施例1
如圖1脈沖電流輔助激光熔覆金屬涂層的裝置,包括工控機(jī)(I)、送粉器(2)、反光鏡
(3)、激光器(4)、第一電極(5)和第二電極(7)、脈沖電源(8)。送粉器通過(guò)送粉噴嘴向基體表面噴施粉末,激光器通過(guò)反光鏡向基體表面輸出激光進(jìn)行熔覆。與此同時(shí),脈沖電源通過(guò)電極向基體及熔覆層輸入電流,工控機(jī)控制激光器、送粉器及脈沖電源的開(kāi)、關(guān)及工作參數(shù)。
[0016]先將待熔覆100mm*10mm*10mmGH4169基體(化學(xué)成分見(jiàn)圖2)表面進(jìn)行打磨、除油后用無(wú)水乙醇和丙酮清洗干凈, 然后將其固定于工作臺(tái),接著將電極固定于基體表面。將FGH95粉末(化學(xué)成分見(jiàn)圖2)置于干燥箱中100~150°C干燥5h,待冷卻后加入送粉器中。將激光束聚焦后,采用同軸送粉的方式進(jìn)行激光熔覆處理,同時(shí)通入氬氣保護(hù)。采用的加工參數(shù)為:激光功率1600W,光斑直徑為2mm,光斑移動(dòng)速率3mm/s,粉末粒度為-100~+150目。所獲得涂層截面顯微組織如圖3所示。
[0017]實(shí)施例2
所用方法和裝置均與實(shí)施例1相同,僅在激光熔覆的同時(shí),打開(kāi)脈沖電源開(kāi)關(guān),通入電流均值6A、脈寬4000 μ S、頻率50Hz的方波電流,所獲得涂層截面顯微組織如圖4所示。
[0018]對(duì)比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn),施加脈沖電流后,熔覆層組織內(nèi)部無(wú)氣孔,等軸晶數(shù)量明顯增多,尺寸也明顯減小,分布更均勻致密。
[0019]實(shí)施例3
所用方法和裝置均與實(shí)施例1相同,僅在激光熔覆的同時(shí),打開(kāi)脈沖電源開(kāi)關(guān),通入平均值10A、脈寬100 μ S、頻率2ΚΗζ的方波電流。所獲得涂層截面顯微組織如圖5所示。
[0020]對(duì)比圖3、圖5可以發(fā)現(xiàn),施加脈沖電流后,熔覆層組織內(nèi)部無(wú)明顯缺陷,等軸晶數(shù)量明顯增多,尺寸也明顯減小,分布更均勻致密。對(duì)比圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn),電流均值及脈沖頻率增大后,晶粒細(xì)化效果更明顯。
[0021]以上所述實(shí)例僅表達(dá)了本發(fā)明的實(shí)施方式,但不能因此理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。在不脫離本發(fā)明專利構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形及改進(jìn),這些都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。該范圍應(yīng)以本發(fā)明專利的所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于包括以下過(guò)程: 在導(dǎo)電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處,進(jìn)行激光熔覆; 在激光熔覆的同時(shí)施加脈沖電流作用于熔池,激光熔覆過(guò)程結(jié)束時(shí)即刻停止輸送脈沖電流,所述脈沖電流波形為矩形方波,脈沖電流均值1=6~100A,脈沖寬度為η =100 μ s~4000 μ S,脈沖頻率為f=50~2KHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于: 上述熔池位于所述脈沖電流的電流密度最大處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于: 上述金屬粉末為銅基材料、或鐵基材料、或鈷基材料、或鎳基材料、或鋁基材料、或金屬間化合物基材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法,其特征在于: 所述激光熔覆中,采用的激光熔覆參數(shù)為:粉末粒度為-100~+300目;激光功率P=500~10000W ;掃描速度v=l~10mm/s ;激光光斑直徑為D=I~5mm ;所用的保護(hù)氣體為惰性氣體。
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法的裝置,用于對(duì)導(dǎo)電基體(6)的待加工區(qū)(9)熔覆金屬涂層,其特征在于: 該裝置包括工控機(jī)(I)、送粉器(2)、激光器(4)、第一電極(5)和第二電極(7)、脈沖電源(8); 上述工控機(jī)(I)的第一輸出端與送粉器(2)相連,工控機(jī)(I)的第二輸出端與激光器(4)相連,工控機(jī)(I)的第三輸出端與脈沖電源(8)相連,脈沖電源的正負(fù)極分別于第一電極(5)、第二電極(7)相連;激光器(4)上還帶有將發(fā)射出的激光反射至待加工區(qū)(9)的反光鏡(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖電流細(xì)化激光熔覆金屬涂層凝固組織裝置,其特征在于上述第一電極(5)和第二電極(7)的位置通過(guò)以下規(guī)則確定:由第一電極(5)和第二電極(7 )確定的電場(chǎng)中電流密度最大處位于待加工區(qū)(9 )。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103602977SQ201310414396
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】趙劍峰, 謝德巧, 肖猛, 戚永愛(ài), 田宗軍, 沈理達(dá), 高雪松 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)
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