專利名稱：一種在基底上涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)及激光熔覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用同軸送粉激光熔覆，在鋼材料表面涂覆難熔金屬化合物涂層 的裝置及方法。
背景技術(shù)：
激光熔覆技術(shù)是一種沉積生成熔覆層的現(xiàn)代加工技術(shù)，具有柔性大、可形成非平 衡相以及涂層組織細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，有效的擴(kuò)展了對材料的加工能力。工業(yè)發(fā)展對工作在惡劣 環(huán)境下的零件性能提出了越來越苛刻的要求。難熔金屬是一類熔點(diǎn)高于一般材料，具有高 強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫特性的材料，因其價(jià)格昂貴，同時(shí)具有室溫塑性較差、受熱后脆性較 大、高溫下抗氧化能力不足等缺點(diǎn)，難于加工制作，最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。近年來，隨著 加工技術(shù)的進(jìn)步，難熔金屬開始廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域當(dāng)中。作為難熔金屬中熔點(diǎn)最高的 金屬，鎢及其化合物的具備更大的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以高功率密度Nd:YAG激光器作為熱源，使用粒度細(xì)小 的難熔金屬粉末，采用同軸送粉方式在鋼表面熔覆難熔金屬化合物涂層的裝置及方法。本發(fā)明的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，包括工作臺(tái)、激光器、控制裝置、保護(hù)裝置和 送粉裝置，送粉裝置中放有難熔金屬材料粉末，并向送粉裝置的送粉頭中輸入難熔金屬材 料粉末，激光器的激光頭位于送粉頭上方并且同軸設(shè)置，通過一可調(diào)激光頭與送粉頭之間 距離的連接件將送粉頭與激光頭連接，激光頭和送粉頭懸吊在工作臺(tái)上方；送粉頭用于向 工作臺(tái)上輸送難熔金屬材料粉末，并通過激光頭進(jìn)行加工處理；工作臺(tái)上用于放置待處理 材料；工作臺(tái)、送粉頭和激光頭設(shè)置在保護(hù)裝置內(nèi)，通過保護(hù)裝置保持加工過程的氣氛環(huán) 境；控制裝置用于激光頭工作參數(shù)和狀態(tài)的控制。進(jìn)一步，所述送粉裝置上還設(shè)置有震動(dòng)裝置，用于提高送粉頭中難熔金屬粉末輸 送的流暢。進(jìn)一步，所述送粉裝置為雙料筒轉(zhuǎn)盤式送粉器，可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)整送粉速度。進(jìn)一步，所述保護(hù)裝置為保護(hù)氣氛箱，其由透明有機(jī)玻璃制成，上表面為耐熱軟材 料密封，保證所述激光頭和送粉頭在其內(nèi)能自由運(yùn)動(dòng)；保護(hù)氣氛箱上還設(shè)置有用于輸入惰 性氣體，排出空氣的氣體入口和氣體出口，其上另設(shè)置有用于對保護(hù)氣氛箱內(nèi)部氣體壓力 和氣體溫度進(jìn)行測量的壓力監(jiān)測口和溫度監(jiān)測口。進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中還包括用于監(jiān)視熔覆過程的監(jiān)視裝置。進(jìn)一步，所述控制裝置包括PC機(jī)、圖像采集卡、輸入輸出卡和現(xiàn)場總線卡，用于對 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的工作參數(shù)和狀態(tài)的控制。本發(fā)明的在基底上涂覆難熔金屬材料的激光熔覆方法，具體為采用上述的系統(tǒng)， 1)對熔覆材料進(jìn)行預(yù)處理；幻在工作臺(tái)上放置基底材料，將送粉頭和激光頭同軸置于保護(hù) 裝置中，調(diào)整送粉頭、激光頭的離焦量，并向保護(hù)裝置中通入惰性氣體；3)采用同軸送粉方法，同時(shí)對送粉器施加額外震動(dòng)，使用Nd:YAG固體激光器輸出連續(xù)激光，熔化難熔金屬粉 末和基底表面，使其共同形成熔池，多道搭接，逐層堆積形成熔覆層。
進(jìn)一步，所述送粉頭和激光頭一起做往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，所述基底材料為鋼材料，所述熔覆材料為難熔金屬粉末。進(jìn)一步，所述惰性氣體為氬氣。本發(fā)明的激光熔覆方法中，激光束照射鋼材基底表面，令激光能量足夠使基底表 面熔化形成熔池，同時(shí)采用同軸送粉方式，將難熔金屬粉末以環(huán)形聚焦的形式送入激光束。 粉末顆粒在下落過程中與激光束相互作用，吸收激光能量熔化，部分未完全熔化的粉末顆 粒在進(jìn)入基底熔池后吸收熔池?zé)崃咳刍?，熔化的粉末與熔化的基底表面共同形成熔池。隨 著激光束移動(dòng)，熔池快速冷卻凝固，經(jīng)過多道搭接，逐層堆積形成所需厚度的熔覆層。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)本方法使用短波長高功率密度Nd:YAG固體激光器。由于熔覆材料在下落過程中 與激光作用時(shí)間較短，使用該激光器能夠增加材料對激光能量的吸收率，同時(shí)采用大離焦 量，一方面便于熔化高熔點(diǎn)的難熔金屬粉末，另一方面，可以控制基底熔化程度，防止過度 熔化。此外，大直徑光斑有利于得到尺寸寬大的熔覆層，提高熔覆效率。本方法采用同軸送粉方法，可以使熔覆材料與基材充分反應(yīng)，并達(dá)到良好的結(jié)合 效果。采用同軸送粉方法，由于無需在基底表面預(yù)先鋪置熔覆材料的涂層，因此在熔覆開始 后激光束可以直接照射到基材上，有利于基底表面熔化形成熔池。熔覆過程中粉末由送粉 頭送出，在下落過程中即進(jìn)入激光束吸收激光能量，在到達(dá)基底表面前，部分顆粒已經(jīng)熔化 成為液滴，與未完全熔化的顆粒一起進(jìn)入基底熔池，其后通過吸收基底熔池的熱量以及繼 續(xù)受到激光束加熱，粉末顆粒全部熔化與基材共同形成熔池。熔覆材料與基底材料在熔池 中充分混合發(fā)生反應(yīng)，生成金屬化合物，凝固冷卻后不容易出現(xiàn)裂紋氣孔等缺陷。同軸送粉 可調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)與激光焦點(diǎn)的相對位置，并且空間分布均勻，有效的提高了粉末的利用 率。


圖1為同軸送粉激光熔覆裝置；圖2為同軸送粉頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為激光熔覆軌跡；圖4為激光熔覆表面形貌；圖5為熔覆層與基底截面顯微硬度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中使用德國TRUMPH Ikff YAG連續(xù)激光器，波長1. 03 μ m,由于固體激光器 波長短，能夠增加材料對激光能量的吸收率。將基底和激光頭、同軸送粉頭放入保護(hù)氣氛 箱內(nèi)，調(diào)整離焦量為較大離焦量的正離焦，一方面便于熔化高熔點(diǎn)的難熔金屬粉末，另一方 面，可以控制基底熔化程度，防止過度熔化。將難熔金屬粉末根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，如篩分、 清潔、烘干除水分等。放入送粉器，隨后調(diào)整粉末焦距，使粉末聚焦于基底表面。設(shè)定熔覆 軌跡，封閉保護(hù)箱，開始充入氬氣，防止難熔金屬加工過程中的氧化。
熔覆中采用同軸送粉方式，激光束可以直接照射到鋼材基底表面上，使基底表面 熔化形成熔池。難熔金屬粉末以環(huán)形聚焦的形式由送粉頭送出，粉末顆粒在下落過程中即 進(jìn)入激光束吸收激光能量，在到達(dá)基底表面前，部分顆粒已經(jīng)熔化成為液滴，與未完全熔化 的顆粒一起進(jìn)入基底熔池，其后通過吸收基底熔池的熱量以及繼續(xù)受到激光束加熱，粉末 顆粒全部熔化與基材共同形成熔池。熔覆材料與基底材料在熔池中充分混合發(fā)生反應(yīng)，生 成金屬化合物。由于反應(yīng)充分，熔池冷卻凝固時(shí)不易出現(xiàn)裂紋氣孔等缺陷，結(jié)合效果良好。 為了克服一些大比重，顆粒形狀不規(guī)則的難熔金屬粉末，本方法在送粉器上施加額外震動(dòng)， 提高粉末輸送的流暢性。難熔金屬粉末顆粒在下落過程中與激光束相互作用，吸收激光能 量熔化，部分未完全熔化的粉末顆粒在到達(dá)基底表面后進(jìn)入基底熔池，吸收熔池?zé)崃咳刍?熔化的粉末與熔化的基底表面共同形成熔池。隨著激光束移動(dòng)，熔池快速冷卻，多道搭接， 逐層堆積形成所需厚度的熔覆層。根據(jù)難熔金屬高溫下易氧化的特性，本方法特別設(shè)計(jì)制作了惰性氣體保護(hù)氣氛 箱，用于防止難熔金屬加工過程中的氧化。本方法利用難熔金屬與鋼進(jìn)行反應(yīng)，生成難熔金屬化合物，不同化合物的性質(zhì)不 同，可以通過控制生成物的種類和含量來控制熔覆層的性能。加工過程中通過控制熔覆工藝參數(shù)，控制難熔金屬與鋼生成化合物的種類和含 量。不同成分的性質(zhì)不同，因此可以得到不同性質(zhì)的熔覆層。如圖1-3所示，本發(fā)明的系統(tǒng)及工作步驟具體如下1.將工作平臺(tái)1置于保護(hù)裝置5內(nèi)，將準(zhǔn)備好的基底置于工作平臺(tái)上。其中保護(hù) 裝置為保護(hù)氣氛箱，保護(hù)氣氛箱由透明有機(jī)玻璃制成，便于觀察加工過程，上表面為耐熱軟 材料密封，可讓激光同軸送粉頭在其內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；其上有氣體入口和氣體出口，用于輸入惰 性氣體，排出空氣，其上另有壓力監(jiān)測口和溫度監(jiān)測口，可以對其內(nèi)部氣體壓力和氣體溫度 進(jìn)行測量。將熔覆材料粉末放入送粉裝置6中，其中送粉裝置為送粉器，送粉器為雙料筒轉(zhuǎn) 盤式送粉器，可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)整送粉速度。熔覆粉末由載氣輸送，經(jīng)過一個(gè)分粉裝置將粉 末分為4路進(jìn)入送粉頭，使粉末在送粉頭內(nèi)的環(huán)形粉腔內(nèi)分布均勻，最后從送粉頭環(huán)形的 出口噴出。2.將同軸送粉頭2和激光頭3伸入保護(hù)裝置中，其中同軸送粉頭與激光頭相連，激 光束從同軸送粉頭中心沿軸線穿過，其中送粉頭中心有保護(hù)氣通道23，用來保護(hù)激光頭鏡 片被飛散的粉末污染。送粉頭粉末出口為與激光束同軸的環(huán)形出口 22。送粉頭可通過調(diào)整 與激光頭距離來調(diào)整粉末聚焦點(diǎn)與激光束垂直方向位置。送粉頭內(nèi)部設(shè)有冷卻水路21 (兩 路水路)，從外部輸入冷卻水。調(diào)整離焦量，設(shè)定加工軌跡，密封保護(hù)裝置。3.向保護(hù)箱內(nèi)通入惰性氣體，排出空氣，并使保護(hù)箱內(nèi)壓力保持正壓。4.將預(yù)熱參數(shù)輸入控制裝置7，控制激光器按照預(yù)熱軌跡開始對基底表面進(jìn)行預(yù) 熱，重復(fù)軌跡循環(huán)。其中控制裝置由至少一臺(tái)PC機(jī)，一圖像采集卡，一輸入輸出(IO)卡和 一現(xiàn)場總線卡組成，上述PC機(jī)和各個(gè)功能卡采用已知技術(shù)進(jìn)行連接，用于對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程 的工作參數(shù)和狀態(tài)的控制。5.待基底預(yù)熱充分后，將加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，控制激光器開始進(jìn)行熔覆，同時(shí)開 啟送粉器以及震動(dòng)裝置，開始輸送熔覆材料粉末。沿熔覆軌跡加工一個(gè)循環(huán)后激光頭提升 一定高度進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的熔覆。加工過程中可通過監(jiān)視裝置4，對熔覆過程進(jìn)行監(jiān)視。
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6.熔覆過程結(jié)束后，計(jì)算機(jī)通過發(fā)送結(jié)束指令，激光器停止出光并停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí) 關(guān)閉送粉器停止送粉。7.待試樣冷卻后關(guān)閉保護(hù)氣體，打開保護(hù)箱，取出試樣。通過對A3鋼表面激光熔覆難熔金屬粉末，可以得到難熔金屬化合物涂層，提高原 有金屬表面性能，并且可以通過控制工藝參數(shù)，達(dá)到不同的性能指標(biāo)。本實(shí)施例采用長200mm，寬50mm，厚20mm的A3鋼板作為基底，使用難熔金屬鎢的 純金屬粉末，平均顆粒度2 μ m。為防止粉末顆粒因吸附水分而影響輸送，實(shí)驗(yàn)前對粉末進(jìn)行 篩分后，使難熔金屬粉末分散開后在烘干箱內(nèi)烘干6小時(shí)，然后放入送粉器中待用。具體加工過程如下將基底放入保護(hù)氣氛箱內(nèi)，將同軸送粉頭伸入保護(hù)箱內(nèi)，調(diào)整離焦量，使得基底表 面正離焦20mm，隨后調(diào)整粉末焦距(送粉頭下方12mm)，使粉末聚焦于基底表面，設(shè)定熔覆 軌跡，如圖2所示，每條熔覆道之間搭接率為50%，封閉保護(hù)箱，并充入氬氣。采用激光功率900W，掃描速度2mm/s，沿熔覆軌跡對基底表面進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)定預(yù)熱 循環(huán)8次，可通過CXD觀察預(yù)熱程度。到達(dá)預(yù)熱循環(huán)次數(shù)后，開啟送粉器，調(diào)整送粉量至lg/min，控制程序進(jìn)入熔覆循 環(huán)，熔覆功率1000W，掃描速度2mm/s，熔覆循環(huán)12次，每個(gè)循環(huán)后同軸送分頭向上提升固定 高度0. 1mm。熔覆循環(huán)結(jié)束后停止出光，關(guān)閉送粉器，繼續(xù)向保護(hù)箱內(nèi)通氬氣至冷卻較低溫度 (試件溫度低于300°C )。以A3鋼為基底，純鎢粉末為熔覆材料，利用同軸送粉激光熔覆的涂層表面形貌如 圖4所示。對內(nèi)部組織及成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明，內(nèi)部含有!^e7W6和i^W，通過改變實(shí)驗(yàn)參 數(shù)可以得到不同的顯微組織及成分。改變離焦量和掃描速度，使離焦量為15mm，速度為lmm/s，得到的熔覆層成分中 Fe7W6和!^e2W的比例和形貌改變，對應(yīng)的硬度也不同。對熔覆層橫截面進(jìn)行顯微硬度測試，測試結(jié)果如圖5所示。通過對A3鋼表面激光 熔覆難熔金屬W粉末，生成了由化合物!^e7W6和!^e2W以及!^e組成的熔覆層，有效提高了金 屬表面硬度，并且通過改變工藝參數(shù)，可根據(jù)需求得到不同硬度(500-750HV)的涂層。需要指出的是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精 神以及權(quán)利要求記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，包括工作臺(tái)、激光器、控制裝置、保護(hù)裝 置和送粉裝置，送粉裝置中放有難熔金屬材料粉末，并向送粉裝置的送粉頭中輸入難熔金 屬材料粉末，激光器的激光頭位于送粉頭上方并且同軸設(shè)置，通過一可調(diào)激光頭與送粉頭 之間距離的連接件將送粉頭與激光頭連接，激光頭和送粉頭懸吊在工作臺(tái)上方；送粉頭用 于向工作臺(tái)上輸送難熔金屬材料粉末，并通過激光頭進(jìn)行加工處理；工作臺(tái)上用于放置待 處理材料；工作臺(tái)、送粉頭和激光頭設(shè)置在保護(hù)裝置內(nèi)，通過保護(hù)裝置保持加工過程的氣氛 環(huán)境；控制裝置用于激光頭工作參數(shù)和狀態(tài)的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，所述送粉裝置上還設(shè) 置有震動(dòng)裝置，用于提高送粉裝置中難熔金屬粉末輸送的流暢。
3.如權(quán)利要求1所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，所述送粉裝置為雙料 筒轉(zhuǎn)盤式送粉器，可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)整送粉速度。
4.如權(quán)利要求1所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)裝置為保護(hù) 氣氛箱，其由透明有機(jī)玻璃制成，上表面為耐熱軟材料密封，保證所述激光頭和送粉頭在其 內(nèi)能自由運(yùn)動(dòng)；保護(hù)氣氛箱上還設(shè)置有用于輸入惰性氣體，排出空氣的氣體入口和氣體出 口，其上另設(shè)置有用于對保護(hù)氣氛箱內(nèi)部氣體壓力和氣體溫度進(jìn)行測量的壓力監(jiān)測口和溫 度監(jiān)測口。
5.如權(quán)利要求1所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中還包括用 于監(jiān)視熔覆過程的監(jiān)視裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置包括PC 機(jī)、圖像采集卡、輸入輸出卡和現(xiàn)場總線卡，用于對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的工作參數(shù)和狀態(tài)的控 制。
7.一種采用如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)進(jìn)行激光熔覆的 方法，具體為1)對熔覆材料進(jìn)行預(yù)處理；幻在工作臺(tái)上放置基底材料，將送粉頭和激光頭 同軸置于保護(hù)裝置中，調(diào)整送粉頭、激光頭的離焦量，并向保護(hù)裝置中通入惰性氣體；3)采 用同軸送粉方法，同時(shí)對送粉裝置施加額外震動(dòng)，使用Nd:YAG固體激光器輸出連續(xù)激光， 熔化難熔金屬粉末和基底表面，使其共同形成熔池，多道搭接，逐層堆積形成熔覆層。
8.如權(quán)利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，步驟1)中的預(yù)處理步驟包括篩 分、清潔、烘干除水分。
9.如權(quán)利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，所述基底材料為鋼材料，所述熔 覆材料為難熔金屬粉末。
10.如權(quán)利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在基底上涂覆難熔金屬材料的系統(tǒng)及激光熔覆方法，該系統(tǒng)包括工作臺(tái)、送粉頭、激光頭、控制裝置、保護(hù)裝置和送粉裝置。本發(fā)明的激光熔覆方法使用短波長高功率密度Nd:YAG固體激光器。由于熔覆材料在下落過程中與激光作用時(shí)間較短，使用該激光器能夠增加材料對激光能量的吸收率，同時(shí)采用大離焦量，一方面便于熔化高熔點(diǎn)的難熔金屬粉末，另一方面，可以控制基底熔化程度，防止過度熔化。此外，大直徑光斑有利于得到尺寸寬大的熔覆層，提高熔覆效率。本發(fā)明的方法采用同軸送粉方法，可以使熔覆材料與基材充分反應(yīng)，并達(dá)到良好的結(jié)合效果。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102140637SQ201010104569
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 武楊, 虞鋼, 鄭彩云 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所