專利名稱：一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法及其專用裝置。
背景技術(shù)：
激光熔覆技術(shù)是利用高能密度的激光束使熔覆材料與基體表層熔凝后形成具有冶金結(jié)合特征熔覆層的一種先進(jìn)表面改性技術(shù)，其目的是改善基體的耐磨、耐蝕、耐熱和抗氧化性能，使廉價(jià)工程材料表面獲得良好的綜合性能，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的表面強(qiáng)化手段，在汽車、航天航空、模具、軋輥、石油、熱能動(dòng)力等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。眾所周知，激光快速熔凝所具有高溫度梯度、高速度的凝固特征，使所得的熔覆層凝固組織易形成方向強(qiáng)、粗大的柱狀枝晶，其不僅降低了熔覆層的力學(xué)性能，更容易誘發(fā)涂層結(jié)晶裂紋、氣孔等缺陷形成，對(duì)熔覆層的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，這阻礙了激光熔覆技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的進(jìn)程。因此， 改善熔覆層凝固組織并使其細(xì)化具有重要研究意義。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前改善熔覆層凝固組織的主要方法是添加變質(zhì)劑和后熱處理，例如，沈以赴(參見沈以赴，程繼志，馮中潮.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1997，15(4) : 34Γ349)在A3鋼上用激光快速熔凝含稀土的涂層以獲得含稀土較多的表面改性層，得出稀土的加入可實(shí)現(xiàn)微合金化、凈化晶界、細(xì)化晶粒、抑制柱狀晶生長(zhǎng)，偏聚于晶界改善晶界狀態(tài)。姚寧娟(參見姚寧娟，侯立群，陸偉，陳鎧.中國(guó)表面工程，2002，55(2) : Γ3)研究了激光熔覆處理后對(duì)涂層進(jìn)行熱處理的顯微組織，得出后熱處理可改善變形和表面應(yīng)力狀態(tài)、細(xì)化組織、提高硬度等。無論是在熔覆材料中添加變質(zhì)劑，還是熔覆后熱處理都一定程度上增加熔覆件的成本，并且耗能耗材、熔覆效率低。采用外加磁場(chǎng)控制金屬凝固過程，具有附加裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高和耗能少等特點(diǎn)，引起了研究者的廣泛興趣。早在1965年，W. C. Johnson等就對(duì)磁場(chǎng)作用下的金屬凝固進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)正在凝固的金屬施加一個(gè)交變磁場(chǎng)后，可以減小等軸晶區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸，同時(shí)還可以減小柱狀晶區(qū)的相對(duì)體積。1983年，T. A. El-Bassyouni用試驗(yàn)證明，單一的交變磁場(chǎng)同樣能夠明顯細(xì)化晶粒。目前，交變磁場(chǎng)被廣泛用于控制焊接熔池凝固過程，因其在焊接區(qū)產(chǎn)生電磁力，對(duì)液態(tài)金屬起到一定的攪拌作用，使其在塑性環(huán)中運(yùn)動(dòng)起來，可以破碎柱狀晶，得到等軸晶，并且使組織得到細(xì)化，提高焊縫的力學(xué)性能，降低氣孔、裂紋等焊接缺陷的敏感性，被稱為“無缺陷焊接”。經(jīng)過進(jìn)一步檢索，尚未發(fā)現(xiàn)利用外加交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法及其專用裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法及其專用裝置，解決激光熔覆涂層存在裂紋、氣孔、組織不均勻、熔覆層溫度梯度大等問題。本發(fā)明通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法，用常規(guī)送粉式激光熔覆在基材表面制備復(fù)合涂層，施加交變磁場(chǎng)作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆的過程在交變磁場(chǎng)下進(jìn)行，且交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線方向與激光熔覆的掃描速度方向相垂直。所述交變磁場(chǎng)為磁力線方向交替變化的磁場(chǎng)。所述交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電流為O 9A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為O 47. 7mT。本發(fā)明的另一目的在于提供上述交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的裝置，包括冷卻器1、C02激光器2、氬氣保護(hù)裝置3、同步送粉器4、夾具裝置5、交變磁場(chǎng)6、熔覆基體7、數(shù)控操作臺(tái)8，其中，冷卻器I與CO2激光器2相連，CO2激光器2上設(shè)置激光槍頭9，同步送粉器4與氬氣保護(hù)裝置3相連，氬氣保護(hù)裝置3與激光槍頭9相連，同步送粉器4向通過保護(hù)氣體噴嘴I向夾具裝置5上的熔覆基體7噴送復(fù)合層粉末，交變磁場(chǎng)6設(shè)置在熔覆基體7下方，數(shù)控操作臺(tái)8與冷卻器I、CO2激光器2、同步送粉器4、夾具裝置5相連。操作時(shí)，先將待熔覆基體表面進(jìn)行打磨、除油后用無水乙醇和丙酮反復(fù)清洗，并將其用夾具裝置5固定于載物臺(tái)上；將合金粉末或金屬陶瓷復(fù)合粉末置于干燥箱中100 150°C干燥10h，待冷卻后加入送粉器中；將激光束聚焦之后輻照在磁力線區(qū)域內(nèi)，采用同步送粉方式，使交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線方向與激光熔覆的掃描速度方向相垂直進(jìn)行激光熔覆處理，同時(shí)通入高純氬氣保護(hù)，獲得復(fù)合涂層。通過設(shè)計(jì)的電路及作用線圈而構(gòu)成的交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置，利用其產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用于激光熔池，加速熔池內(nèi)液態(tài)金屬的對(duì)流，以實(shí)現(xiàn)改善熔覆層凝固組織并使其細(xì)化的目的。當(dāng)線圈通入一定頻率的交變電流時(shí)，在激光熔池內(nèi)部將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，磁場(chǎng)與感應(yīng)電流之間發(fā)生電磁作用，產(chǎn)生沿徑向?qū)⑷廴诮饘倮x熔覆層中心的交變電磁力，從而使熔融金屬產(chǎn)生了規(guī)則的波動(dòng)。這種波動(dòng)對(duì)凝固過程的影響與通常的強(qiáng)化對(duì)流產(chǎn)生的影響是沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別的，其可使凝固過程中正在生長(zhǎng)的樹枝晶或難以長(zhǎng)大，或被折斷、擊碎，成為新的晶核，從而細(xì)化熔覆層凝固組織；另一方面，由于激光熔池液態(tài)金屬對(duì)流被強(qiáng)化，也可緩解熔覆層的裂紋、氣孔和組織化學(xué)成分不均勻等問題。本發(fā)明方法具有以下明顯優(yōu)勢(shì)
(1)本發(fā)明可顯著細(xì)化熔覆層的凝固組織；當(dāng)線圈通入一定頻率的交變電流時(shí)，就會(huì)在金屬熔體與磁場(chǎng)線圈之間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過控制交變磁場(chǎng)的強(qiáng)度就可改變?nèi)鄹矊幽探M織形態(tài)，細(xì)化晶粒；
(2)本發(fā)明的裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高等特點(diǎn)；
(3)無污染、且節(jié)能節(jié)材。由于交變磁場(chǎng)作用不直接接觸激光熔池金屬，不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生污染。


圖I為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，I-冷卻器、2_0)2激光器、3-氬氣保護(hù)裝置、4-同步送粉器、5-夾具裝置、6-交變磁場(chǎng)、7-熔覆基體、8-數(shù)控操作臺(tái)、9-激光槍頭；
圖2為交變磁場(chǎng)控制的原理示意 圖3為實(shí)施例I未加磁場(chǎng)時(shí)熔覆所得涂層截面的顯微組織 圖4為實(shí)施例2的熔覆所得涂層截面的顯微組織 圖5為實(shí)施例3的熔覆所得涂層截面的顯微組織圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步理解。實(shí)施例I
如圖1，交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的裝置，包括冷卻器UCO2激光器2、氬氣保護(hù)裝置3、同步送粉器4、夾具裝置5、交變磁場(chǎng)6、熔覆基體7、數(shù)控操作臺(tái)8，其中，冷卻器I與CO2激光器2相連，CO2激光器2上設(shè)置激光槍頭9，同步送粉器4與氬氣保護(hù)裝置3相連，氬氣保護(hù)裝置3與激光槍頭9相連，同步送粉器4向通過保護(hù)氣體噴嘴I向夾具裝置5上的熔覆基體7噴送復(fù)合層粉末，交變磁場(chǎng)6設(shè)置在熔覆基體7下方，數(shù)控操作臺(tái)8與冷卻器I、CO2激光器2、同步送粉器4、夾具裝置5相連。
先將待熔覆IOOmmX IOmmX IOmm的碳鋼基體表面進(jìn)行打磨、除油后用無水乙醇和丙酮反復(fù)清洗，并將其用夾具裝置5固定于載物臺(tái)上JfFe55合金粉末(化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 O. 8 3. 5 C，15 30 Cr，2. O 5. O Si，2. O 3. 5 B，10 20Ni，余量 Fe)置于干燥箱中100 150°C干燥10h，待冷卻后加入送粉器中；將激光束聚焦之后輻照在磁力線區(qū)域內(nèi)，采用同步送粉方式進(jìn)行激光熔覆處理，同時(shí)通入高純氬氣保護(hù)，交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電流為0A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為OmT，獲得復(fù)合涂層。所獲得涂層縱向截面形貌圖如圖3所示。激光掃描的垂直方向用線切割截取試樣，表面經(jīng)研磨拋光后用王水腐蝕，并利用LEICA DFC280光學(xué)圖像分析系統(tǒng)研究熔覆層截面顯微組織。實(shí)施例2
方法和裝置均與實(shí)施例I相同，僅交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電流為5A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為32. OmT。所獲得涂層縱向截面形貌圖如圖4所示。實(shí)施例3
方法和裝置均與實(shí)施例I相同，僅交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電流為9A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為47. 7mT。所獲得涂層縱向截面形貌圖如圖5所示。從圖3中可看出熔覆層主要由生長(zhǎng)方向不一的細(xì)長(zhǎng)柱狀枝晶組成，頂部枝晶細(xì)小而發(fā)達(dá)，出現(xiàn)典型的外延柱狀生長(zhǎng)特點(diǎn)。從圖4、5中可明顯看出熔覆層組織由柱狀枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，晶粒尺寸細(xì)小且分布均勻。通過以上的對(duì)比分析，可得出相比未加交變磁場(chǎng)作用的涂層，在激光熔覆過程中施加一定強(qiáng)度的交變外磁場(chǎng)，可使凝固過程中樹枝晶或難以長(zhǎng)大，或被折斷、擊碎，成為新的晶核，改善熔覆層凝固組織并使其細(xì)化；另一方面，由于激光熔池液態(tài)金屬對(duì)流被強(qiáng)化，也可緩解熔覆層的裂紋、氣孔和組織化學(xué)成分不均勻等問題，從而獲得高質(zhì)量的熔覆層。以上所述實(shí)例僅表達(dá)了本發(fā)明的實(shí)施方式，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，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和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法，用常規(guī)送粉式激光熔覆在基材表面制備復(fù)合涂層，其特征在于所述激光熔覆時(shí)施加交變磁場(chǎng)作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆的過程在交變磁場(chǎng)下進(jìn)行，且交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線方向與激光熔覆的掃描速度方向相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法，其特征在于所述交變磁場(chǎng)為磁力線方向交替變化的磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法，其特征在于所述交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電流為O 9A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為O 47. 7mT。
4.一種權(quán)利要求I所述交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法的裝置，其特征在于包括冷卻器(1)、C02激光器(2)、氬氣保護(hù)裝置(3)、同步送粉器(4)、夾具裝置(5)、交變磁場(chǎng)(6 )、熔覆基體(7 )、數(shù)控操作臺(tái)(8 )，其中，冷卻器(I)與CO2激光器(2 )相連，CO2激光器(2 )上設(shè)置激光槍頭(9 )，同步送粉器(4 )與氬氣保護(hù)裝置(3 )相連，氬氣保護(hù)裝置(3 )與激光槍頭(9)相連，同步送粉器(4)向通過保護(hù)氣體噴嘴(I)向夾具裝置(5)上的熔覆基體(7)噴送復(fù)合層粉末，交變磁場(chǎng)(6)設(shè)置在熔覆基體(7)下方，數(shù)控操作臺(tái)(8)與冷卻器(I)、CO2激光器(2)、同步送粉器(4)、夾具裝置(5)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的方法及其裝置，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。用常規(guī)送粉式激光熔覆在基材表面制備復(fù)合涂層，激光熔覆時(shí)施加交變磁場(chǎng)作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆過程在交變磁場(chǎng)下進(jìn)行，且交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線方向與激光熔覆的掃描速度方向相垂直。交變磁場(chǎng)細(xì)化激光熔覆層凝固組織的裝置包括冷卻器、CO2激光器、氬氣保護(hù)裝置、同步送粉器、夾具裝置、交變磁場(chǎng)、熔覆基體、數(shù)控操作臺(tái)。本發(fā)明顯著細(xì)化熔覆層的凝固組織；當(dāng)線圈通入一定頻率的交變電流時(shí)，就會(huì)在金屬熔體與磁場(chǎng)線圈之間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過控制交變磁場(chǎng)的強(qiáng)度就可改變?nèi)鄹矊幽探M織形態(tài)，細(xì)化晶粒；本發(fā)明的裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102703898SQ20121022559
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者劉洪喜, 唐淑君, 張曉偉, 王傳琦, 蔣業(yè)華, 蔡川雄 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)