脈沖電流細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】。該包括以下過程：在導電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處，進行激光熔覆；在激光熔覆的同時施加脈沖電流作用于熔池，激光熔覆過程結(jié)束時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)明可顯著細化激光熔覆時熔覆層的凝固組織，并使得組織分布更加均勻；當脈沖電流作用于熔體時，通過調(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程，以獲得細化的晶粒和均勻的組織成分。
【專利說明】脈沖電流細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]隨著社會的快速進步和發(fā)展，人們對支撐現(xiàn)代社會發(fā)展的三大支柱之一——“材料”的性能要求越來越高。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。激光熔覆技術(shù)是一種先進的表面改性技術(shù)。它通過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、對基體材料的適用范圍寬、改善性能幅度大的優(yōu)點而獲得了廣泛、深入的發(fā)展和應用。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]為了解決上述問題，部分研究人員嘗試了多種方法，如對熔覆層進行后續(xù)熱處理、在激光熔覆時輔以電磁攪拌等。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)部殘余應力，卻也容易導致晶粒粗大，降低其屈服強度。而使用電磁攪拌輔助激光熔覆，雖能細化晶粒，卻容易在熔池里攪入空氣生成金屬氧化物，且設(shè)備龐大、操作復雜，較難實現(xiàn)工業(yè)推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提 供一種脈沖電流細化激光熔覆層凝固組織、促進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)明通過下列技術(shù)方案實現(xiàn):一種脈沖電流細化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法，在導電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處，進行激光熔覆；在激光熔覆的同時施加脈沖電流作用于熔池，激光熔覆過程結(jié)束時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]通過設(shè)計的涂層制備裝置，在電流的作用下，熔池附近部分接觸到電流的粉末對激光的吸收率會提升(參見陳君，張群莉，姚建華等.激光技術(shù)，2009，33 (2):121~123)，增加其熔化幾率，進而提高粉末的利用率。將脈沖電源作用于熔池，還可以實現(xiàn)細化凝固組織、促進成分均勻分布的目的。當脈沖電流作用于熔池時，根據(jù)Maxwell方程可知，變化的電場會產(chǎn)生變化的磁場。在磁場的作用下，導電流體會出現(xiàn)向其中心軸收縮的現(xiàn)象，即磁致收縮效應。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的熔體被反復壓縮。這一方面增加了熔池內(nèi)部物質(zhì)流動，使得組織分布更均勻，另一方面會碎斷熔池邊界剛剛形成的枝晶，進入熔池內(nèi)部形成新的晶核。此外，一定強度的電脈沖可以提高熔池內(nèi)原子團簇的數(shù)量，從而提升形核率，達到細化晶粒的作用。經(jīng)過試驗驗證，發(fā)現(xiàn)脈沖電流均值大于6A即可產(chǎn)生細晶效果?？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化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法的裝置，用于對導電基體的待加工區(qū)熔覆金屬涂層，其特征在于:
該裝置包括工控機、送粉器、反光鏡、激光器、第一電極和第二電極、脈沖電源；上述工控機的第一輸出端與送粉器相連，工控機第二輸出端與激光器相連，工控機的第三輸出端與脈沖電源相連，脈沖電源的正負極分別于第一電極、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]送粉器通過送粉噴嘴向基體表面噴施粉末，激光器通過反光鏡向基體表面輸出激光進行熔覆。與此同時，脈沖電源通過電極向基體及熔覆層輸入電流，工控機控制激光器、送粉器及脈沖電源的開、關(guān)及工作參數(shù)。
[0009]所述的脈沖電流細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，脈沖電流在基體、熔覆層及熔池的分布情況受形狀、電導率影響較大。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、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 ;所用的保護氣體為惰性氣體。上述參數(shù)均為激光熔覆實踐中的常用參數(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以下規(guī)則確定:由第一電極和第二電極確定的電場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的分布情況。為了獲得最佳的熔覆效果，應將第一電極和第二電極置于適當?shù)奈恢?，使其所確定的電場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:
(1)本發(fā)明中，脈沖電流的加入能提高粉末對激光的吸收率，進而提高激光熔覆時粉末的利用率，節(jié)約貴重材料；
(2)本發(fā)明可顯著細化激光熔覆時熔覆層的凝固組織，并使得組織分布更加均勻；當脈沖電流作用于熔體時，通過調(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程，以獲得細化的晶粒和均勻的組織成分；
(3)本發(fā)明的裝置簡單、操作方便，且成本低、效果明顯；
(4)本發(fā)明僅在激光熔覆時加入了脈沖電流的作用，無雜質(zhì)加入，未產(chǎn)生污染物質(zhì)，對環(huán)境友好。
【專利附圖】

【附圖說明】[0013]圖1為所述脈沖電流細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；
圖中標號名稱:1、工控機，2、送粉器,3、反光鏡,4、激光器,5、第一電極,6、導電基體,7、第二電極，8、脈沖電源，9、待加工區(qū)。
【具體實施方式】
[0014]以下提供運用本發(fā)明方法的實例，以對本發(fā)明作進一步的理解。
[0015]實施例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(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)。送粉器通過送粉噴嘴向基體表面噴施粉末，激光器通過反光鏡向基體表面輸出激光進行熔覆。與此同時，脈沖電源通過電極向基體及熔覆層輸入電流，工控機控制激光器、送粉器及脈沖電源的開、關(guān)及工作參數(shù)。
[0016]先將待熔覆100mm*10mm*10mmGH4169基體(化學成分見圖2)表面進行打磨、除油后用無水乙醇和丙酮清洗干凈， 然后將其固定于工作臺，接著將電極固定于基體表面。將FGH95粉末(化學成分見圖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行激光熔覆處理，同時通入氬氣保護。采用的加工參數(shù)為:激光功率1600W，光斑直徑為2mm，光斑移動速率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]實施例2
所用方法和裝置均與實施例1相同，僅在激光熔覆的同時，打開脈沖電源開關(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]實施例3
所用方法和裝置均與實施例1相同，僅在激光熔覆的同時，打開脈沖電源開關(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，晶粒細化效果更明顯。
[0021]以上所述實例僅表達了本發(fā)明的實施方式，但不能因此理解為對本發(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，這些都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。該范圍應以本發(fā)明專利的所附權(quán)利要求為準。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖電流細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程: 在導電基體表面將金屬粉末送至激光光斑處，進行激光熔覆； 在激光熔覆的同時施加脈沖電流作用于熔池，激光熔覆過程結(jié)束時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 ;所用的保護氣體為惰性氣體。
5.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述脈沖電流細化激光熔覆金屬涂層凝固組織的方法的裝置，用于對導電基體(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(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(I)的第一輸出端與送粉器(2)相連,工控機(I)的第二輸出端與激光器(4)相連，工控機(I)的第三輸出端與脈沖電源(8)相連，脈沖電源的正負極分別于第一電極(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)的位置通過以下規(guī)則確定:由第一電極(5)和第二電極(7 )確定的電場中電流密度最大處位于待加工區(qū)(9 )。
【文檔編號】C23C24/10GK103602977SQ201310414396
【公開日】2014年2月26日 申請日期: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, 田宗軍, 沈理達, 高雪松 申請人:南京航空航天大學