本發(fā)明涉及一種局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法。

背景技術(shù)：

激光熔覆成形是以“離散－堆積”原理為基礎(chǔ)的微冶金堆積成形過程，因其具有冷卻速度快、變形小、熔覆層性能優(yōu)異等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度、比高度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天化工醫(yī)療以及體育器械等領(lǐng)域。但是鈦合金的表面熔覆及成形具有特殊的要求。因?yàn)榻饘兮伵c空氣中的氫、氧、氮和碳的化合力很強(qiáng)，這樣就造成了鈦及鈦合金在熔煉和加工中的復(fù)雜性。其熔煉和燒結(jié)等工藝過程都要求在高度的真空或純化的惰性氣氛(如氬、氦等)中進(jìn)行。如中國專利申請(qǐng)第cn104439707a號(hào)、中國專利申請(qǐng)第cn104384706a號(hào)、馬來西亞專利申請(qǐng)第my150484a號(hào)中所述，目前國內(nèi)外在進(jìn)行鈦合金激光熔覆及成形中均要在專門的惰性氣氛室，其中充滿純化的惰性氣氛環(huán)境中進(jìn)行。此外，鎂、鋁等金屬及其合金等在激光熔覆與成形過程中也極易與空氣中的成分反應(yīng)，需要惰性氣氛環(huán)境保護(hù)。

惰性保護(hù)氣氛室能夠保護(hù)金屬及合金熔池凝固降溫過程不被氧化，是目前金屬及合金激光成形及焊接廣泛使用的一種加工保護(hù)方式。但這種成形方式存在一些局限性：(1)建立氣氛室及維持氣氛室氛圍濃度成本較高：(2)成形件尺寸要受到氣氛室尺寸所限，無法成形熔覆大型或超大型構(gòu)件；(3)因氣氛室難以移動(dòng)，這就限制了整個(gè)激光成形系統(tǒng)無法到零件損壞現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地修復(fù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法，該方法方便、快捷、經(jīng)濟(jì)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法，如下：

金屬或合金粉束由惰性載體氣體輸送隨聚焦激光束在加工表面移動(dòng)；

在所述金屬或合金粉束的外圍形成至少一層惰性保護(hù)氣體。

進(jìn)一步的：所述金屬或合金粉束以及惰性載體氣體與聚焦激光束同軸線，且噴射方向一致。

進(jìn)一步的：于所述金屬或合金粉束的中心線沿徑向上，每層所述惰性保護(hù)氣體的厚度依次增加。

進(jìn)一步的：其特征在于，所述惰性保護(hù)氣體包括第一惰性保護(hù)氣體，所述第一惰性保護(hù)氣體圍繞在所述聚焦激光束的外圍。

進(jìn)一步的：所述第一惰性保護(hù)氣體呈錐形或倒錐形或柱形。

進(jìn)一步的：所述第一惰性保護(hù)氣體的厚度為1mm以上。

進(jìn)一步的：所述方法用于熔覆工藝中，所述第一惰性保護(hù)氣體的流量與熔覆工藝參數(shù)匹配模型如下：

惰性保護(hù)氣體的厚度：1～30mm；

激光功率：300～1500w；

掃描速度：3～20mm/s；

送粉速度:8～32g/min；

惰性保護(hù)氣體流量:2～10l·min^-1；

惰性保護(hù)氣體壓強(qiáng)：0.02～0.08mp。

進(jìn)一步的：所述惰性保護(hù)氣體還包括第二惰性保護(hù)氣體，所述第二惰性保護(hù)氣體，形成在所述聚焦激光束與金屬或合金粉束之間。

進(jìn)一步的：所述第二惰性保護(hù)氣體呈圓柱形或者橢圓柱形或者收斂錐形或者發(fā)散錐形。

進(jìn)一步的：所述惰性保護(hù)氣體包括氦、氬、氖、氪、氙中的一種或以上的混合氣體。

本發(fā)明的有益效果在于：通過在聚焦激光束的外圍形成惰性保護(hù)氣體以解決零件成形時(shí)遇到的尺寸受限、成本高昂、熔覆成形系統(tǒng)難以移動(dòng)等問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比，對(duì)現(xiàn)場零件的成形和修復(fù)提供了一個(gè)方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的方法。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例所示的局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法的流程圖；

圖2為用于圖1所示的方法的光內(nèi)同軸噴頭送粉的示意圖；

圖3是使用圖1所示的方法后的實(shí)驗(yàn)照片；

圖4a是圖3所成形件直壁墻中部組織的sem照片；

圖4b是圖3所成形件的第一部分熔覆層與基體結(jié)合處的sem照片；

圖4c是圖3所成形件的第二部分熔覆層與基體結(jié)合處的sem照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的一種局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法用于熔覆工藝中，主要用于保護(hù)鈦、鎂鋁及其合金等易于空氣反應(yīng)的材料，該方法實(shí)質(zhì)是采用局部氣氛室鈦或鈦合金激光成形。局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法如下：金屬或合金粉束由惰性載體氣體輸送隨聚焦激光束在加工表面移動(dòng)；在所述金屬或合金粉束的外圍形成至少一束惰性保護(hù)氣體。通過在金屬或合金粉束的外圍設(shè)置惰性保護(hù)氣體以使該惰性保護(hù)氣體與惰性載體氣體通過形成局部惰性氣氛環(huán)境，從而隔絕空氣中的氧和氮與加工過程的金屬或合金發(fā)生反應(yīng)。所述金屬或合金粉束以及惰性載體氣體與聚焦激光束同軸線，且噴射方向一致，由于，惰性保護(hù)氣體與所述金屬或合金粉束以及惰性載體氣體同軸線并且噴射方向一致，兩層及以上層的惰性氣體之間不易發(fā)生干涉，一方面不會(huì)將合金粉束吹散，另一方面形成局部的惰性氣體層流氣簾，有利于阻隔外部空氣進(jìn)入，提高局部惰性氣氛濃度。當(dāng)該惰性保護(hù)氣體為至少兩層時(shí)，于所述金屬或合金粉束的中心線沿徑向上，每層所述惰性保護(hù)氣體的厚度依次增加。

請(qǐng)結(jié)合圖1及結(jié)合圖2，在本實(shí)施例中，以鈦合金為例，該局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法如下：

s1：鈦合金粉束隨惰性載體氣體(由于圖1中標(biāo)號(hào)1表示載有鈦合金粉束的惰性載體氣體的混合材料)在聚焦激光束2中移動(dòng)；

s2：所述聚焦激光束2的外圍形成圍繞所述聚焦激光束2的惰性保護(hù)氣體。

所述鈦合金粉束與聚焦激光束2的布局方式為：聚焦激光束2中空，鈦合金粉束居中。在所述熔覆工藝中，單根粉管位于中空環(huán)形的聚焦激光束2內(nèi)，由惰性載體氣體1運(yùn)載鈦合金粉末，將鈦合金粉末送出。該聚焦激光束2形成方式如下：激光光束經(jīng)分光、擴(kuò)束、聚焦以形成所述聚焦激光束2。所述聚焦激光束2為錐形光束。

在本實(shí)施例中，所述惰性保護(hù)氣體包括第一惰性保護(hù)氣體3和第二惰性保護(hù)氣體4，所述金屬或合金粉束以及第一惰性載體氣體3、第二惰性保護(hù)氣體4與聚焦激光束2同軸線，且噴射方向一致。所述第一惰性保護(hù)氣體3圍繞在所述聚焦激光束2的外圍，所述第二惰性保護(hù)氣體4形成在所述聚焦激光束2與金屬或合金粉束之間。所述惰性保護(hù)氣體包括氦(he)、氬(ar)、氖(ne)、氪(kr)、氙(xe)中的一種或以上的混合氣體。

在本實(shí)施例中，所述第一惰性保護(hù)氣體3呈錐形，其緊密包圍在鈦合金粉束的外側(cè)，所述第一惰性保護(hù)氣體3具有一定的厚度，具體的：第一惰性保護(hù)氣體3的厚度一般為1mm以上。為了保證形成鈦合金冶金熔道，及當(dāng)局部第一惰性保護(hù)氣體3移走后，熔池溫度已降至鈦合金氧化溫度以下，以保證熔池凝固過程不會(huì)氧化，需將第一惰性保護(hù)氣體3的流量、激光掃描速度、鈦合金送粉量、激光功率等工藝參數(shù)進(jìn)行匹配，該第一惰性保護(hù)氣體3的流量與熔覆工藝參數(shù)匹配模型如下：第一惰性保護(hù)氣體3的氣簾尺寸(厚度)：1～30mm；激光功率：300～1500w；掃描速度：3～20mm/s；送粉速度:8～32g/min；第一惰性保護(hù)氣體3的流量:2～10l·min^-1；第一惰性保護(hù)氣體3的壓強(qiáng)：0.02～0.08mp。在其他實(shí)施方式中，該第一惰性保護(hù)氣體3還可以呈倒錐形或柱形。在本實(shí)施例中采用第一惰性保護(hù)氣體3采用錐形的目的在于貼合聚焦激光束2，以進(jìn)一步防止鈦合金在熔覆成形的過程中氧化。

本實(shí)施例中，設(shè)置第二惰性保護(hù)氣體4一方面對(duì)送出的鈦合金粉束進(jìn)行準(zhǔn)直，另一方面可加強(qiáng)局部惰性氣氛環(huán)境的氣體濃度。所述所述第二惰性保護(hù)氣體呈圓柱形，當(dāng)然，在其他實(shí)施方式中，該第二惰性保護(hù)氣體還可以呈橢圓柱形或者收斂錐形或者發(fā)散錐形。所述第二惰性保護(hù)氣體的厚度小于第一惰性保護(hù)氣體的厚度。

為了更清楚的說明本發(fā)明的效果，現(xiàn)采用上述方法形成直壁墻，第一惰性保護(hù)氣體3的流量與熔覆工藝參數(shù)匹配模型參數(shù)如下：

通過上述方法所得到的實(shí)驗(yàn)照片如圖3，在圖3中，標(biāo)號(hào)1的一側(cè)直壁墻為第一部分，標(biāo)號(hào)2的一側(cè)直壁墻為第二部分，上述實(shí)驗(yàn)照片在顯微鏡下觀察的sem照片(見圖4a至4c)，通過sem照片可知：熔覆層組織致密，無氣孔無裂紋；熔覆層與基體結(jié)合處較好。

綜上所述：本發(fā)明的局部氣氛保護(hù)金屬或合金激光熔覆及成形方法通過在聚焦激光束2的外圍形成的惰性保護(hù)氣體以解決臨建形成時(shí)遇到的尺寸受限、成本高昂、熔覆成形系統(tǒng)難以移動(dòng)等問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比，對(duì)現(xiàn)場零件的成形和修復(fù)提供了一個(gè)方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的方法。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(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)。