專利名稱：一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬零部件的腐蝕、磨損及疲勞斷裂等重要損傷，所帶來(lái)的破壞與經(jīng)濟(jì)損失是十分驚人的，如美國(guó)1995年因腐蝕造成的損失達(dá)3000億美元，我國(guó)每年因磨擦磨損導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000億元。因此，采用表面改性、涂覆等方法，提高金屬零部件的表面性能，修復(fù)、 控制或防止表面損壞，可延長(zhǎng)其服役壽命，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。常規(guī)的表面涂覆方法有電鍍、熱噴涂、堆焊與激光熔覆等。其中，電鍍具有工藝簡(jiǎn)單、操作方法與加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但電鍍層很薄，一般小于0. 3微米，與基體結(jié)合差，加工大型工件時(shí)會(huì)出現(xiàn)電力線分布不均導(dǎo)致不能形成連續(xù)且厚度均勻的電鍍層；熱噴涂制備的涂層表面粗糙，其內(nèi)存在大量氣孔與微裂紋，涂層與基體之間為機(jī)械結(jié)合，使用一段時(shí)間后涂層易剝落；堆焊由于熱源的輸入功率較大，對(duì)于含有陶瓷相的復(fù)合材料，陶瓷相易發(fā)生大量的燒損，導(dǎo)致涂層的硬度與耐磨性降低，而且容易使涂層的稀釋率與基材的熱影響區(qū)變大，導(dǎo)致基材發(fā)生嚴(yán)重的變形。激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面強(qiáng)化技術(shù)，它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起快速熔化并快速凝固結(jié)晶形成涂層的一種方法。相對(duì)于其它表面強(qiáng)化技術(shù)而言，激光熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)激光束方向可控性好，易于實(shí)現(xiàn)選區(qū)加工；(2)激光束能量密度高，在熔覆過程可以將基材的熱影響區(qū)與熱變形降低到最小程度；(3)涂層的顯微組織致密、稀釋率低且可控，與基體呈結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合，在服役的過程中不易剝落；(4)激光熔覆技術(shù)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，自動(dòng)化程度高。但是，到目前為止，激光熔覆技術(shù)并未在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，關(guān)鍵原因有兩個(gè)一是激光熔覆效率偏低，導(dǎo)致加工成本過高；二是熔覆層易產(chǎn)生裂紋，限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，尋求一種操作方便，加工成本低，且能夠提高效率與消除激光熔覆層裂紋的方法成為了研究人員一直追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，它是利用激光分束鏡將同一波長(zhǎng)的激光束分成兩束激光，一束用于對(duì)基材表面進(jìn)行預(yù)熱處理，其目的是提高基材對(duì)另一束激光的吸收率以及消除熔覆層的裂紋；另一束激光用于熔化基材表面形成熔池與熔化合金粉末。因此，在激光熔覆過程中，采用窄斑與基材預(yù)熱的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率與降低激光熔覆過程中的溫度梯度，從而在高效率條件下獲得無(wú)裂紋的高性能涂層。本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征是方法步驟為
(1)對(duì)基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理，基材可以為碳鋼、合金鋼、鑄鐵；
3(2)采用具有定分光比的激光分束鏡將波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成兩束激光，經(jīng)聚焦后作用于基材表面；
(3)第一束激光為預(yù)熱激光束，主要用于對(duì)基材表面進(jìn)行預(yù)熱處理，提高基材對(duì)第二束激光的吸收率，預(yù)熱的溫度為20(T950°C，第二束激光為熔覆激光束，主要用于熔化基材表面形成熔池與熔化合金粉末，并作用于基材表面且位于第一束激光運(yùn)動(dòng)方向的后面，其中， 激光器的功率為0. 5^8 kW，分成兩束激光后，預(yù)熱激光束的功率為0. 15^3. 2 kW，熔覆激光束的功率為3 5. 6 kW，兩束激光經(jīng)聚焦后在基材表面的光斑直徑為1. 2^2 mm ；
(4)利用自動(dòng)送粉器的粉末噴嘴將合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池內(nèi)，熔化后在基材表面鋪展開，當(dāng)?shù)诙す膺\(yùn)動(dòng)移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層，其中，激光掃描速度為0.8 25 m/min，粉末流量為1(T60 g/min，粉末噴嘴與熔覆激光束的夾角為3(Γ50°，與基材表面的垂直距離為6 10 mm，粉末粒度為一 18(T + 320目；
(5)當(dāng)激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其移動(dòng)的距離為激光光斑直徑的8(Γ40% ；
(6)檢測(cè)涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)—(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。在進(jìn)行所述的步驟(2)時(shí)，激光分束鏡為雙面拋光的Κ9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比為30% 70%與40% :60%。在進(jìn)行所述的步驟(3)時(shí)，第二束激光作用于第一束激光運(yùn)動(dòng)方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為2 7 mm。在進(jìn)行所述的步驟(4)時(shí)，合金粉末為摻入有(Γ90 wt. %的強(qiáng)化相顆粒的Ni基、 Co基、!^e基與Cu基合金粉末，其中強(qiáng)化相顆粒為碳化物如WC、SiC與TiC，硼化物如TB2與 0 ，硅化物如MoSi2與WSi2，氧化物如Al2O3JrO2，金屬間化合金物i^eAl、NiAl與TiAl等。在進(jìn)行所述的步驟(5)時(shí)，將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)激光光斑直徑的8(T40%m，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率40、0%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)無(wú)需體積龐大、預(yù)熱速度慢且裝卸不方便的加熱爐，激光加工效率相對(duì)常規(guī)的激光熔覆技術(shù)最大可以提高40倍，使加工成本大幅度降低；(2)涂層組織致密，稀釋率低且可控，無(wú)氣孔與裂紋，具有硬度高、耐磨與耐蝕等優(yōu)異的性能；(3)操作方便，自動(dòng)化程度高，在航空航天、冶金機(jī)械、汽車模具、石化與電力等工業(yè)領(lǐng)域中關(guān)鍵零部件的表面強(qiáng)化與修復(fù)方面具有廣泛應(yīng)用的潛力。


圖1為本發(fā)明一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥表面采用同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法制備M基合金涂層，該涂層的厚度為2mm。本實(shí)施例的實(shí)施過程為，如圖1所示。(1)采用打磨機(jī)對(duì)70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面進(jìn)行除銹處理，然后用體積比為1 1的氫氧化鈉與碳酸鈉的混合溶液除油，再用純凈水清洗并烘干，最后進(jìn)行噴砂處理；
(2)采用具有定分光比的激光分束鏡11將波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG激光器2發(fā)出的激光束分成激光束Ll與激光束L2，激光束Ll經(jīng)反射鏡12反射與聚焦鏡8聚焦后作用于 70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面，激光束L2經(jīng)聚焦鏡3聚焦后作用于70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9 的表面。其中，激光分束鏡11為雙面拋光的Κ9玻璃，分光比為40% 60% ；
(3)第一束激光Ll為預(yù)熱激光束，主要用于對(duì)70Μη2Μο鑄鋼熱軋輥9的表面進(jìn)行預(yù)熱處理，提高70Μη2Μο鑄鋼熱軋輥9對(duì)第二束激光L2的吸收率與降低激光熔覆過程中的溫度梯度，預(yù)熱的溫度為600°C，第二束激光L2為熔覆激光束，主要用于熔化70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面形成熔池4與熔化合金粉末7，并作用于70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面且位于第一束激光Ll運(yùn)動(dòng)方向的后面，使激光束Ll與激光束L2在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面的光斑中心間距為4 mm。其中，激光器的功率為4 kW，分成兩束激光后，預(yù)熱激光束的功率為1.6 kW，熔覆激光束的功率為2. 4 kW，激光束Ll與激光束L2分別經(jīng)聚焦鏡8與聚焦鏡 3聚焦后在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面的光斑直徑為1. 5 mm ；
(4)利用自動(dòng)送粉器5的粉末噴嘴6將鎳基合金粉末7吹入第二束激光L2在70Mn2Mo 鑄鋼熱軋輥9的表面形成的熔池4內(nèi)，熔化后在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面鋪展開，當(dāng)?shù)诙す釲2運(yùn)動(dòng)移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層13。其中，利用計(jì)算機(jī)1調(diào)節(jié)激光掃描速度為15 m/min與粉末流量為40 g/min，粉末噴嘴6與熔覆激光束L2的夾角為 35°，與70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面的垂直距離為8 mm,鎳基合金粉末7的化學(xué)成分為 0.5 0.8wt.% C，3· 0 6· Owt. % Si，3. 5 5. Owt. % B，12 18wt. % Cr，12. 0 18wt. % Fe，余量為 Ni，其粒度為一 180 + 320目；
(5)當(dāng)激光熔覆完一道之后，利用計(jì)算機(jī)1將數(shù)控機(jī)床10沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)激光光斑直徑的8(Γ40%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為40 - 80% ；
(6)檢測(cè)涂層13的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)- (5)，直到涂層13達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。實(shí)施例2
采用同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法在液壓缸活塞桿表面熔覆WC-12 wt. % Co，該涂層的厚度為1. 8 mm，液壓缸活塞桿的材質(zhì)為35號(hào)鋼。(1)采用打磨機(jī)對(duì)液壓缸活塞桿9的表面進(jìn)行除銹處理，然后用體積比為1 :1的氫氧化鋼與碳酸鈉的混合溶液除油，再用純凈水清洗并烘干，最后進(jìn)行噴砂處理；
(2)采用具有定分光比的激光分束鏡11將波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG激光器2發(fā)出的激光束分成激光束Ll與激光束L2，激光束Ll經(jīng)反射鏡12反射與聚焦鏡8聚焦后作用于液壓缸活塞桿9的表面，激光束L2經(jīng)聚焦鏡3聚焦后作用于液壓缸活塞桿9的表面。其中， 激光分束鏡11為雙面拋光的紫外石英玻璃，分光比為30% 70% ；
(3)第一束激光Ll為預(yù)熱激光束，主要用于對(duì)液壓缸活塞桿9的表面進(jìn)行預(yù)熱處理， 提高液壓缸活塞桿9對(duì)第二束激光L2的吸收率與降低激光熔覆過程中的溫度梯度，預(yù)熱的溫度為950°C，第二束激光L2為熔覆激光束，主要用于熔化液壓缸活塞桿9的表面形成熔池 4與熔化合金粉末7，并作用于液壓缸活塞桿9的表面且位于第一束激光Ll運(yùn)動(dòng)方向的后面，使激光束Ll與激光束L2在液壓缸活塞桿9的表面的光斑中心間距為7 mm。其中，激光器的功率為8 kW，分成兩束激光后，預(yù)熱激光束的功率為2.4 kW，熔覆激光束的功率為5. 6kW，激光束Ll與激光束L2分別經(jīng)聚焦鏡8與聚焦鏡3聚焦后在液壓缸活塞桿9的表面的光斑直徑為2. 0 mm ；
(4)利用自動(dòng)送粉器5的粉末噴嘴6將合金粉末7吹入第二束激光L2在液壓缸活塞桿 9的表面形成的熔池4內(nèi)，熔化后在液壓缸活塞桿9的表面鋪展開，當(dāng)?shù)诙す釲2運(yùn)動(dòng)移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層13。其中，利用計(jì)算機(jī)1調(diào)節(jié)激光掃描速度為25 m/ min與粉末流量為60 g/min，粉末噴嘴6與熔覆激光束L2的夾角為45°，與液壓缸活塞桿 9的表面的垂直距離為10 mm，合金粉末7的化學(xué)成分為12 wt. % Co, 88 wt. % WC，其粒度為一 180 + 320目；
(5)當(dāng)激光熔覆完一道之后，利用計(jì)算機(jī)1將數(shù)控機(jī)床10沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)激光光斑直徑的8(Γ40%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為40 - 80% ；
(6)檢測(cè)涂層13的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)- (5)，直到涂層13達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是方法步驟為(1)對(duì)基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)采用具有定分光比的激光分束鏡將波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成兩束激光，經(jīng)聚焦后作用于基材表面，基材可以為碳鋼、合金鋼、鑄鐵；(3)第一束激光為預(yù)熱激光束，主要用于對(duì)基材表面進(jìn)行預(yù)熱處理，提高基材對(duì)第二束激光的吸收率，預(yù)熱的溫度為20(T95(TC，第二束激光為熔覆激光束，主要用于熔化基材表面形成熔池與熔化合金粉末，并作用于基材表面且位于第一束激光運(yùn)動(dòng)方向的后面，其中， 激光器的功率為0. 5^8 kW，分成兩束激光后，預(yù)熱激光束的功率為0. 15^3. 2 kW，熔覆激光束的功率為3、. 6 kW，兩束激光經(jīng)聚焦后在基材表面的光斑直徑為1. 2^2 mm ；(4)利用自動(dòng)送粉器的粉末噴嘴將合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池內(nèi)，熔化后在基材表面鋪展開，當(dāng)?shù)诙す膺\(yùn)動(dòng)移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層，其中，激光掃描速度為0.8 25 m/min，粉末流量為1(T60 g/min，粉末噴嘴與熔覆激光束的夾角為3(Γ50°，與基材表面的垂直距離為6 10 mm，粉末粒度為一 18(Γ + 320目；(5)當(dāng)激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其移動(dòng)的距離為激光光斑直徑的8(Γ40% ；(6)檢測(cè)涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)—(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進(jìn)行所述的步驟(2)時(shí)，激光分束鏡為雙面拋光的Κ9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比為 30% 70% 與 40% :60%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進(jìn)行所述的步驟(3 )時(shí)，第二束激光作用于第一束激光運(yùn)動(dòng)方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為2 1 mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進(jìn)行所述的步驟(4)時(shí)，合金粉末為摻入有(Γ90 wt. %的強(qiáng)化相顆粒的Ni基、Co基、Fe基與 Cu基合金粉末，其中強(qiáng)化相顆粒為碳化物如WC、SiC與TiC，硼化物如TiB2與CrB2,硅化物如MoSi2與WSi2，氧化物如Al2O3，ZrO2，金屬間化合金物FeAl、NiAl與TiAl等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進(jìn)行所述的步驟(5)時(shí)，將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)激光光斑直徑的 8(T40%m，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率40、0%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同波長(zhǎng)雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征在于(1)對(duì)基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)采用激光分束鏡將同一波長(zhǎng)的激光束分成兩束激光；(3)第一束激光作用于基材表面，對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱處理；(4)采用自動(dòng)送粉器的粉末噴嘴將合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池內(nèi)；(5)將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)激光光斑直徑的40-80%；(6)重復(fù)步驟(2)－(5)，直達(dá)涂層達(dá)到所要求的厚度，否則工作結(jié)束。該方法的優(yōu)點(diǎn)(1)使加工成本大幅度降低；(2)基材的熱影響區(qū)小且沒有變形；(3)對(duì)基材的形狀與尺寸無(wú)限制。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102409338SQ20111035225
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者周圣豐, 戴曉琴 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)