專利名稱：一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法
技術領域：
本發明涉及一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，屬于激光加工技術領域。
背景技術：
金屬零部件的腐蝕、磨損及疲勞斷裂等重要損傷，所帶來的破壞與經濟損失是十分驚人的，如美國1995年因腐蝕造成的損失達3000億美元，我國每年因磨擦磨損導致的經濟損失達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、 控制或防止表面損壞，可延長其服役壽命，獲得巨大的經濟效益。常規的表面涂覆方法有電鍍、熱噴涂、堆焊與激光熔覆等。其中，電鍍具有工藝簡單、操作方法與加工成本低等優點，但電鍍層很薄，一般小于0. 3微米，與基體結合差，加工大型工件時會出現電力線分布不均導致不能形成連續且厚度均勻的電鍍層；熱噴涂制備的涂層表面粗糙，其內存在大量氣孔與微裂紋，涂層與基體之間為機械結合，使用一段時間后涂層易剝落；堆焊由于熱源的輸入功率較大，對于含有陶瓷相的復合材料，陶瓷相易發生大量的燒損，導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變大，導致基材發生嚴重的變形。激光熔覆技術是一種新興的表面強化技術，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晶形成涂層的一種方法。相對于其它表面強化技術而言，激光熔覆技術具有以下優點(1)激光束方向可控性好，易于實現選區加工；(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，與基體呈結合強度高的冶金結合，在服役的過程中不易剝落；(4)激光熔覆技術對環境無污染，自動化程度高。但是，到目前為止，激光熔覆技術并未在工業中得到廣泛的應用，關鍵原因有兩個一是激光熔覆效率偏低，導致加工成本過高；二是熔覆層易產生裂紋，限制了該技術的實際應用。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。

發明內容
本發明的目的在于提供一種同波長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的激光束分成兩束激光，一束用于對基材表面進行預熱處理，其目的是提高基材對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裂紋的高性能涂層。本發明是這樣來實現的，其特征是方法步驟為
(1)對基材表面進行除銹、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為1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成兩束激光，經聚焦后作用于基材表面；
(3)第一束激光為預熱激光束，主要用于對基材表面進行預熱處理，提高基材對第二束激光的吸收率，預熱的溫度為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動方向的后面，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，兩束激光經聚焦后在基材表面的光斑直徑為1. 2^2 mm ；
(4)利用自動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，熔化后在基材表面鋪展開，當第二束激光運動移開后，熔融層快速凝固并結晶形成涂層，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)當激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數控機床，其移動的距離為激光光斑直徑的8(Γ40% ；
(6)檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2)—(5)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。在進行所述的步驟(2)時，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%。在進行所述的步驟(3)時，第二束激光作用于第一束激光運動方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為2 7 mm。在進行所述的步驟(4)時，合金粉末為摻入有(Γ90 wt. %的強化相顆粒的Ni基、 Co基、!^e基與Cu基合金粉末，其中強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。在進行所述的步驟(5)時，將數控機床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的8(T40%m，從而控制連續兩道次間的搭接率40、0%。本發明的優點是(1)無需體積龐大、預熱速度慢且裝卸不方便的加熱爐，激光加工效率相對常規的激光熔覆技術最大可以提高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，無氣孔與裂紋，具有硬度高、耐磨與耐蝕等優異的性能；(3)操作方便，自動化程度高，在航空航天、冶金機械、汽車模具、石化與電力等工業領域中關鍵零部件的表面強化與修復方面具有廣泛應用的潛力。


圖1為本發明一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的裝置示意圖。
具體實施例方式實施例1
在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥表面采用同波長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。本實施例的實施過程為，如圖1所示。(1)采用打磨機對70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面進行除銹處理，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，最后進行噴砂處理；
(2)采用具有定分光比的激光分束鏡11將波長為1.06 μ m的Nd: YAG激光器2發出的激光束分成激光束Ll與激光束L2，激光束Ll經反射鏡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為預熱激光束，主要用于對70Μη2Μο鑄鋼熱軋輥9的表面進行預熱處理，提高70Μη2Μο鑄鋼熱軋輥9對第二束激光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運動方向的后面，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，熔化后在70Mn2Mo鑄鋼熱軋輥9的表面鋪展開，當第二束激光L2運動移開后，熔融層快速凝固并結晶形成涂層13。其中，利用計算機1調節激光掃描速度為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)當激光熔覆完一道之后，利用計算機1將數控機床10沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的8(Γ40%，從而控制連續兩道次間的搭接率為40 - 80% ；
(6)檢測涂層13的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2)- (5)，直到涂層13達到所要求的厚度；否則，工作結束。實施例2
采用同波長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為35號鋼。(1)采用打磨機對液壓缸活塞桿9的表面進行除銹處理，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，最后進行噴砂處理；
(2)采用具有定分光比的激光分束鏡11將波長為1.06 μ m的Nd: YAG激光器2發出的激光束分成激光束Ll與激光束L2，激光束Ll經反射鏡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為預熱激光束，主要用于對液壓缸活塞桿9的表面進行預熱處理， 提高液壓缸活塞桿9對第二束激光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運動方向的后面，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，熔化后在液壓缸活塞桿9的表面鋪展開，當第二束激光L2運動移開后，熔融層快速凝固并結晶形成涂層13。其中，利用計算機1調節激光掃描速度為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的化學成分為12 wt. % Co, 88 wt. % WC，其粒度為一 180 + 320目；
(5)當激光熔覆完一道之后，利用計算機1將數控機床10沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的8(Γ40%，從而控制連續兩道次間的搭接率為40 - 80% ；
(6)檢測涂層13的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2)- (5)，直到涂層13達到所要求的厚度；否則，工作結束。
權利要求
1.一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是方法步驟為(1)對基材表面進行除銹、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為1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成兩束激光，經聚焦后作用于基材表面，基材可以為碳鋼、合金鋼、鑄鐵；(3)第一束激光為預熱激光束，主要用于對基材表面進行預熱處理，提高基材對第二束激光的吸收率，預熱的溫度為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動方向的后面，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，兩束激光經聚焦后在基材表面的光斑直徑為1. 2^2 mm ；(4)利用自動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，熔化后在基材表面鋪展開，當第二束激光運動移開后，熔融層快速凝固并結晶形成涂層，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)當激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數控機床，其移動的距離為激光光斑直徑的8(Γ40% ；(6)檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2)—(5)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。
2.根據權利要求1所述的一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進行所述的步驟(2)時，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.根據權利要求1所述的一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進行所述的步驟(3 )時，第二束激光作用于第一束激光運動方向的后面，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.根據權利要求1所述的一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進行所述的步驟(4)時，合金粉末為摻入有(Γ90 wt. %的強化相顆粒的Ni基、Co基、Fe基與 Cu基合金粉末，其中強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.根據權利要求1所述的一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在進行所述的步驟(5)時，將數控機床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的 8(T40%m，從而控制連續兩道次間的搭接率40、0%。
全文摘要
本發明公開了一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征在于(1)對基材表面進行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)采用激光分束鏡將同一波長的激光束分成兩束激光；(3)第一束激光作用于基材表面，對基材進行預熱處理；(4)采用自動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；(5)將數控機床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的40-80%；(6)重復步驟(2)－(5)，直達涂層達到所要求的厚度，否則工作結束。該方法的優點(1)使加工成本大幅度降低；(2)基材的熱影響區小且沒有變形；(3)對基材的形狀與尺寸無限制。
文檔編號C23C24/10GK102409338SQ20111035225
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者周圣豐, 戴曉琴 申請人:南昌航空大學