專利名稱：一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料與周圍環(huán)境交互作用后發(fā)生的斷裂、磨損、腐蝕、氧化與燒損等，一般都是從材料表面開始，然后沿各個方向延伸與發(fā)展，它們所帶來的破壞與損失已嚴重影響到生產(chǎn)與生活的安全穩(wěn)定。因此，采用各種表面防護技術(shù)改善材料表面性能，延長其使用壽命，提高其運行的穩(wěn)定性、安全性與可靠性，具有十分重要的意義。目前，常規(guī)的表面防護技術(shù)主要有熱噴涂、堆焊、物理與化學(xué)氣相沉積、激光熔覆等。其中，熱噴涂具有操作靈活、設(shè)備簡單、噴涂材料范圍廣等優(yōu)點，但不足之處是涂層與基材呈機械結(jié)合，組織的致密性較差，使用過程中涂層易剝落。堆焊由于熱源的輸入功率較大，導(dǎo)致涂層的稀釋率大，惡化涂層的性能，而且基材的熱影響大，容易發(fā)生嚴重的翹曲變形。雖然物理與化學(xué)氣相沉積都可以獲得高硬度、高耐磨性涂層，但化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)溫度較高并對環(huán)境有污染以及對操作人員身體有損傷等問題；物理氣相沉積加工條件要求高，需在真空中進行，導(dǎo)致氣相沉積的效率低，加工成本高，很難應(yīng)用于大型零部件的表面防護領(lǐng)域。激光熔覆技術(shù)是利用高能密度的激光束將熔覆材料與基材表面薄層同時熔化，當(dāng)激光束掃描過后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層的一種方法。由于激光熔覆過程中熔覆材料的化學(xué)成分可以精確控制，基體的熱影響區(qū)與熱變形小以及制備的熔覆層組織細小、 致密等優(yōu)點，近年來引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。但是，激光熔覆技術(shù)存在加工效率低、生產(chǎn)成本相對較高，以及熔覆層易產(chǎn)生裂紋等問題，嚴重阻礙了該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，它是利用激光分束鏡將Nd: YAG激光束分成兩束激光，一束用于對基材表面進行預(yù)熱處理，其目的是提高基材對熔覆用的(X)2激光束的吸收率以及降低熔覆過程中的溫度梯度；另一束激光用于對形成的涂層進行后熱處理，降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，消除熔覆層內(nèi)的裂紋。因此，在激光熔覆過程中，采用基材預(yù)熱與涂層后熱相結(jié)合的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率、降低激光熔覆過程中的溫度梯度以及減小涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力， 從而在高效率條件下獲得無裂紋的高性能涂層。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，其特征是方法步驟為
(1)基材表面前處理主要包括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；(2)采用具有定分光比的激光分束鏡將功率為0.3^2 kff的Nd: YAG激光器發(fā)出的激光束分成兩束激光，經(jīng)聚焦后作用于基材表面。其中，第一束激光為預(yù)熱激光束，主要用于對基材表面進行預(yù)熱處理，預(yù)熱激光束的功率為0. 18 1.2 kW，預(yù)熱的溫度為30(T95(TC;第二束激光為后熱激光束，主要用于對形成的涂層進行后熱處理；
(3)利用自動送粉器的粉末噴嘴將合金粉末吹入(X)2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦后作用在基材表面形成的熔池內(nèi)，熔化的合金粉末在基材表面鋪展開，當(dāng)CO2激光束運動移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層。其中，0)2激光器的功率為2 10 kW，光斑直徑為;Γ5 mm，掃描速度為廣30 m/min，送粉率為30 260 g/min，粉末噴嘴直徑為2. 8 4. 5 mm,與CO2 激光束的夾角為3(Γ50°，與基材表面的垂直距離為6 10 mm，粉末粒徑為4(T80 ym；
(4)采用后熱激光束對形成的涂層進行后熱處理，從而降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，后熱激光束的功率為0. 12^0. 8 kW，后熱的溫度為20(T850°C ；
(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數(shù)控機床，其移動的距離為激光光斑直徑的70 30% ；
(6)檢測涂層的厚度是否達到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)—(5)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。在進行所述的步驟(2)時，激光分束鏡為雙面拋光的K9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比為60% :40%，兩束激光經(jīng)聚焦后在基材表面的光斑直徑為3、mm。在進行所述的步驟(3)時，CO2激光器為連續(xù)波的橫流或軸快流激光器，其發(fā)出的激光束作用于預(yù)熱激光束運動方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為3 8 mm。在進行所述的步驟(3)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Al2O3，，金屬間化合金物!^eALNiAl與TiAl。在進行所述的步驟(4)時，后熱激光束作用于(X)2激光束運動方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為3、mm。在進行所述的步驟(5)時，將數(shù)控機床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的70 30%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為30 70%。該方法的優(yōu)點(1)涂層的稀釋率低且可調(diào)，與基材呈冶金結(jié)合，基材的熱影響區(qū)小且無變形、開裂。(2)可以有效消除涂層內(nèi)的殘余內(nèi)應(yīng)力，改善組織，具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、抗開裂與抗熱震性能；(3)相對常規(guī)激光熔覆技術(shù)的加工效率最大可提高50倍，使加工成本大幅度降低，具有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用潛力。


圖1為本發(fā)明的具有預(yù)熱與后熱功能的三光束激光熔覆無裂紋涂層的裝置示意圖。
具體實施例方式實施例1在42CrMo石油鉆桿表面采用具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法制備鈷基合金涂層，該涂層的厚度為1. 5mm。本實施例的實施過程為，如圖1所示。(1)采用打磨機對42CrMo石油鉆桿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將功率為500W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42CrMo 石油鉆桿9的表面，用于對42CrMo石油鉆桿9的表面進行預(yù)熱處理，預(yù)熱激光束的功率為 300W，預(yù)熱的溫度為600°C;激光束L2經(jīng)反射式聚焦鏡15聚焦后作用于42CrMo石油鉆桿9 的表面。其中，激光分束鏡11為雙面拋光的K9玻璃，分光比為60% :40%，激光束Ll與激光束L2在42CrMo石油鉆桿9的表面形成的光斑直徑均為3 mm ；
(3)利用自動送粉器5的粉末噴嘴6將鈷基合金粉末7吹入(X)2激光器14發(fā)出的激光束L3經(jīng)聚焦鏡3聚焦后作用在42CrMo石油鉆桿9的表面形成的熔池4內(nèi)，熔化的合金粉末在42CrMo石油鉆桿9的表面鋪展開，當(dāng)(X)2激光束L3運動移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層13。其中，CO2激光器的功率為5 kW，光斑直徑為3 mm，利用計算機1調(diào)節(jié)激光器14的掃描速度為10 m/min與送粉器5的送粉率為120 g/min,粉末噴嘴直徑為2. 8 mm, 與CO2激光束的夾角為45°，與42CrMo石油鉆桿9表面的垂直距離為6 mm，。另外，CO2激光束L3作用于激光束Ll運動方向的后面，從而控制CO2激光束L3與激光束Ll在42CrMo 石油鉆桿9的表面的光斑中心間距為4 mm，鈷基合金粉末7的化學(xué)成分為2.4 wt. % C, 30 wt. % Cr，13 wt. % W，余量為Co，合金粉末7的平均粒徑為45 μ m ；
(4)采用激光束L2對形成的涂層13進行后熱處理，從而降低涂層13內(nèi)的殘余應(yīng)力，后熱激光束的功率為200 W，后熱的溫度為450°C，激光束L2作用于(X)2激光束L3運動方向的后面，從而控制激光束L2與(X)2激光束L3在42CrMo石油鉆桿9的表面的光斑中心間距為 3 mm ；
(5)利用計算機1將數(shù)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 70 30%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為30 70% ；
(6)檢測涂層13的厚度是否達到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)- (5)，直到涂層13達到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。實施例2
在20Mn2汽車半軸套管表面采用具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法制備鎳基碳化鎢復(fù)合涂層，該涂層的厚度為2. 0mm。本實施例的實施過程為，如圖1所示。(1)采用打磨機對20Mn2汽車半軸套管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將功率為2000 W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20Mn2 汽車半軸套管9的表面，用于對20Mn2汽車半軸套管9的表面進行預(yù)熱處理，預(yù)熱激光束的功率為1200W，預(yù)熱的溫度為900°C ；激光束L2經(jīng)反射式聚焦鏡15聚焦后作用于20Mn2汽車半軸套管9的表面。其中，激光分束鏡11為雙面拋光的石英玻璃，分光比為60% :40%，激光束Ll與激光束L2在20Mn2汽車半軸套管9的表面形成的光斑直徑均為5 mm ；
(3)利用自動送粉器5的粉末噴嘴6將合金粉末7吹入(X)2激光器14發(fā)出的激光束 L3經(jīng)聚焦鏡3后作用在20Mn2汽車半軸套管9的表面形成的熔池4內(nèi)，熔化的合金粉末在 20Mn2汽車半軸套管9的表面鋪展開，當(dāng)(X)2激光束L3運動移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層13。其中，CO2激光器的功率為10 kW，光斑直徑為5 mm，利用計算機1調(diào)節(jié)激光器14的掃描速度為28 m/min與送粉器5的送粉率為220 g/min,粉末噴嘴直徑為4. 5 mm, 與CO2激光束L3的夾角為45°，與20Mn2汽車半軸套管9表面的垂直距離為10 mm。另外， CO2激光束L3作用于激光束Ll運動方向的后面，從而控制(X)2激光束L3與激光束Ll在 20Mn2汽車半軸套管9的表面的光斑中心間距為7 mm，合金粉末7主要由鎳基合金粉末與鑄造碳化鎢顆粒按質(zhì)量比1:1均勻混合而成，其中鎳基合金粉末的化學(xué)成分為12-15 wt. % Cr, 1-5 wt. % B, 1-5 wt. % Si,0. 5-8. 5 wt. % Μο，0· 5-6.5 wt. % Cu，0. 6-1.5 wt. % C, 2-10 wt. % Fe，0. 01-1 wt. % Y，余量為Ni，合金粉末7的平均粒徑為56 μ m ；
(4)采用激光束L2對形成的涂層13進行后熱處理，從而降低涂層13內(nèi)的殘余應(yīng)力，后熱激光束的功率為800 W，后熱的溫度為750°C，激光束L2作用于(X)2激光束L3運動方向的后面，從而控制激光束L2與(X)2激光束L3在20Mn2汽車半軸套管9的表面的光斑中心間距為5匪；
(5)，利用計算機1將數(shù)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 70 30%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為30 70% ；
(6)檢測涂層13的厚度是否達到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)- (5)，直到涂層13達到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，其特征是方法步驟為(1)基材表面前處理主要包括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；(2)采用具有定分光比的激光分束鏡將功率為0.3^2 kff的Nd: YAG激光器發(fā)出的激光束分成兩束激光，經(jīng)聚焦后作用于基材表面，其中，第一束激光為預(yù)熱激光束，主要用于對基材表面進行預(yù)熱處理，預(yù)熱激光束的功率為0. 18 1.2 kW，預(yù)熱的溫度為30(T95(TC;第二束激光為后熱激光束，主要用于對形成的涂層進行后熱處理；(3)利用自動送粉器的粉末噴嘴將合金粉末吹入(X)2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦后作用在基材表面形成的熔池內(nèi)，熔化的合金粉末在基材表面鋪展開，當(dāng)CO2激光束運動移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層；其中，CO2激光器的功率為2 10 kW，光斑直徑為3飛 mm，掃描速度為廣30 m/min，送粉率為30 260 g/min，粉末噴嘴直徑為2. 8 4. 5 mm,與CO2 激光束的夾角為3(Γ50°，與基材表面的垂直距離為6 10 mm，粉末粒徑為4(T80 ym；(4)采用后熱激光束對形成的涂層進行后熱處理，從而降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，后熱激光束的功率為0. 12^0. 8 kW，后熱的溫度為20(T850°C ；(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數(shù)控機床，其移動的距離為激光光斑直徑的70 30% ；(6)檢測涂層的厚度是否達到預(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所述的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，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K9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比為60% :40%，兩束激光經(jīng)聚焦后在基材表面的光斑直徑為3飛 mmD
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(3)時，CO2激光器為連續(xù)波的橫流或軸快流激光器，其發(fā)出的激光束作用于預(yù)熱激光束運動方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為3 8 mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(3)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TW2與0 ，硅化物如MoSi2與WSi2，氧化物如Al2O3，ZrO2,金屬間化合金物i^Al、NiAl 與 TiAl。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(4)時，后熱激光束作用于CO2激光束運動方向的后面，從而控制兩束激光在基材表面的光斑中心間距為3、mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(5)時，將數(shù)控機床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的7(Γ30%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為3(Γ70%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法，首先，采用激光分束鏡將Nd:YAG激光器發(fā)出的激光束分成兩束激光，一束激光為預(yù)熱激光束，用于對基材表面進行預(yù)熱處理；另一束激光為后熱激光束，用于對形成的涂層進行后熱處理；然后，利用粉末噴嘴將合金粉末吹入CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦后作用在基材表面形成的熔池內(nèi)，當(dāng)CO2激光束運動移開后，熔融層快速凝固并結(jié)晶形成涂層；最后，采用后熱激光束對形成的涂層進行后熱處理。該方法的優(yōu)點(1)涂層的稀釋率低且可調(diào)，與基材呈冶金結(jié)合，基材的熱影響區(qū)小且無變形、開裂。(2)可以有效消除涂層內(nèi)的殘余內(nèi)應(yīng)力，改善組織，具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、抗開裂與抗熱震性能；(3)相對常規(guī)激光熔覆技術(shù)的加工效率最大可提高50倍，使加工成本大幅度降低，具有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用潛力。
文檔編號C23C24/10GK102383126SQ20111035225
公開日2012年3月21日 申請日期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 申請人:南昌航空大學(xué)