[發明專利]激光感應復合熔覆制備材料涂層的方法及裝置

有效

• 申請號: 200710052458.1
• 申請日: 2007-06-13
• 公開（公告）號: CN101070595A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發明（設計）人: 曾曉雁;胡乾午;周圣豐;黃永俊
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種激光感應復合熔覆制備材料涂層的方法及裝置。

背景技術

激光熔覆技術是采用高能量密度的激光束在工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善其表面性能的工藝。與傳統的堆焊與熱噴涂工藝相比，激光熔覆技術具有如下優點：(1)激光束光斑小且能量密度高，在熔覆過程中可以將工件的熱影響區與熱變形降低到最小程度；(2)通過調節工藝參數，可以獲得稀釋率小于10％的熔覆層；(3)熔覆層與基材為冶金結合，結合強度高，不易剝落；(4)通過專門設計的激光導光裝置，可以對深孔、內孔和凹槽等部位進行激光熔覆處理，結合多道多層技術可以獲得滿足不同尺寸要求的熔覆涂層；(5)激光熔覆技術對環境無污染，自動化程度高。因此，在汽車、冶金、航空航天、船舶、軌道運輸等領域具有十分廣闊的應用前景。

然而，到目前為止，激光熔覆技術在工業中的應用程度并未達到早期預想的目標，主要原因包括：(1)高功率激光加工設備的一次性投資較大，且維護費用昂貴；(2)激光熔覆效率遠低于傳統工藝，如堆焊與熱噴涂，因此單位面積涂層的制造成本偏高；(3)雖然可以將激光與熱噴涂結合起來實現激光熱噴涂復合熔覆技術(J.Suutala，J.Tuominen，P.Vuoristo.Laser-assisted?spraying?and?laser?treatment?of?thermally?sprayedcoatings，Surface?&?coatings?Technology，201(2006)：1981-1987)，使激光熔覆效率提高，但由于激光熔覆過程的快速加熱與快速冷卻凝固、熱應力大的特點，在大塊材料表面進行激光熔覆時，熔覆層極易產生裂紋。特別是在可焊性差的基材表面，裂紋問題一直是激光熔覆層難以逾越的障礙之一，制約了該技術的工業化應用。

對基材進行預熱處理，降低熔覆層的冷卻速度及與基材間的溫度梯度，被認為是消除裂紋的最有利方法。Yoshiwara與Kawaname(Method?forsurface?alloying?metal?with?a?high?density?energy?beam?and?an?alloysteel，United?States，United?States?Patent，4750947，1988)采用加熱爐或氧乙炔火焰將工件預熱到600-800℃，在激光熔覆速度達5.4米/分鐘的條件下，獲得了無裂紋的熔覆層。這種采用預熱的激光熔覆技術與單純的激光熔覆技術相比較，在相同工藝參數條件下熔覆效率提高了225％。但是，對于形狀復雜與尺寸大的工件，預熱時需要復雜的加熱爐，而且長時間的保溫在工件表面會產生氧化皮，嚴重影響激光熔覆層的質量。此外，經過預熱之后在高溫的環境中裝卸與夾持工件也很不方便，不但工作效率低，還容易灼傷操作人員。而采用氧乙炔火焰進行預熱，工件的受熱過程慢，熱影響區較大，導致基材組織粗大，機械性能惡化。此外，采用上述兩種方法只能夠對外觀簡單的零部件進行激光熔覆加工，無法對復雜零部件或者空心部件的內壁進行激光熔覆處理。而且在激光熔覆處理的同時無法對難焊接或大型工件進行后熱緩冷處理，因此，其裝置的通用性不強。

近年來，操作方便的感應加熱熔覆技術，引起了人們的廣泛興趣。感應熔覆加工技術可以獲得大面積的熔覆層，生產成本低，效率高。該技術的不足之處在于：(1)待熔覆材料需要預涂于基材表面，熔覆準備工作量較大；(2)熔化必須控制在液-固兩相之間，易出現熔覆層流失，因而熔覆層的致密性稍差；(3)感應熔覆過程中，所能夠達到的最高溫度有限，因此對于一些高熔點的合金層難以實現熔覆加工；(4)單純感應熔覆所需要消耗的能量大，易產生基體過熱，產品質量不易控制。

發明內容

本發明的目的在于提供激光感應復合熔覆制備材料涂層的方法，該方法的熔覆效率高，熔覆層產生氣孔與裂紋的幾率大幅度下降，整體質量全面提高；本發明還提供了實現該方法的裝置，該裝置通用性較強，可以對實心部件的表面及空心部件的內外表面進行激光熔覆處理。

本發明提供的激光感應復合熔覆制備材料涂層的方法，其步驟包括：

①在已進行過噴砂處理的待加工工件表面噴涂一層厚度為0.1-3.0毫米的涂層，涂層材料為合金粉末，或者合金粉末與陶瓷相顆粒形成的金屬陶瓷復合粉末，其中陶瓷相顆粒的質量百分含量小于等于70％；

②將待加工工件表面的涂層與感應加熱線圈之間的距離控制在1-10毫米范圍內，利用高頻感應加熱器往感應加熱線圈內通入電流，使工件表面的溫度為500-1200℃，并通入保護氣體；