[發(fā)明專利]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

無效

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• 申請日: 2011-11-09
• 公開（公告）號: CN102383126A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周圣豐;戴曉琴
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 南昌洪達專利事務(wù)所 36111
• 代理人: 劉凌峰

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CO₂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?kW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300~950℃；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)，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3~5?mm，掃描速度為1~30?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30~50°，與基材表面的垂直距離為6~10?mm，粉末粒徑為40~80?μm；

（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200~850℃；

（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3~5?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。