[發(fā)明專利]一種獲得低稀釋率涂層的激光熔覆方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310288716.1
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103334104A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林學(xué)春;高文焱;趙樹森;王奕博;劉發(fā)蘭;周春陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用高斯分布或近似高斯分布的激光束獲得低稀釋率涂層的激光熔覆方法。

背景技術(shù)

在激光熔覆領(lǐng)域，目前所用激光器輸出的激光束多為高斯分布或近似高斯分布。該類激光束光束截面能量密度的分布呈現(xiàn)中央大邊緣小的特點，在進(jìn)行激光熔覆時，往往造成熔覆涂層稀釋率偏高，涂層邊緣與工件結(jié)合質(zhì)量差，影響熔覆涂層的性能與質(zhì)量。稀釋率通常表示為工件基體熔化區(qū)截面面積占熔覆涂層總截面面積的百分率，在保證熔覆涂層與工件冶金結(jié)合的前提下，稀釋率越低，熔覆涂層的性能越好，一般來說，稀釋率在2％～10％范圍內(nèi)認(rèn)為是低稀釋率。

為了獲得低稀釋率涂層同時保證涂層與工件良好的冶金結(jié)合，需要更換能量均勻分布的激光源，或?qū)Ω咚辜す馐M(jìn)行光束變換，使能量分布均勻化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，或系統(tǒng)更為復(fù)雜。

對于激光束負(fù)離焦方式，即激光束焦平面位于工件表面下方的工藝方式(反之為正離焦方式)，盡管激光功率密度隨離焦量的減小而增大，通常不用于激光熔覆，但在負(fù)離焦區(qū)域，激光束光斑內(nèi)能量分布均勻，只要能夠?qū)す廨敵龉β省⒓す鈷呙杷俣纫约叭鄹卜勰┑乃头勐蔬M(jìn)行優(yōu)化控制，可以獲得低稀釋率的熔覆涂層。

本發(fā)明通過對高斯分布或近似高斯分布的激光束在傳播路徑上光斑能量密度分布變化規(guī)律的研究，提出采用負(fù)離焦的方法，在高斯分布或近似高斯分布的激光束條件下，獲得低稀釋率的熔覆涂層。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種采用高斯分布或近似高斯分布的激光束獲得低稀釋率涂層的激光熔覆方法，以解決高斯分布或近似高斯分布的激光束由于其截面能量密度分布中央大邊緣小，在激光熔覆后造成熔覆涂層稀釋率偏高，涂層邊緣與工件結(jié)合質(zhì)量差的問題，最終獲得低稀釋率、與工件良好冶金結(jié)合的高質(zhì)量涂層。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種獲得低稀釋率涂層的激光熔覆方法，該方法是采用高斯分布或近似高斯分布的激光束進(jìn)行激光熔覆，采用負(fù)離焦方式，激光束焦平面位于工件表面下方，具體包括：

步驟1：在激光熔覆前，確定激光束焦平面位置；

步驟2：將激光束焦平面與工件待加工表面重合后，沿工件待加工表面法線方向移動激光熔覆頭，使其靠近工件，確定激光熔覆頭的移動距離；

步驟3：確定好激光熔覆頭位置后，將激光熔覆的側(cè)向送粉噴嘴固定，使激光熔覆的側(cè)向送粉噴嘴對準(zhǔn)工件待加工表面激光輻照位置；

步驟4：確定激光熔覆的工藝參數(shù)，至少包括激光輸出功率、激光掃描速度、熔覆粉末的送粉率；

步驟5：設(shè)置好工藝參數(shù)后，激光熔覆頭輸出激光束，同時激光熔覆頭按照設(shè)定的掃描速度開始移動，熔覆粉末從側(cè)向送粉噴嘴中噴出，落入激光束輻照區(qū)域，熔化并在工件表面形成熔池，隨著激光束的移走，熔池快速凝固，形成熔覆涂層。

上述方案中，步驟1中所述確定激光束焦平面位置，采用同軸CCD成像法、聚焦鏡焦距測量法或等間隔激光脈沖燒蝕方法。

上述方案中，步驟2中所述激光熔覆頭的移動距離為負(fù)離焦量，該負(fù)離焦量的范圍為4～50mm。

上述方案中，步驟4中所述激光輸出功率在300W～5000W，激光掃描速度在2mm/s～20mm/s，送粉率在2g/min～25g/min。

上述方案中，該方法采用同步送粉方式。所述同步送粉方式為側(cè)向同步送粉方式或同軸同步送粉方式，其中側(cè)向同步送粉角度范圍10°～80°。所述同步送粉方式能夠被替換為預(yù)置粉末方式。

上述方案中，步驟5中所述工件表面是平面或曲面。

上述方案中，所述高斯分布或近似高斯分布的激光束是由具有高斯分布或近似高斯分布的激光束的固體激光器或CO₂激光器產(chǎn)生的。所述固體激光器或CO₂激光器是連續(xù)激光器或脈沖激光器。

(三)有益效果

本發(fā)明是利用高斯分布或近似高斯分布的激光束在傳播路徑上光束截面能量密度分布的特點，設(shè)定激光束焦平面在所需要進(jìn)行激光熔覆加工的工件表面的下方，即采用負(fù)離焦方式進(jìn)行激光熔覆。其效果包括：①所獲得激光熔覆涂層稀釋率極低，與工件冶金結(jié)合良好；②工藝簡單，易于操作；③無需更換能量均勻分布的激光源，降低激光熔覆成本；④無需對高斯激光束進(jìn)行光束變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

附圖說明

圖1是高斯光束聚焦的示意圖；圖中：a-負(fù)離焦區(qū)域，b-正離焦區(qū)域。