[發明專利]一種同波長雙光束窄斑激光快速熔覆的方法

無效

• 申請號: 201110352255.0
• 申請日: 2011-11-09
• 公開（公告）號: CN102409338A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 周圣豐;戴曉琴
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

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；

（2）采用具有定分光比的激光分束鏡將波長為1.06μm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200~950℃，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10~60?g/min，粉末噴嘴與熔覆激光束的夾角為30~50°，與基材表面的垂直距離為6~10?mm，粉末粒度為－180~＋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80~40%；

（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K9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。