[發明專利]一種磁場輔助超高速激光熔覆鐵基非晶涂層的裝置和方法

在審

• 申請號: 202211030754.2
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115433937A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 魏先順;梁嚴;廖宗藝
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 褚明偉

本發明涉及一種磁場輔助超高速激光熔覆鐵基非晶涂層的裝置和方法。包括激光器、磁場發生器、電動機床裝置等，激光器位于工件上方，受電動滑塊直接控制，磁場發生器具有多角度工作條件，受磁場控制系統控制基體位于電動機床上，機床的下方安裝電動滑軌，紅外攝像機安裝于在機床上方，用于監測熔覆過程本發明通過旋轉機床轉盤，使超高速激光熔覆技術在筒狀/盤狀/柱狀待熔覆工件上都能達到較高的熔覆速度，根據工件尺寸，可以達到200m/min及以上。同時在激光熔覆增材過程中，開啟磁場發生器、紅外攝像機，通過終端控制系統對激光熔覆過程進行即時檢測，動態調控工藝參數，大大提高了熔池傳熱以及熔覆效率從而達到制備無缺陷非晶涂層的目的。

技術領域

本發明涉及表面制備技術領域，尤其是涉及一種磁場輔助超高速激光熔覆鐵基非晶涂層的裝置和方法。

背景技術

鐵基非晶合金具有長程無序、短程有序、無晶體缺陷等特點，這賦予了它很多特殊性能如優異的耐蝕、耐磨性、硬度等。然而由于臨界尺寸較小，難以制備出大尺寸非晶合金，使得非晶合金的應用受到了許多限制。目前，研究者常采用涂層制備的方法來實現非晶合金的實際應用。

傳統表面加工技術主要有熱噴涂、硬鉻電鍍、激光熔覆等方法。電鍍工業因其環保問題正面臨著轉型；熱噴涂技術涂層制備效率高，但涂層與基體間機械結合強度低、易產生裂紋，難以達到所需要的性能；傳統激光熔覆雖然能讓涂層與基體間呈冶金結合，但制備效率低，較大的熱輸入會導致非晶形成數量少，結晶嚴重，難以充分發揮鐵基非晶合金的優異性能。

超高速激光熔覆的加工對象多為軸類圓柱形器件。所以對工件施加的高速旋轉能產生超高的表面速度，使得涂層制備速率大大提高，但是這種加工方式存在較大的離心力，使得高溫熔池的氣體不易析出表面，從而產生氣孔等缺陷。超高速激光熔覆技術目前仍處在推廣應用階段，制備過程中的參數研究尚不完善，在厚度控制和內部缺陷調控方面的研究仍有待完成。

中國專利CN114318329A公布了一種利用磁場力與離心力雙重壓制的超高速激光熔覆方法，該方法通過主激光束+輔助激光束對粉末進行雙重熔化(激光束未重疊部分同時還能對基體起到預加熱作用)，利用磁場發生器產生的磁場與基體高速旋轉產生的離心力使熔池受壓，形成高密度高致密的熔池，從而減少熔覆層產生氣孔的機率。同時，利用高速攝像機對熔池狀態進行監測，以圖像識別技術來判斷粉末熔化的充分程度，從而即時調整回轉工裝的參數。當圓筒半徑為0.5m，轉速600r/min時經計算離心力為18N，當磁場提供洛倫茲力為15N時，對于Inconel 625粉末，取原子量M為55，熔體密度ρ為7300kg/m³，熔池溫度T為3600℃，可計算出ΔH約為15μm，即能夠相對于未壓制的涂層厚度減少15μm。該專利中計算得到針對于Inconel 625粉末，當離心力與洛倫茲力之和達到80N以上時，壓制率能超過50％，針對于合金粉末有良好的壓制效果。

中國專利CN113584477A公布了一種超高速激光熔覆非晶合金涂層的方法，設置激光功率區間為1.0kW～2.5kW，掃描速度區間為100mm/s～250mm/s。通過合理控制熔覆參數(激光功率1.5kW，送粉速率25g/min，保護氣流量6L/min)，將鐵基非晶合金制備成百微米級的無缺陷表面防護涂層，避免了非晶脆性和尺寸效應的限制，充分發揮其優異的耐蝕抗磨性能，實現了對采礦液壓支架活塞桿表面的防護。該專利中得到的鐵基非晶涂層具有優異的耐腐蝕、耐磨損性能，鐵基非晶涂層后的自腐蝕電位提高至-0.437V，相比基體而言自腐蝕電位提高了41％，非晶涂層防護后表面耐磨率僅為2.99×10^-5mm³N^-1m^-1，與基體相比降低了73％。

發明內容

本發明提供一種磁場輔助超高速激光熔覆鐵基非晶涂層的裝置和方法，將磁場輔助下的超高速激光熔覆技術應用于鐵基非晶合金涂層的制備中，通過實現鐵基非晶合金無缺陷表面防護涂層的可控制備，用以解決非晶脆性和尺寸效應的限制、涂層中非晶相含量不高、易產生裂紋等問題。