CN101392382B

CN101392382B - 一种激光熔覆结合激光喷丸强化表面改性的方法和装置

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Publication number: CN101392382B
Application number: CN2008101557854A
Authority: CN
Inventors: 周建忠; 蒋素琴; 黄舒; 罗开玉; 鲁金忠
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: CN101392382A

Abstract

本发明提供一种基于激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性的方法和装置，其特征使用同轴送粉式快速轴流CO₂激光熔覆单元在基体表面熔覆一层涂层，然后用钕玻璃脉冲激光喷丸强化单元对熔覆涂层表面进行喷丸强化处理，利用测量反馈系统检测熔覆层的表面粗糙度及其残余应力分布状态，通过中央控制及处理系统实现对涂层表面粗糙度和残余应力的精确控制，从而获得性能优异的高质量的表面熔覆涂层。本发明的装置包括同轴送粉式激光熔覆单元、激光喷丸强化单元、数控工作系统、测量反馈系统和中央控制及处理系统，整个装置在计算机集成控制。本发明能降低残余拉应力水平，改善熔覆层质量，提高其使用寿命。

Description

一种激光熔覆结合激光喷丸强化表面改性的方法和装置

技术领域

本发明涉及材料表面工程与激光技术应用领域，特指一种在基材表面进行激光熔覆一层高性能材料，进而对熔覆层激光喷丸处理，改熔覆层残余应力分布，降低表面粗糙度，提高其表面质量，延长使用寿命的复合表面改性的方法。

背景技术

涂层技术是在性能较差的基材表面涂覆一层高性能材料，提高零件使用性能的方法。激光表面熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，其通过制备具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等性能的熔覆涂层进行材料表面改性及零件修复，此项技术在工业生产中已得到实际应用。随后出现了激光熔覆快速成形技术，该技术在零件制造、航空航天、国防和零件修复等领域具有广阔的应用前景。激光熔覆过程中，高能量密度的激光束对熔覆材料快速加热、熔化，随着激光束的移开，熔化的覆层与基体材料迅速冷却。激光熔覆热作用的整个过程中，熔覆层与基体材料之间产生较大的温度梯度，温度梯度会造成各层之间的热膨胀速率和收缩速率不一致而产生应力。随着温度的上升，各层材料发生了塑性和蠕动变形。在冷却过程结束时，随着熔覆层中热应力、组织应力的传播叠加，使得熔覆层内残余拉应力增大，最后在熔覆层内部残留下三维残余应力场。一般熔覆涂层在工作过程中受力情况较为复杂，通常承受交变载荷的复合作用，这就要求其具备良好的力学性能。如果涂层材料存在残余拉应力，在外界因素的诱导下易产生裂纹，成为疲劳失效的诱因，降低零件的力学性能和使用寿命。

现有常见的减少和消除涂层残余应力的方法有调整熔覆粉末成分、基体预热和缓冷及调整工艺参数等。如上海交通大学的邓琦林、宋建丽等人在专利CN1737197A“激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法”中提出了通过对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制和/或在成形过程中引入超声振动，减少残余热应力，抑制和消除裂纹。但该工艺只能在一定程度上改善熔覆层质量，无法彻底消除熔覆过程中因熔覆层与基体之间的温度梯度及两种材料热膨胀系数差异引起的残余应力的不利影响。

激光喷丸强化是一种利用短脉冲、高能量密度的激光辐照在金属表面产生的高幅冲击波力效应对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。激光喷丸处理具有非接触，无热影响区及强化效果显著等优点。美国加州大学的Hackle等人通过对Inconel镍基合金实验研究表明，激光喷丸与传统机械喷丸相比，前者诱导的残余压应力较后者更深更大。该工艺适用材料范围广，工艺参数和作用区域可以通过计算机数控实现精确控制，可在同一地方通过累积的形式多次喷丸，因而残余压应力大小和压应力层的深度亦精确可控。美国通用电气公司的P.P.吴在专利CN1754967“用于监视激光冲击处理的系统和方法”中提出将激光冲击过程中线谱在其发射峰周围的谱线展宽与限定线谱的谱线展宽比较以验证激光冲击系统操作是否合理，同时该系统实现了激光冲击强化过程中冲击波压力和强度的监视与控制。国内江苏大学张永康等人开展了航空结构抗疲劳断裂的激光喷丸强化技术研究，创立了激光喷丸强化效果的直观检验与控制方法，通过调整激光工艺参数以控制激光喷丸区表面质量，根据表面质量判断激光喷丸强化效果。前者大量研究表明，激光喷丸工艺冲击波诱导的残余压应力对改善金属材料性能有着显著的影响。

本发明提出，采用激光喷丸强化在熔覆层内引入残余压应力，改变其原有的应力分布状态，抑制裂纹的萌生和扩展，其过程中同时产生大量位错组织，使熔覆层内枝晶组织得以改善，当熔覆层厚度控制在1-2mm范围内时，还可提高界面结合强度，从而提高熔覆层质量，延长其使用寿命。

目前尚未检索到利用激光熔覆复合激光喷丸的材料表面改性处理等方面的研究文献和相关专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用激光熔覆结合激光喷丸强化技术的复合表面改性的方法和装置，用以实现对熔覆层内残余应力分布状态的改变，目的是降低残余拉应力水平，并改变熔覆层底部枝晶形状，从而抑制裂纹萌生与扩展，增强界面结合强度，改善熔覆层质量，提高其使用寿命。

本发明所采用的技术方案是：

一种复合表面改性的方法，是使用同轴送粉式二氧化碳激光熔覆单元在基材表面制备熔覆涂层，然后用钕玻璃激光喷丸强化单元对熔覆涂层表面进行喷丸强化处理，利用测量反馈系统检测熔覆层的残余应力分布状态，并将所测数据反馈给中央控制及处理系统，由中央控制及处理系统判断喷丸次数并选择激光喷丸工艺参数；残余应力检测合格后，由测量反馈系统检测熔覆层表面粗糙度值反馈给中央控制及处理系统，判断喷丸后熔覆层表面是否需要处理。

本方法中，熔覆层制备所用的是高斯分布的快速轴流CO₂连续激光，光粉同轴送粉方式，克服了因激光束和材料引入的不对称而带来的对扫描方向的影响，熔池热影响区域小；激光喷丸强化所采用的为钕玻璃脉冲激光，功率密度为GW/cm²量级，脉冲宽度为皮秒量级，作用时间短。激光喷丸过程产生的高幅冲击波压力在熔覆涂层表面引入一定大小的残余压应力和高密度位错组织，从而在熔覆层一定深度范围改变其应力分布状态和枝晶组织形状，能有效提高熔覆涂层的质量和使用寿命。

实施上述方法的装置，包括同轴送粉式激光熔覆单元、激光喷丸强化单元、数控工作系统、测量反馈系统和中央控制及处理系统，中央控制及处理系统将上述各系统连接在一起；工作时首先利用同轴送粉式激光熔覆单元进行熔覆涂层制备，然后利用激光喷丸强化单元，在数控系统控制下，对熔覆涂层表面进行喷丸强化。

同轴送粉式激光熔覆单元包括二氧化碳激光器、氩气保护装置、全反光镜、导光管、送粉器和同轴送粉喷嘴组成的粉末供给装置；实现了送粉和熔覆的同时完成；用于进行熔覆涂层制备；

激光喷丸单元包括钕玻璃激光器、全反光镜、导光管和光束转换及调节装置；用于在数控系统控制下，对熔覆涂层表面进行喷丸强化；

短(ns级)，熔覆层表面不产生畸变和机械损伤，表面粗糙度值相对于处理前有所降低，硬度分布沿深度方向逐渐降低，表面具有一定的韧性，从而满足熔覆层作为耐磨、耐蚀的使用性能要求。

[5]本方法结合激光熔覆和激光喷丸强化两种工艺的优点，促进激光熔覆和激光喷丸强化技术在表面工程领域的发展和应用，为航空航天领域重要零部件的修复提供了新方法。

附图说明

图1 激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性方法和装置工艺流程图。

图2 激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性方法的装置结构示意图。

图3 Ni45合金熔覆层激光喷丸区域残余应力沿激光光斑直径方向分布。

图4 Ni45合金熔覆层激光喷丸前后残余应力沿深度方向分布图。

图5 Ni45合金熔覆层激光喷丸前后显微硬度沿深度方向分布图。

1 中央控制处理器 2 多轴联动工作台 3 熔覆基体 4 熔覆层

5 数控操作台 6 连续激光 7 同轴送粉喷嘴

8 送粉器 9 氩气保护装置 10 光斑调节装置

11 二氧化碳激光器控制器 12 二氧化碳激光器 13 导光管

14 全反光镜 15 表面轮廓扫描仪 16 残余应力测定仪

17 全反光镜 18 导光管 19 钕玻璃激光器 20 钕玻璃激光器控制器

21 光束转换及调节装置 22 脉冲激光 23 夹具装置 24 柔性贴膜

具体实施方式

本发明的装置如图2，包括同轴送粉式激光熔覆单元、激光喷丸强化单元、测量反馈系统、数控工作系统和中央控制及处理系统。同轴送粉式激光熔覆单元包括二氧化碳激光器12、导光管13、全反光镜14、光斑调节装置10、氩气保护装置9、送粉器8和同轴送粉喷嘴7组成的粉末供给装置，二氧化碳激光器12功率达2.5kw，工作方式有两种：(1)门脉冲工作，脉冲频率0-2000HZ、宽度10μs；(2)增强脉冲工作，脉冲频率0-2000Hz、宽度10μs，峰值功率是连续波的2-3倍；激光喷丸强化单元包括钕玻璃激光器19、导光管18、全反射镜17、光束转换及调节装置21，脉冲激光器：Nd:YAG，最大脉冲能量50J，最大脉冲功率2.5×109W，工作重复频率0.5Hz；中央控制及处理系统包括中央控制及处理器1、二氧化碳激光器控制器11和钕玻璃激光器控制器20；数控工作系统包括数控操作台5、多轴联动工作台2和夹具装置23，数控工作系统配有SIMENS840D四轴联动数控机床；测量反馈系统由X-350A射线残余应力测定仪16和表面轮廓扫描仪15组成。

以45钢表面熔覆Ni45合金粉末涂层为例，工艺流程如图1，结合图2，具体操作如下：

[1]首先对待熔覆45钢基体3试样表面磨削并抛光处理，达到表面粗糙度Ra1.6，用丙酮或酒精清洗数控工作系统包括多轴联动工作台、夹具装置和数控操作台，用于控制激光喷丸强化单元对熔覆涂层表面进行喷丸强化；

测量反馈系统由残余应力测定仪、表面轮廓扫描仪组成，分别收集应力和表面粗糙度信息，并反馈给中央控制及处理系统；

中央控制及处理系统包括计算机、中央控制及处理器、二氧化碳激光器控制器和钕玻璃激光器控制器，用于接受并处理测量反馈系统的熔覆层表面残余应力和表面粗糙度信息，选择激光喷丸工艺参数和喷丸前对熔覆层表面的处理。

激光熔覆结合激光喷丸表面改性的方法实施步骤如下：

[1]待熔覆基体表面进行预处理，将基体表面打磨并抛光到一定表面粗糙度Ra1.6，使用丙酮或酒精清洗表面油渍和污垢；

[2]采用适当的工艺参数，激光功率1.0～1.6KW、扫描速度6～10mm/s、送粉量3～5g/min、光斑尺寸1～5mm、搭接率60％～80％，在基材表面制备熔覆涂层，粉末的供给采用同轴送粉方式，由送粉器经同轴送粉嘴送入熔池，并用氩气保护粉末以防氧化；

[3]由数控操作台控制多轴联动工作台，调整试样于加工位置，在熔覆层表面覆盖柔性贴膜作为能量吸收涂层，采用专用夹具装置对试样装夹、定位；

[4]由中央控制及处理系统调整激光喷丸工艺参数，激光脉冲能量为25～40J，脉冲宽度20ns，光斑直径3～5mm，搭接率50％～70％；通过多轴联动工作台带动试样有序移动，用激光喷丸单元对熔覆层表面实施喷丸处理；

[5]由测量反馈系统对喷丸后的熔覆涂层表面进行粗糙度和残余应力测量分析，检验喷丸效果，控制粗糙度值在Ra3.2以下，残余压应力值在-220Mpa以下。如达不到要求，则继续实施激光喷丸处理至检验合格。

[6]对喷丸后的试样进行表面粗糙度检验，根据使用要求对表面进行后处理。

本发明的优点如下：

[1]本方法结合激光喷丸强化处理，释放了熔覆层的拉应力并产生压应力，改变熔覆层原有的应力分布状态，克服激光熔覆涂层中残余拉应力的不良影响，延缓和抑制熔覆层使用过程中因外力和残余拉应力联合作用所致的裂纹萌生和扩展。

[2]由于激光喷丸强化过程中所产生的冲击波强度达到GPa量级，远超过材料的动态屈服强度，在材料表层产生一定深度的塑性变形层，其中产生高密度位错组织，并改变熔覆层底部枝晶形状，使得界面结合强度得到一定增强。

[3]因熔覆层的硬度一般高于基体材料，喷丸强化的效果优于直接对基体进行强化的效果。

[4]本方法为清洁方便的绿色制造工艺，具有非接触，无热损伤的突出特点。由于非接触，作用时间表面，将预处理好的45钢基体3放置在多轴联动工作台2上，由中央控制及处理系统启动同轴送粉式二氧化碳激光熔覆单元制备熔覆层，激光模式为TEM₀₀，预设功率1KW，光斑直径1mm，由数控操作台5操纵多轴联动工作台2移动，扫描速度6mm/s，实现熔覆的逐层逐道扫描，金属粉末速率由送粉器8控制在4g/min左右，在氩气保护下经同轴送粉喷嘴7被同轴喷入熔池，保证了送粉和熔覆的同时完成，在连续激光6照射下实现熔覆过程，熔覆层表面较为平整，其质量优于预置粉末法。

[2]基材表面熔覆结束后，在熔覆层4表面贴上柔性帖膜24。由中央控制及处理器1调节钕玻璃激光器控制器20及光束转换与调节装置21，选择的激光工艺参数为：激光脉冲能量调为40J，脉冲宽度20ns，光斑直径5mm，搭接率55％。由数控操作台5发出指令，专用夹具装置23将试样固定在多轴联动工作台2上，并将试样调整到易于加工位置，由钕玻璃激光器19发出脉冲激光22，经光束转换与调节装置21，照射在待加工表面，实施激光喷丸强化。

[3]涂层表面一次喷丸结束后，残余应力测定仪16在线检测表面应力，将测量结果再次反馈给中央控制及处理系统，与预设目标值比较，决定喷丸次数。

Ni45合金熔覆层激光喷丸区域残余应力沿激光光斑直径方向分布如图3所示，半径中部数值较大，光斑边缘和中心部位残余压应力较小；由图4可以看出，在一定深度范围内，残余应力由原来的拉应力转变为压应力状态，残余压应力影响层1.2mm左右；经激光喷丸强化后的熔覆层4表面粗糙度值较喷丸前有所减小；因激光束能量高而集中，作用时间短(仅为ns)，喷丸区瞬间有较大的过热、过冷度，熔覆层的超细硬质颗粒弥散强化和细晶强化，激光喷丸后，熔覆层硬度在一定深度都得到了提高，最大硬度由670HV增大到830HV(见图5)；激光喷丸大量位错和孪晶组织出现，使得熔覆底层的枝晶组织形状发生改变。以上各因素的综合作用在一定程度上抑制并延缓裂纹萌生与扩展，并使得熔覆层4与基体3界面结合强度也得到一定的增强。由于单次激光喷丸引入的残余压应力大小、深度有限，要获得理想的残余压应力场，可进行多次喷丸。

启动在线测量反馈系统，由残余应力测定仪16测量熔覆层4表面应力状态，将测定值反馈到中央控制及处理器1，根据数据库资料选择相应激光喷丸强化工艺参数，以保证熔覆层4内残余拉应力得到完全释放并产生一定大小有益的残余压应力。由表面轮廓扫描仪15测量熔覆层4表面粗糙度，由预设的激光喷丸强化试样表面质量要求决定熔覆涂层表面是否进行磨削或抛光处理。

Claims

1.基于激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性的方法，其特征在于步骤如下：

[2]采用激光功率1.0～1.6KW、扫描速度6～10mm/s、送粉量3～5g/min、光斑尺寸1～5mm、搭接率60％～80％，在基材表面制备熔覆涂层，粉末的供给采用同轴送粉方式，由送粉器经同轴送粉嘴送入熔池，并用氩气保护粉末以防氧化；

[5]由测量反馈系统对喷丸后的熔覆涂层表面进行粗糙度和残余应力测量分析，检验喷丸效果，控制粗糙度值在Ra3.2以下，残余压应力值在-220Mpa以下，如达不到要求，则继续实施激光喷丸处理至检验合格；

2.实施权利要求1所述的基于激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性方法的装置，包括同轴送粉式激光熔覆单元、激光喷丸强化单元、数控工作系统、测量反馈系统和中央控制及处理系统，中央控制及处理系统将上述各系统连接在一起，其中

同轴送粉式激光熔覆单元，包括二氧化碳激光器、氩气保护装置、全反光镜、导光管、送粉器和同轴送粉喷嘴组成的粉末供给装置；实现了送粉和熔覆的同时完成；用于进行熔覆层制备；

激光喷丸单元，包括钕玻璃激光器、全反光镜、导光管和光束转换及调节装置；用于在数控系统控制下，对熔覆涂层表面进行喷丸强化；

数控工作系统，包括多轴联动工作台、夹具装置和数控操作台，用于控制激光喷丸单元对熔覆涂层表面进行喷丸强化；

测量反馈系统，由残余应力测定仪、表面轮廓扫描仪组成，用于分别收集应力和表面粗糙度信息，并反馈给中央控制及处理系统；

中央控制及处理系统，包括计算机、中央控制及处理器、二氧化碳激光器控制器和钕玻璃激光器控制器，用于接受并处理测量反馈系统的熔覆层表面残余应力和表面粗糙度信息，选择激光喷丸工艺参数和喷丸后对熔覆层表面的处理。