CN102140637A

CN102140637A - 一种在基底上涂覆难熔金属材料的系统及激光熔覆方法

Info

Publication number: CN102140637A
Application number: CN2010101045694A
Authority: CN
Inventors: 虞钢; 武杨; 宁伟健; 郑彩云; 何秀丽
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明公开了一种在基底上涂覆难熔金属材料的系统及激光熔覆方法，该系统包括工作台、送粉头、激光头、控制装置、保护装置和送粉装置。本发明的激光熔覆方法使用短波长高功率密度Nd:YAG固体激光器。由于熔覆材料在下落过程中与激光作用时间较短，使用该激光器能够增加材料对激光能量的吸收率，同时采用大离焦量，一方面便于熔化高熔点的难熔金属粉末，另一方面，可以控制基底熔化程度，防止过度熔化。此外，大直径光斑有利于得到尺寸宽大的熔覆层，提高熔覆效率。本发明的方法采用同轴送粉方法，可以使熔覆材料与基材充分反应，并达到良好的结合效果。

Description

一种在基底上涂覆难熔金属材料的系统及激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种利用同轴送粉激光熔覆，在钢材料表面涂覆难熔金属化合物涂层的装置及方法。

背景技术

激光熔覆技术是一种沉积生成熔覆层的现代加工技术，具有柔性大、可形成非平衡相以及涂层组织细小等优点，有效的扩展了对材料的加工能力。工业发展对工作在恶劣环境下的零件性能提出了越来越苛刻的要求。难熔金属是一类熔点高于一般材料，具有高强度、耐磨损、耐高温特性的材料，因其价格昂贵，同时具有室温塑性较差、受热后脆性较大、高温下抗氧化能力不足等缺点，难于加工制作，最初应用于航空航天领域。近年来，随着加工技术的进步，难熔金属开始广泛的应用于各种领域当中。作为难熔金属中熔点最高的金属，钨及其化合物的具备更大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种以高功率密度Nd:YAG激光器作为热源，使用粒度细小的难熔金属粉末，采用同轴送粉方式在钢表面熔覆难熔金属化合物涂层的装置及方法。

本发明的涂覆难熔金属材料的系统，包括工作台、激光器、控制装置、保护装置和送粉装置，送粉装置中放有难熔金属材料粉末，并向送粉装置的送粉头中输入难熔金属材料粉末，激光器的激光头位于送粉头上方并且同轴设置，通过一可调激光头与送粉头之间距离的连接件将送粉头与激光头连接，激光头和送粉头悬吊在工作台上方；送粉头用于向工作台上输送难熔金属材料粉末，并通过激光头进行加工处理；工作台上用于放置待处理材料；工作台、送粉头和激光头设置在保护装置内，通过保护装置保持加工过程的气氛环境；控制装置用于激光头工作参数和状态的控制。

进一步，所述送粉装置上还设置有震动装置，用于提高送粉头中难熔金属粉末输送的流畅。

进一步，所述送粉装置为双料筒转盘式送粉器，可通过改变转速调整送粉速度。

进一步，所述保护装置为保护气氛箱，其由透明有机玻璃制成，上表面为耐热软材料密封，保证所述激光头和送粉头在其内能自由运动；保护气氛箱上还设置有用于输入惰性气体，排出空气的气体入口和气体出口，其上另设置有用于对保护气氛箱内部气体压力和气体温度进行测量的压力监测口和温度监测口。

进一步，所述系统中还包括用于监视熔覆过程的监视装置。

进一步，所述控制装置包括PC机、图像采集卡、输入输出卡和现场总线卡，用于对整个实验过程的工作参数和状态的控制。

本发明的在基底上涂覆难熔金属材料的激光熔覆方法，具体为：采用上述的系统，1)对熔覆材料进行预处理；2)在工作台上放置基底材料，将送粉头和激光头同轴置于保护装置中，调整送粉头、激光头的离焦量，并向保护装置中通入惰性气体；3)采用同轴送粉方法，同时对送粉器施加额外震动，使用Nd:YAG固体激光器输出连续激光，熔化难熔金属粉末和基底表面，使其共同形成熔池，多道搭接，逐层堆积形成熔覆层。

进一步，所述送粉头和激光头一起做往复循环运动。

进一步，所述基底材料为钢材料，所述熔覆材料为难熔金属粉末。

进一步，所述惰性气体为氩气。

本发明的激光熔覆方法中，激光束照射钢材基底表面，令激光能量足够使基底表面熔化形成熔池，同时采用同轴送粉方式，将难熔金属粉末以环形聚焦的形式送入激光束。粉末颗粒在下落过程中与激光束相互作用，吸收激光能量熔化，部分未完全熔化的粉末颗粒在进入基底熔池后吸收熔池热量熔化，熔化的粉末与熔化的基底表面共同形成熔池。随着激光束移动，熔池快速冷却凝固，经过多道搭接，逐层堆积形成所需厚度的熔覆层。

本发明的技术特点：

本方法使用短波长高功率密度Nd:YAG固体激光器。由于熔覆材料在下落过程中与激光作用时间较短，使用该激光器能够增加材料对激光能量的吸收率，同时采用大离焦量，一方面便于熔化高熔点的难熔金属粉末，另一方面，可以控制基底熔化程度，防止过度熔化。此外，大直径光斑有利于得到尺寸宽大的熔覆层，提高熔覆效率。

本方法采用同轴送粉方法，可以使熔覆材料与基材充分反应，并达到良好的结合效果。采用同轴送粉方法，由于无需在基底表面预先铺置熔覆材料的涂层，因此在熔覆开始后激光束可以直接照射到基材上，有利于基底表面熔化形成熔池。熔覆过程中粉末由送粉头送出，在下落过程中即进入激光束吸收激光能量，在到达基底表面前，部分颗粒已经熔化成为液滴，与未完全熔化的颗粒一起进入基底熔池，其后通过吸收基底熔池的热量以及继续受到激光束加热，粉末颗粒全部熔化与基材共同形成熔池。熔覆材料与基底材料在熔池中充分混合发生反应，生成金属化合物，凝固冷却后不容易出现裂纹气孔等缺陷。同轴送粉可调整粉末汇聚点与激光焦点的相对位置，并且空间分布均匀，有效的提高了粉末的利用率。

附图说明

图1为同轴送粉激光熔覆装置；

图2为同轴送粉头结构示意图；

图3为激光熔覆轨迹；

图4为激光熔覆表面形貌；

图5为熔覆层与基底截面显微硬度。

具体实施方式

本发明中使用德国TRUMPH 1kW YAG连续激光器，波长1.03μm，由于固体激光器波长短，能够增加材料对激光能量的吸收率。将基底和激光头、同轴送粉头放入保护气氛箱内，调整离焦量为较大离焦量的正离焦，一方面便于熔化高熔点的难熔金属粉末，另一方面，可以控制基底熔化程度，防止过度熔化。将难熔金属粉末根据需要进行预处理，如筛分、清洁、烘干除水分等。放入送粉器，随后调整粉末焦距，使粉末聚焦于基底表面。设定熔覆轨迹，封闭保护箱，开始充入氩气，防止难熔金属加工过程中的氧化。

熔覆中采用同轴送粉方式，激光束可以直接照射到钢材基底表面上，使基底表面熔化形成熔池。难熔金属粉末以环形聚焦的形式由送粉头送出，粉末颗粒在下落过程中即进入激光束吸收激光能量，在到达基底表面前，部分颗粒已经熔化成为液滴，与未完全熔化的颗粒一起进入基底熔池，其后通过吸收基底熔池的热量以及继续受到激光束加热，粉末颗粒全部熔化与基材共同形成熔池。熔覆材料与基底材料在熔池中充分混合发生反应，生成金属化合物。由于反应充分，熔池冷却凝固时不易出现裂纹气孔等缺陷，结合效果良好。为了克服一些大比重，颗粒形状不规则的难熔金属粉末，本方法在送粉器上施加额外震动，提高粉末输送的流畅性。难熔金属粉末颗粒在下落过程中与激光束相互作用，吸收激光能量熔化，部分未完全熔化的粉末颗粒在到达基底表面后进入基底熔池，吸收熔池热量熔化，熔化的粉末与熔化的基底表面共同形成熔池。随着激光束移动，熔池快速冷却，多道搭接，逐层堆积形成所需厚度的熔覆层。

根据难熔金属高温下易氧化的特性，本方法特别设计制作了惰性气体保护气氛箱，用于防止难熔金属加工过程中的氧化。

本方法利用难熔金属与钢进行反应，生成难熔金属化合物，不同化合物的性质不同，可以通过控制生成物的种类和含量来控制熔覆层的性能。

加工过程中通过控制熔覆工艺参数，控制难熔金属与钢生成化合物的种类和含量。不同成分的性质不同，因此可以得到不同性质的熔覆层。

如图1-3所示，本发明的系统及工作步骤具体如下：

1.将工作平台1置于保护装置5内，将准备好的基底置于工作平台上。其中保护装置为保护气氛箱，保护气氛箱由透明有机玻璃制成，便于观察加工过程，上表面为耐热软材料密封，可让激光同轴送粉头在其内自由运动；其上有气体入口和气体出口，用于输入惰性气体，排出空气，其上另有压力监测口和温度监测口，可以对其内部气体压力和气体温度进行测量。将熔覆材料粉末放入送粉装置6中，其中送粉装置为送粉器，送粉器为双料筒转盘式送粉器，可通过改变转速调整送粉速度。熔覆粉末由载气输送，经过一个分粉装置将粉末分为4路进入送粉头，使粉末在送粉头内的环形粉腔内分布均匀，最后从送粉头环形的出口喷出。

2.将同轴送粉头2和激光头3伸入保护装置中，其中同轴送粉头与激光头相连，激光束从同轴送粉头中心沿轴线穿过，其中送粉头中心有保护气通道23，用来保护激光头镜片被飞散的粉末污染。送粉头粉末出口为与激光束同轴的环形出口22。送粉头可通过调整与激光头距离来调整粉末聚焦点与激光束垂直方向位置。送粉头内部设有冷却水路21(两路水路)，从外部输入冷却水。调整离焦量，设定加工轨迹，密封保护装置。

3.向保护箱内通入惰性气体，排出空气，并使保护箱内压力保持正压。

4.将预热参数输入控制装置7，控制激光器按照预热轨迹开始对基底表面进行预热，重复轨迹循环。其中控制装置由至少一台PC机，一图像采集卡，一输入输出(IO)卡和一现场总线卡组成，上述PC机和各个功能卡采用已知技术进行连接，用于对整个实验过程的工作参数和状态的控制。

5.待基底预热充分后，将加工参数输入计算机，控制激光器开始进行熔覆，同时开启送粉器以及震动装置，开始输送熔覆材料粉末。沿熔覆轨迹加工一个循环后激光头提升一定高度进行下一个循环的熔覆。加工过程中可通过监视装置4，对熔覆过程进行监视。

6.熔覆过程结束后，计算机通过发送结束指令，激光器停止出光并停止运动，同时关闭送粉器停止送粉。

7.待试样冷却后关闭保护气体，打开保护箱，取出试样。

通过对A3钢表面激光熔覆难熔金属粉末，可以得到难熔金属化合物涂层，提高原有金属表面性能，并且可以通过控制工艺参数，达到不同的性能指标。

本实施例采用长200mm，宽50mm，厚20mm的A3钢板作为基底，使用难熔金属钨的纯金属粉末，平均颗粒度2μm。为防止粉末颗粒因吸附水分而影响输送，实验前对粉末进行筛分后，使难熔金属粉末分散开后在烘干箱内烘干6小时，然后放入送粉器中待用。

具体加工过程如下：

将基底放入保护气氛箱内，将同轴送粉头伸入保护箱内，调整离焦量，使得基底表面正离焦20mm，随后调整粉末焦距(送粉头下方12mm)，使粉末聚焦于基底表面，设定熔覆轨迹，如图2所示，每条熔覆道之间搭接率为50％，封闭保护箱，并充入氩气。

采用激光功率900W，扫描速度2mm/s，沿熔覆轨迹对基底表面进行预热，设定预热循环8次，可通过CCD观察预热程度。

到达预热循环次数后，开启送粉器，调整送粉量至1g/min，控制程序进入熔覆循环，熔覆功率1000W，扫描速度2mm/s，熔覆循环12次，每个循环后同轴送分头向上提升固定高度0.1mm。

熔覆循环结束后停止出光，关闭送粉器，继续向保护箱内通氩气至冷却较低温度(试件温度低于300℃)。

以A3钢为基底，纯钨粉末为熔覆材料，利用同轴送粉激光熔覆的涂层表面形貌如图4所示。

对内部组织及成分进行分析，结果表明，内部含有Fe₇W₆和Fe₂W，通过改变实验参数可以得到不同的显微组织及成分。

改变离焦量和扫描速度，使离焦量为15mm，速度为1mm/s，得到的熔覆层成分中Fe₇W₆和Fe₂W的比例和形貌改变，对应的硬度也不同。

对熔覆层横截面进行显微硬度测试，测试结果如图5所示。通过对A3钢表面激光熔覆难熔金属W粉末，生成了由化合物Fe₇W₆和Fe₂W以及Fe组成的熔覆层，有效提高了金属表面硬度，并且通过改变工艺参数，可根据需求得到不同硬度(500-750Hv)的涂层。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式作出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims

1.一种涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，包括工作台、激光器、控制装置、保护装置和送粉装置，送粉装置中放有难熔金属材料粉末，并向送粉装置的送粉头中输入难熔金属材料粉末，激光器的激光头位于送粉头上方并且同轴设置，通过一可调激光头与送粉头之间距离的连接件将送粉头与激光头连接，激光头和送粉头悬吊在工作台上方；送粉头用于向工作台上输送难熔金属材料粉末，并通过激光头进行加工处理；工作台上用于放置待处理材料；工作台、送粉头和激光头设置在保护装置内，通过保护装置保持加工过程的气氛环境；控制装置用于激光头工作参数和状态的控制。

2.如权利要求1所述的涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，所述送粉装置上还设置有震动装置，用于提高送粉装置中难熔金属粉末输送的流畅。

3.如权利要求1所述的涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，所述送粉装置为双料筒转盘式送粉器，可通过改变转速调整送粉速度。

4.如权利要求1所述的涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，所述保护装置为保护气氛箱，其由透明有机玻璃制成，上表面为耐热软材料密封，保证所述激光头和送粉头在其内能自由运动；保护气氛箱上还设置有用于输入惰性气体，排出空气的气体入口和气体出口，其上另设置有用于对保护气氛箱内部气体压力和气体温度进行测量的压力监测口和温度监测口。

5.如权利要求1所述的涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，所述系统中还包括用于监视熔覆过程的监视装置。

6.如权利要求1所述的涂覆难熔金属材料的系统，其特征在于，所述控制装置包括PC机、图像采集卡、输入输出卡和现场总线卡，用于对整个实验过程的工作参数和状态的控制。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的涂覆难熔金属材料的系统进行激光熔覆的方法，具体为：1)对熔覆材料进行预处理；2)在工作台上放置基底材料，将送粉头和激光头同轴置于保护装置中，调整送粉头、激光头的离焦量，并向保护装置中通入惰性气体；3)采用同轴送粉方法，同时对送粉装置施加额外震动，使用Nd:YAG固体激光器输出连续激光，熔化难熔金属粉末和基底表面，使其共同形成熔池，多道搭接，逐层堆积形成熔覆层。

8.如权利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，步骤1)中的预处理步骤包括筛分、清洁、烘干除水分。

9.如权利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，所述基底材料为钢材料，所述熔覆材料为难熔金属粉末。

10.如权利要求7所述的激光熔覆的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。