CN102383124A - 一种间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，属于表面处理技术领域。将熔覆试样以夹具装置固定于电磁振动台的台面，采用侧向同步送粉法，在激光熔覆过程中辅助辅助低振幅高频率间歇驻留振动，使金属液在熔池凝固过程中间歇受到机械振动提供的激振力，得到高质量的熔覆层。本方法能促进补缩通道形成，间歇振动加快熔覆过程中残余气体的溢出，抑制熔覆层内部微气泡残留，改善熔覆层凝固后表面宏观质量，减少后续加工量，提高熔覆层的表面综合性能。适用于金属零件的激光熔覆表面强化、成形、以及中型部件表面修复等相关领域，改善熔覆层质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，属表面处理技术领域。
背景技术
随着激光技术的快速发展，激光熔覆技术近十几年来在金属材料表面强化领域得到了广泛的应用。其技术特点是在基材表面添加所需要的熔覆材料，利用高能密度激光束快速加热，使熔覆材料和基底表层同时熔化，并通过基材的激冷作用来实现快速凝固，从而形成与基材呈现冶金结合、且稀释率极低的表面复合涂层。采用激光熔覆在材料和零件表面制备硬质合金涂层一直受到广泛的关注，主要研究工作集中在镍基、钴基和铁基合金中添加少量碳化物形成金属基复合涂层，在金属切削加工、矿山采掘、石油钻井、地质勘探和国防军工等方面得到广泛应用，但气孔一直是激光熔覆硬质合金尚未很好解决的关键问题。
经对国内外公开发表的相关文献检索发现，目前减少熔覆层气孔率和消除气孔的主要方法是向熔覆粉末中加入稀土元素，例如，李强等在《激光杂志》中讲述了在Ni60WC25合金粉末中加入适量In2O3，通过抑制WC分解来降低熔池内C的含量，以减小熔池内形成CO和CO2的可能性，从而减少和消除熔覆层内部气孔。但是此种方式有一定的局限性，不同合金粉末所用稀土元素及配比需要大量实验进行匹配和验证，不利于推广和工程实际应用。
振动应用在金属铸件的历史可以追溯到20世纪50、60年代，当时已有振动可能改变部分微观结构、改善力学性能、减少缺陷的观点。经检索，尚未发现利用外加间歇驻留机械振动来降低激光熔覆层内气孔率和消除表面气孔的方法。
发明内容
本发明的目的是一种间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，利用间歇驻留机械振动，抑制和消除在激光熔覆层内部及表面形成的气孔，降低大面积熔覆后的机加工量，从而优化其微观致密程度和降低后续加工量。
本发明的技术方案是：间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，在基体表面制备激光熔覆层，在激光熔覆过程中，同时引入对基体表面熔池的间歇驻留机械振动，在间歇驻留机械振动的条件下，用普通激光熔覆技术在基体表面制备熔覆层。具体的操作步骤是：首先，对待熔覆基体进行预处理，将基体表面抛光和用丙酮进行清洗后，使用夹具装置将预处理后待熔覆的基体材料固定在振动台的载物台面上，并将振动台置于数控运动台上；然后，设置振动台工艺参数并选择振动方式为间歇驻留机械振动，随即启动振动台将间歇驻留机械振动传递给基体材料，再使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，按普通激光熔覆表面处理工艺，在基体表面制备激光熔覆层，用连续激光照射基体表面并通过数控运动台的运动实现激光对基体表面的扫描，同时将在高压氩气保护下的合金粉末喷在连续激光前端，在熔覆基体表面形成合金粉末熔池，利用间歇驻留机械振动从振动到停止再到振动的往复过程所产生的间歇激振力，为熔池中气泡（尤其是微小气泡）上浮提供足够的通道及上浮力，加速熔覆过程中残余气体溢出，抑制熔覆层内部微气泡残留，从而抑制和消除熔覆层内部及表面的缩孔及气孔。
所述机械振动的频率为170~400Hz、振幅为20~90μm，间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为0.5~1.5秒（间歇-驻留每隔0.5~1.5秒自动转换），振动参数根据实际需要在给定范围内选择，保证激光熔覆层的内部微孔和表面气孔达到预期目标即可。振动频率和振幅的调整，可通过调节振动台控制系统的输出功率大小实现；间歇驻留间隔动作和时间通过振动台控制系统输出信号控制；所使用的振动台是普通电磁振动台（普通电磁振动装置）。
为实现本发明所使用的设备主要包括同步送粉式激光熔覆装置、振动台和振动控制装置。同步送粉式激光熔覆装置可采用普通侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备。振动台可采用普通的机械振动台（如普通电磁振动装置），也可采用由机体、装于机体中的电磁振动装置、装于电磁振动装置上端的振动载物台面8、装于振动载物台面上的夹具装置7、以及振动控制电路组成的电磁振动机构，电磁振动装置包括铁芯、线圈和衔铁，夹具机构7为与振动载物台面8螺纹配合的螺栓或固于其上的夹钳机构，振动控制电路为普通基于信号控制的供电电路（信号控制的电压和电流输出模块）。振动控制系统包括显示器12、信号处理与控制装置13、功率放大器11和振动感应探头9，显示器12与信号处理与控制装置13相连，信号处理与控制装置13的输出端与功率放大器11相连，功率放大器11输出端与电磁振动台控制信号输入端14相连，功率放大器11上设有调节功率输出的调节旋钮10，振动感应探头9与信号处理与控制装置13的输入端相连。显示器12显示信号处理与控制装置13设定的工作台振动参数值，信号处理与控制装置的信号经放大器11处理后经振动台的控制信号输入端14输入给振动台的信号控制供电电路驱动振动台振动，振动感应探头9从振动载物台面8采集振动频率和振幅信号，经信号处理与控制装置13处理后反馈即时振动台的振动频率和振幅，从而达到调节和控制振动参数的目的，整个过程为闭环控制。功率放大器11为普通功率放大器，信号处理与控制装置13为具有数据处理和控制信号输出功能的数据处理装置（如，单片机或计算机），振动感应探头9为普通振动传感器，显示器12可采用普通液晶显示器。
本发明在激光熔覆过程中引入间歇驻留机械振动，通过间歇驻留振动过程，改善表面熔池液态金属的流动性，使液体更容易向树枝状结晶间的空隙补充，已形成的微小气泡也随间歇驻留机械振动不断上浮，避免了微小气泡的遗留，从而减少熔覆层的缩孔。而间歇时段有利于熔体形核长大，可抑制和消除熔覆结束后涂层内微孔数量，使得在微观组织致密的同时，又可提高熔覆层的表面质量。通过调整振动频率、振幅和间歇-驻留间隔时间等工艺参数，对熔覆的金属零件中气孔进行控制，可使微观结构更致密，降低激光熔覆涂层内部气孔率及消除表面气孔，获得微观结构致密、表面光滑的激光熔覆层。本发明适用于金属零件的激光熔覆成形及修复、以及激光熔覆表面强化等相关技术领域。
附图说明
图1本发明工艺流程图；
图2本发明实施例所用振动装置示意图；
图3为本发明无机械振动时在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的宏观形貌图；
图4为本发明无机械振动时在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的SEM形貌图；
图5为本发明实施例1间歇驻留机械振动下在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的宏观形貌图；图中，（a）为振幅60μm、频率100Hz的状况，间歇驻留模式间隔时间1秒；（b）为振幅60μm、频率200Hz的状况，间歇驻留模式间隔时间1秒；（c）为振幅60μm、频率300Hz的状况，间歇驻留模式间隔时间1秒；
图6为本发明实施例1振幅60μm、频率100Hz间歇驻留机械振动下在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的SEM形貌；
图7为本发明实施例1振幅60μm、频率200Hz间歇驻留机械振动下在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的SEM形貌；
图8为本发明实施例1振幅60μm、频率300Hz间歇驻留机械振动下在45钢基上激光熔覆Ni60CuMoW合金层的SEM形貌。
图2中各标号依次为：1-同步送粉喷嘴，2-合金粉末，3-CO2激光器激光头，4-连续激光，5-激光熔覆层，6-熔覆基体，7-夹具装置，8-振动台台面，9-振动感应探头，10-功率放大器调节旋钮，11-功率放大器，12-振动台参数显示器，13-振动台控制装置，14-控制信号输入端，15-电磁振动台，16-数控运动台，17-同步送粉器，18-氩气保护装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。
实施例1：通过本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，在尺寸为100mm×40mm×6mm的45钢板材基体上，进行Ni60CuMoW自熔性合金的激光熔覆。所用熔覆材料为熔点1024℃、平均粒度80μm 的Ni60CuMoW自熔性合金粉末（质量百分比组分：Cr14~19%，Si3.5~5.0%，B3.0~4.5%，C0.5~1.0%，Fe＜8.0%，Cu2~4%，Mo2~4%，W2~3%，余量Ni）。
参见图1，本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，是在间歇驻留机械振动的同时，使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，采用普通激光熔覆方法，在45钢板基体表面制备Ni60CuMoW合金熔覆层。具体步骤是：首先，预处理45钢板基体6的表面，将其表面抛光后用丙酮清洗，使用夹具装置7将预处理后的45钢板基体6固定在电磁振动台15的振动载物台面8上，并将电磁振动台15置于数控运动台16上；然后，在激光熔覆开始前10秒启动电磁振动台15，调整其机械振动振幅60μm、频率100Hz，间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为1秒，将机械振动传递给基体6；在间隔驻留机械振动的条件下，使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，按普通激光熔覆表面处理工艺，在基体表面制备激光熔覆层，由二氧化碳激光器激光头3将连续激光4照射在熔覆基体6的表面，并通过数控操作台16的移动实现熔覆的扫描过程；同时，由同步送粉器17在氩气保护装置18提供高压氩气保护的情况下、经同步送粉喷嘴1将合金粉末2喷在连续激光4的前端，从而在熔覆基体表面形成合金熔池；在驻留振动的过程有利于改善表面熔池液态金属的流动性，使液体更容易向树枝状结晶间的空隙补充，利于减少缩孔，在间歇过程中利于形核长大，从而获得微观结构致密，表面光滑的激光熔覆层5。整个熔覆过程中，所用激光功率为4kW、扫描速度为600mm/min、光斑形状尺寸6mm× 5mm，采用单道送粉，送粉速率为8.5g/min。在整个熔覆过程中，振动台为间歇驻留振动。
参见图2，为配合本方法的实施，使用同步送粉式激光熔覆装置、振动台和振动控制系统。侧向同步送粉式激光熔覆装置为普通6kW横流侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，包括二氧化碳激光器激光头3、数控运动台16、同步送粉喷嘴1、同步送粉器17和氩气保护装置18。电磁振动台15包括机体、装于机体中的电磁振动装置、装于电磁振动装置上端的振动载物台面8、装于振动载物台面上的夹具装置7、以及振动控制电路组成，电磁振动装置包括铁芯、线圈和衔铁，夹具机构7为与振动载物台面8螺纹配合的螺栓机构，振动控制电路为普通基于信号控制的供电电路。振动控制系统包括显示器12、信号处理与控制装置13、功率放大器11和振动感应探头9，显示器12与信号处理与控制装置13相连，信号处理与控制装置13的输出端与功率放大器11相连，功率放大器11与电磁振动台控制信号输入端相连，功率放大器11上设有调节功率输出的调节旋钮10，振动感应探头9与信号处理与控制装置13的输入端相连。显示器12显示信号处理与控制装置13设定的工作台振动参数值，信号处理与控制装置的信号经放大器11处理后经振动台的控制信号输入端14输入给振动台的信号控制供电电路驱动振动台振动，振动感应探头9从振动载物台面8采集振动频率和振幅信号，经信号处理与控制装置13处理后反馈即时振动台的振动频率和振幅，从而达到调节和控制振动参数的目的，整个过程为闭环控制。功率放大器11为普通功率放大器，振动控制装置13为单片机8051，振动感应探头9为普通振动传感器，显示器12为普通液晶显示器。
对经上述过程所得的镍基合金熔覆层，沿垂直于激光熔覆扫描方向取样，宏观形貌图如图5中（a）所示；该样经镶嵌、研磨和抛光，用王水腐蚀剂腐蚀后得到金相试样，使用扫描电子显微镜扫描的微观组织如图6所示。
实施例2：本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，熔覆的材料、采用的工艺过程和使用的设备均与实施例1相同，机械振动的振幅60μm、频率200Hz、间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为1秒。所获得熔覆层宏观形貌图如图5中（b）所示。使用扫描电子显微镜扫描的微观组织如图7所示。
实施例3：本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，熔覆的材料、采用的工艺过程和使用的设备均与实施例1相同，机械振动的振幅60μm、频率300Hz、间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为1秒。所获得熔覆层宏观形貌图如图5中（c）所示。使用扫描电子显微镜扫描的微观组织如图8所示。
实施例4：本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，熔覆的材料、采用的工艺过程和使用的设备均与实施例1相同，机械振动的振幅为20μm、频率为400 Hz、间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为0.5秒。
实施例5：本间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，熔覆的材料、采用的工艺过程和使用的设备均与实施例1相同，机械振动的振幅为90μm、频率为170Hz、间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为1.5秒。
本发明中，振动参数可能需要根据不同的对象进行调整确定。具体方法是：在正式确定激光熔覆之前，先用与实际对象相同的基体材料和合金粉、与实际操作相同的工艺方法，进行实验得到熔覆层，采用XTL-330型连续变倍体视显微镜下观察熔覆层表面的气孔集中情况，若不符合要求，则通过振动控制反馈系统调整振动参数进行二次试验，直到符合要求，然后采用XL30ESEM-TMP型扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）涂层截面的显微组织，是否存在缩孔，达到要求后，确定最终振动参数。需要调整振动台参数时，通过振动控制系统的振动控制装置13，设定振动台工艺参数，经功率放大器11处理后，通过控制信号输入端14输入信号，控制电磁振动台15中电磁振动装置的工作电压和频率，即可改变电磁振动台的振动参数。
通过对比本方法和未采用机械振动措施的熔覆层显微组织，可以看出两者的明显差异。图3和图4是未加机械振动的镍基合金熔覆层的宏观形貌图和SEM形貌图，图5~8是加间歇驻留机械振动的镍基合金熔覆层的宏观形貌图和截面显微组织分布图。光学显微镜下观察未加间歇驻留机械振动的熔覆层宏观表面宽度较窄，表面中部有气孔集中现象。熔覆层截面的显微组织采用XL30ESEM-TMP型扫描电子显微镜（SEM）观察。图4反映了基材与涂层间的结合界面处集中的气孔明显存在，且涂层中分布着中小尺寸的缩孔。光学显微镜下观察有间隔驻留机械振动且频率100Hz时熔覆层宽度增加，熔覆层宏观表面光亮且未观察出表面气孔集中现象（图5a），图6反应了激光熔覆层截面内部也分布着中小尺寸缩孔，但结合界面处已无气孔集中，说明提供外加振动对气孔的产生有一定改善作用；有间隔驻留机械振动且频率200Hz时激光熔覆层表面已无明显的气孔，宽度增加且表面无波纹（图5b），图7反应了激光熔覆层截面内部气孔尺寸进一步减小，且结合界面处已无气孔集中，说明对熔覆层内缩孔的改善作用得到了增强；有间隔驻留机械振动且频率300Hz时熔覆层表面光亮（图5c），有少量波纹出现，图8反应了激光熔覆层截面内部有少量缩孔，结合界面处无气孔。
通过以上的对比分析，可得出相比未加机械振动的熔覆层，通过熔覆过程中施加间隔驻留机械振动，在一定的频率范围内，显微组织致密，基体与涂层良好的结合界面、激光熔覆层表面和截面内部中气孔尺寸明显减小，微孔数量下降，综合质量得到有效改善。可见，本发明解决了激光熔覆熔池中因来源于硬质合金元素中残留的游离碳、基材中含有的碳和熔覆过程中惰性气体保护不善或是与硬质合金粉末氧化的O反应形成的CO或CO2，在激光熔覆快速凝固过程中来不及逸出而形成内部缩孔和表面气孔的问题。这将对激光熔覆技术在实际生产中，获取高质量，加工余量小的熔覆层提供新的熔覆工艺方法，将在应用推广方面起到重要作用。
Claims (5)
1.一种间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，在基体表面制备激光熔覆层，其特征在于：在熔覆过程中，同时引入对基体表面熔池的间歇驻留机械振动，在间歇驻留机械振动条件下，用激光熔覆技术在基体表面制备熔覆层。
2.根据权利要求1所述间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，其特征在于：具体的操作步骤是：首先，对待熔覆基体进行预处理，将基体表面抛光和用丙酮进行清洗后，使用夹具装置将预处理后待熔覆的基体材料固定在振动台的载物台面上，并将振动台置于数控运动台上；然后，设置振动台工艺参数并选择振动方式为间歇驻留机械振动，随即启动振动台将间歇驻留机械振动传递给基体材料，再使用侧向同步送粉式二氧化碳激光熔覆设备，按普通激光熔覆表面处理工艺，在基体表面制备激光熔覆层，用连续激光照射基体表面并通过数控运动台的运动实现激光对基体表面的扫描，同时将高压氩气保护下的合金粉末喷在连续激光前端，在熔覆基体表面形成合金粉末熔池，利用间歇驻留机械振动的往复式过程所产生的间歇激振力，为熔池中气泡上浮提供足够的通道及上浮力，加速熔覆过程中残余气体溢出，抑制和消除熔覆层内部及表面的缩孔和气孔。
3.根据权利要求1或2所述间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，其特征在于：所述机械振动的频率为170~400Hz。
4.根据权利要求1或者2所述的间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，其特征在于：所述机械振动的振幅为20~90μm。
5.根据权利要求1或2所述间歇驻留机械振动控制激光熔覆层气孔的方法，其特征在于：间歇驻留机械振动的间歇-驻留间隔时间为0.5~1.5秒。
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