CN102703897A - 一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法及其装置，属表面改性装备技术领域。用常规预置或者送粉式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。装置包括激光器、送粉器、送粉喷嘴、工作面板、磁极、反光镜，所述送粉器通过送粉喷嘴向工作面板上的基材表面喷施粉末，激光器通过反光镜向工作面板上的基材表面进行激光熔覆，工作面板周围设置旋转磁场。通过顺序对励磁绕组通断电产生旋转磁场，用于材料表面激光熔覆涂层的结构和性能优化，实现激光熔覆过程中微观组织改善和表面综合性能提高。装置具有小型化、易装配、拆卸等优点。
Description
技术领域
本发明提供一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法及其装置，属于材料表面改性装备技术领域。
背景技术
随着近年来激光熔覆表面改性技术在生物、航空、航天、机械、材料、冶金、矿山、核电等领域的进一步广泛应用，对激光熔覆改性涂层的微观组织结构、物化性能、力学性能、光电性能及生物医学性能等提出了越来越高的要求。但激光熔覆涂层普遍存在熔覆层组织不够均匀、易出现气孔和裂纹等缺陷。为了有效弥补激光熔覆的不足，充分发挥其优势，近年来研究人员提出外加磁场辅助激光焊接和激光熔覆的新思路。根据国内外现有的研究和报道，外加磁场的形式有纵向磁场、横向磁场等，但这些磁场都属于静态下的磁场，磁场分布局限在空间某一位置，并且磁力线的方向始终固定。通过试验研究证明，这些静态形式的磁场都能对激光焊接、激光熔覆过程中熔池内的金属流动和结晶产生一定的影响，从而影响熔池内金属的传质和传热过程，以致改善其工艺，提高熔覆层的质量。
虽然静态磁场可以对熔池内金属的传质和传热产生影响，但静态磁场在某一时刻只能对熔池内金属在特定的方向上影响传质和传热过程。因此，静态磁场对改善工艺依然存在较大的局限性。如果能研制出一种具有多方向的旋转磁场影响熔池金属传质和传热的工艺，对进一步改善激光熔覆复合涂层的微观组织形态，提高激光熔覆涂层的表面综合性能将具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有激光熔覆设备静态磁场之不足，提供一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法及其装置，提供旋转磁场辅助激光熔覆工艺，优化激光熔覆涂层的组织结构和涂层综合表面性能。
本发明通过下列技术方案实现：一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，用常规预置或者送粉式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，所述激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。
所述Fe60合金粉末粒度为10～500 μm，各成分质量比（wt.%）为：C 0.1～2%、B 0.5～5%、Si 0.5～5%、Ni 0.5～10%、Cr 0.5～20%、余量为Fe。
所述基材为各类碳钢、不锈钢、铸铁。
所述采用激光熔覆的工艺参数为：离焦量（基材熔覆表面到光束焦点的垂直距离）50～70mm，光斑直径约为4～8mm；送粉速度为5～35 g/min，预置涂层厚度0.5～2mm，保护气体为氩气，氩气流速为5～25L·h-1，激光功率为3～5KW，扫描速度为200～400mm/min，旋转磁场强度为100～300GS。
所述旋转磁场通过间隔交叉分布的多对励磁绕组的顺序通、断电来产生旋转磁场，磁场旋转一周所需要的时间为40毫秒，1min磁场的旋转速度v为500r/min。
通过调节励磁绕组的顺序通断电时间间隔和周期、以及励磁电流的大小，即可方便地实现磁场旋转频率和磁场强度的大小变化。控制电路通过键盘设置单片机控制继电器的通断电时间参数t（t≥10ms），以及每个继电器通断电周期N（N≥0）。为实现两对激磁线圈的顺序通断电，N设置为1，t设置10ms，即控制每对磁极的继电器通电和断开的时间为20ms（毫秒），共有2对磁极。
本发明的另一目的在于提供一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的装置，包括激光器、送粉器、送粉喷嘴、工作面板、磁极、反光镜，所述送粉器通过送粉喷嘴向工作面板上的基材表面喷施粉末，激光器通过反光镜向工作面板上的基材表面进行激光熔覆，工作面板周围设置旋转磁场。
所述旋转磁场包括励磁绕组，励磁绕组为2～6对并围成圆周，每对角度间隔为30～90°。每个绕组中线圈采用间隔式分布，使层与层之间线圈产生的热量不叠加，从而保证每层线圈不会因功率过大而烧坏；同时励磁绕组外保护罩上开有散热孔，有助于线圈冷却。
当进行激光熔覆时，将基材放置在励磁绕组（即放置在旋转磁场）中心处，并随机床移动，从而完成旋转磁场辅助激光熔覆。
本发明通过改变该旋转磁场的旋转频率和励磁电流的大小，可便捷而有效地改善激光熔覆工艺，改善熔池内液态金属的传质和传热过程，基材组织得到细化和均匀分布，用于基材表面激光熔覆涂层的结构和性能优化，旋转的磁场加到正在进行激光熔覆的工件上，实现激光熔覆过程中微观组织改善和表面综合性能提高。本发明的装置具有小型化、拆卸等优点，可在较小的环境空间内进行磁化处理，满足各种工程和工况条件下磁化处理的需要。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；图中，1-激光器、2-送粉器、3-送粉喷嘴、4-工作面板、5-磁极、6-反光镜、7-基材、8-励磁绕组；
图2为产生旋转磁场的某个过程示意图；
图3为产生旋转磁场的某个过程示意图；
图4为未施加旋转磁场时激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的金相图；
图5为旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的金相图。
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，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1
激光熔覆基材为Q235钢，其化学成分如表1所示，机械加工成100 mm 
20mm
10 mm的金属试样，表面经除锈、除油、打磨处理后，再用丙酮清洗。
表1 Q235化学成分（质量分数, %）
| 元素 | C | Mn | Si | S | P Fe |
| 含量 | 0.14～0.21 | 0.36～0.64 | ≤0.3 | ≤0.05 | ≤0.045 余量 |
Fe60合金粉末粒度为10μm，各成分质量比（wt.%）为：C 0.15%、B 3%、Si 3.6%、Ni 3%、Cr 20%、余量为Fe。
用常规预置式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。采用激光熔覆的工艺参数为：离焦量（基材熔覆表面到光束焦点的垂直距离）55mm，光斑直径约为6mm；送粉速度为30 g/min，预置涂层厚度1mm，保护气体为氩气，氩气流速为20L·h-1，激光功率为4.2KW，扫描速度为300mm/min，旋转磁场强度为255GS。旋转磁场通过间隔交叉分布的多对励磁绕组的顺序通、断电来产生旋转磁场，磁场旋转一周所需要的时间为40毫秒，1min磁场的旋转速度v为500r/min。
使用的装置包括激光器1、送粉器2、送粉喷嘴3、工作面板4、磁极5、反光镜6，所述送粉器2通过送粉喷嘴3向工作面板4上的基材7表面喷施粉末，激光器1通过反光镜6向工作面板4上的基材7表面进行激光熔覆，工作面板4周围设置旋转磁场5；其中旋转磁场5包括励磁绕组8，励磁绕组为2对并围成圆周，每对角度间隔为90°。
旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层金相图参见图5。图4为不施加旋转磁场时激光熔覆涂层的显微组织图，由图可知，涂层底部主要是柱状硬质相，中上部为一次树枝状硬质相，柱状和树枝状硬质相沿涂层底部向顶部生长。图5为施加旋转磁场时激光熔覆涂层的显微组织图，由图可知，涂层底部显微组织形貌主要为块状，与图4涂层底部显微组织形貌明显不同，并且此试样涂层显微组织形貌在整体上比较统一，主要为碎断或破碎的枝晶状硬质相，这说明在旋转磁场产生的电磁搅拌作用下，涂层显微组织得到细化和均匀分布。
实施例2
激光熔覆基材为铁素体不锈钢，机械加工成100 mm
20mm
10 mm的金属试样，表面经除锈、除油、打磨处理。
Fe60合金粉末粒度为200 μm，各成分质量比（wt.%）为：C 0.1%、B 0.5%、Si 0.5%、Ni 0.5%、Cr 0.5%、余量为Fe。
用常规送粉式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。采用激光熔覆的工艺参数为：离焦量（基材熔覆表面到光束焦点的垂直距离）50mm，光斑直径约为4mm；送粉速度为5g/min，预置涂层厚度0.5mm，保护气体为氩气，氩气流速为5L·h-1，激光功率为3KW，扫描速度为200mm/min，旋转磁场强度为100GS。旋转磁场通过间隔交叉分布的多对励磁绕组的顺序通、断电来产生旋转磁场，磁场旋转一周所需要的时间为40毫秒，1min磁场的旋转速度v为500r/min。
使用的装置包括激光器1、送粉器2、送粉喷嘴3、工作面板4、磁极5、反光镜6，所述送粉器2通过送粉喷嘴3向工作面板4上的基材7表面喷施粉末，激光器1通过反光镜6向工作面板4上的基材7表面进行激光熔覆，工作面板4周围设置旋转磁场5；其中旋转磁场5包括励磁绕组8，励磁绕组为4对并围成圆周，每对角度间隔为45°。
实施例3
激光熔覆基材为铸铁，机械加工成100 mm
20mm
10 mm的金属试样，表面经除锈、除油、打磨处理后，再用丙酮清洗。
Fe60合金粉末粒度为500 μm，各成分质量比（wt.%）为：C 2%、B 5%、Si 5%、Ni 10%、Cr 20%、余量为Fe。
用常规送粉式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。采用激光熔覆的工艺参数为：离焦量（基材熔覆表面到光束焦点的垂直距离）70mm，光斑直径约为8mm；送粉速度为35 g/min，预置涂层厚度2mm，保护气体为氩气，氩气流速为25L·h-1，激光功率为5KW，扫描速度为400mm/min，旋转磁场强度为300GS。旋转磁场通过间隔交叉分布的多对励磁绕组的顺序通、断电来产生旋转磁场，磁场旋转一周所需要的时间为40毫秒，1min磁场的旋转速度v为500r/min。
使用的装置包括激光器1、送粉器2、送粉喷嘴3、工作面板4、磁极5、反光镜6，所述送粉器2通过送粉喷嘴3向工作面板4上的基材7表面喷施粉末，激光器1通过反光镜6向工作面板4上的基材7表面进行激光熔覆，工作面板4周围设置旋转磁场5；其中旋转磁场5包括励磁绕组8，励磁绕组为6对并围成圆周，每对角度间隔为30°。
Claims (7)
1.一种旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，用常规预置或者送粉式激光熔覆在基材表面制备Fe60合金复合涂层，其特征在于：所述激光熔覆时基材放置在旋转磁场中心处，使送粉式激光熔覆的过程在旋转磁场下进行。
2.根据权利要求1所述的旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，其特征在于：所述Fe60合金粉末粒度为10～500 μm，各成分质量比（wt.%）为：C 0.1～2%、B 0.5～5%、Si 0.5～5%、Ni 0.5～10%、Cr 0.5～20%、余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，其特征在于：所述基材为碳钢、不锈钢、铸铁。
4.根据权利要求1所述的旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，其特征在于：所述采用激光熔覆的工艺参数为：离焦量（基材熔覆表面到光束焦点的垂直距离）50～70mm，光斑直径约为4～8mm；送粉速度为5～35 g/min，预置涂层厚度0.5～2mm，保护气体为氩气，氩气流速为5～25L·h-1，激光功率为3～5KW，扫描速度为200～400mm/min，旋转磁场强度为100～300GS。
5.根据权利要求1所述的旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的方法，其特征在于：所述旋转磁场通过间隔交叉分布的多对励磁绕组的顺序通、断电来产生旋转磁场，磁场旋转一周所需要的时间为40毫秒，1min磁场的旋转速度v为500r/min。
6.一种权利要求1～5的任意旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层方法的装置，其特征在于：包括激光器、送粉器、送粉喷嘴、工作面板、磁极、反光镜，所述送粉器通过送粉喷嘴向工作面板上的基材表面喷施粉末，激光器通过反光镜向工作面板上的基材表面进行激光熔覆，工作面板周围设置旋转磁场。
7.根据权利要求6的所述旋转磁场辅助激光熔覆制备Fe60复合改性涂层的装置，其特征在于：所述旋转磁场包括励磁绕组，励磁绕组为2～6对并围成圆周，每对角度间隔为30～90°。
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