CN103602977A - 脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲电流辅助激光熔覆制备金属涂层的方法及其装置，属于激光加工及材料表面改性装备技术领域。该包括以下过程：在导电基体表面将金属粉末送至激光光斑处，进行激光熔覆；在激光熔覆的同时施加脉冲电流作用于熔池，激光熔覆过程结束时即刻停止输送脉冲电流，所述脉冲电流波形为矩形方波，脉冲电流均值I=6～100A，脉冲宽度为η=100μs～4000μs，脉冲频率为f=50～2KHz。本发明可显著细化激光熔覆时熔覆层的凝固组织，并使得组织分布更加均匀；当脉冲电流作用于熔体时，通过调节脉冲电流平均值、脉冲宽度及脉冲频率可以控制熔覆层凝固过程，以获得细化的晶粒和均匀的组织成分。

Description

脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法及其装置

技术领域

    本发明涉及一种脉冲电流辅助激光熔覆制备金属涂层的方法及其装置，属于激光加工及材料表面改性装备技术领域。

背景技术

    随着社会的快速进步和发展，人们对支撑现代社会发展的三大支柱之一——“材料”的性能要求越来越高。为了提高材料的表面性能、拓展材料的使用领域和范围，科研人员已开发了多种用于材料表面改性的技术，形成了欣欣向荣的材料表面工程科学。激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术。它通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成冶金结合的改性熔覆层。激光熔覆技术由于具有稀释度小、涂层与基体结合好、对基体材料的适用范围宽、改善性能幅度大的优点而获得了广泛、深入的发展和应用。尤其是在航空、航天、汽车、模具、石油、电力等行业，激光熔覆技术的应用已初具规模。但是，激光熔覆涂层也存在着熔覆层组织不均匀、易出现气孔及裂纹等缺陷，这是制约激光熔覆技术获得产业化推广的主要因素。

    为了解决上述问题，部分研究人员尝试了多种方法，如对熔覆层进行后续热处理、在激光熔覆时辅以电磁搅拌等。在激光熔覆后用热处理的方法可以在一定程度上减小熔覆层内部残余应力，却也容易导致晶粒粗大，降低其屈服强度。而使用电磁搅拌辅助激光熔覆，虽能细化晶粒，却容易在熔池里搅入空气生成金属氧化物，且设备庞大、操作复杂，较难实现工业推广。

发明内容

    本发明的目的是提供一种脉冲电流细化激光熔覆层凝固组织、促进组织成分分布均匀的方法及装置，致力于改善激光熔覆涂层组织结构及综合性能。

本发明通过下列技术方案实现：一种脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，在导电基体表面将金属粉末送至激光光斑处，进行激光熔覆；在激光熔覆的同时施加脉冲电流作用于熔池，激光熔覆过程结束时即刻停止输送脉冲电流，所述脉冲电流波形为矩形方波，脉冲电流均值I=6～100A，脉冲宽度为η=100μs～1000μs，脉冲频率为f=50～2KHz。

通过设计的涂层制备装置，在电流的作用下，熔池附近部分接触到电流的粉末对激光的吸收率会提升（参见陈君，张群莉，姚建华等.激光技术，2009，33（2）：121～123），增加其熔化几率，进而提高粉末的利用率。将脉冲电源作用于熔池，还可以实现细化凝固组织、促进成分均匀分布的目的。当脉冲电流作用于熔池时，根据Maxwell方程可知，变化的电场会产生变化的磁场。在磁场的作用下，导电流体会出现向其中心轴收缩的现象，即磁致收缩效应。在变化的电磁力的作用下，体积基本固定并随着激光光斑移动的熔体被反复压缩。这一方面增加了熔池内部物质流动，使得组织分布更均匀，另一方面会碎断熔池边界刚刚形成的枝晶，进入熔池内部形成新的晶核。此外，一定强度的电脉冲可以提高熔池内原子团簇的数量，从而提升形核率，达到细化晶粒的作用。经过试验验证，发现脉冲电流均值大于6A即可产生细晶效果。考虑安全因素，限定脉冲电流均值最大值为100A。

本发明的另一目的是提供所述脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法的装置，用于对导电基体的待加工区熔覆金属涂层，其特征在于：

该装置包括工控机、送粉器、反光镜、激光器、第一电极和第二电极、脉冲电源；上述工控机的第一输出端与送粉器相连，工控机第二输出端与激光器相连，工控机的第三输出端与脉冲电源相连，脉冲电源的正负极分别于第一电极、第二电极相连；激光器上还带有将发射出的激光反射至待加工区的反光镜。

送粉器通过送粉喷嘴向基体表面喷施粉末，激光器通过反光镜向基体表面输出激光进行熔覆。与此同时，脉冲电源通过电极向基体及熔覆层输入电流，工控机控制激光器、送粉器及脉冲电源的开、关及工作参数。

所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：上述熔池位于所述脉冲电流的电流密度最大处。激光熔覆时，脉冲电流在基体、熔覆层及熔池的分布情况受形状、电导率影响较大。优选方案是熔池位于脉冲电流的电流密度最大处，这样有利于增加熔池内部流动、降低晶粒形核能，从而提高形核率，改善凝固组织。

根据所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：上述金属粉末为铜基材料、或铁基材料、或钴基材料、或镍基材料、或铝基材料、或金属间化合物基材料。上述材料均为激光熔覆常用材料，热物理性能优、可焊性好、熔覆性能佳。此外，上述材料均为金属材料，具有导电性，这将有利于本发明的顺利施行。

根据所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：所述激光熔覆中，采用的激光熔覆参数为：粉末粒度为-100～+300目；激光功率P=500～10000W；扫描速度v=5～50mm/s；激光光斑直径为D=1～5mm；所用的保护气体为惰性气体。上述参数均为激光熔覆实践中的常用参数，可保证顺利完成常规激光熔覆工艺。

根据所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织装置，其特征在于上述第一电极和第二电极的位置通过以下规则确定：由第一电极和第二电极确定的电场中电流密度最大处位于待加工区。电极的位置直接影响电场的分布情况。为了获得最佳的熔覆效果，应将第一电极和第二电极置于适当的位置，使其所确定的电场中电流密度最大处位于待加工区。    

    本发明方法具有以下明显的优势：

（1）本发明中，脉冲电流的加入能提高粉末对激光的吸收率，进而提高激光熔覆时粉末的利用率，节约贵重材料；

（2）本发明可显著细化激光熔覆时熔覆层的凝固组织，并使得组织分布更加均匀；当脉冲电流作用于熔体时，通过调节脉冲电流平均值、脉冲宽度及脉冲频率可以控制熔覆层凝固过程，以获得细化的晶粒和均匀的组织成分；

（3）本发明的装置简单、操作方便，且成本低、效果明显；

（4）本发明仅在激光熔覆时加入了脉冲电流的作用，无杂质加入，未产生污染物质，对环境友好。

附图说明

图1为所述脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法的装置示意图；

图2为GH4169及FGH95镍基高温合金化学成分表； 

图3 未施加脉冲电流的激光熔覆涂层截面的显微组织图；

图4 实施例2所得脉冲电流辅助激光熔覆涂层截面的显微组织图；

图5 实施例3所得脉冲电流辅助激光熔覆涂层截面的显微组织图；

图中标号名称：1、工控机，2、送粉器，3、反光镜，4、激光器，5、第一电极，6、导电基体，7、第二电极，8、脉冲电源， 9、待加工区。

具体实施方式

以下提供运用本发明方法的实例，以对本发明作进一步的理解。

实施例1

如图1脉冲电流辅助激光熔覆金属涂层的装置，包括工控机（1）、送粉器（2）、反光镜（3）、激光器（4）、第一电极（5）和第二电极（7）、脉冲电源（8）。送粉器通过送粉喷嘴向基体表面喷施粉末，激光器通过反光镜向基体表面输出激光进行熔覆。与此同时，脉冲电源通过电极向基体及熔覆层输入电流，工控机控制激光器、送粉器及脉冲电源的开、关及工作参数。

先将待熔覆100mm*10mm*10mmGH4169基体（化学成分见图2）表面进行打磨、除油后用无水乙醇和丙酮清洗干净，然后将其固定于工作台，接着将电极固定于基体表面。将FGH95粉末（化学成分见图2）置于干燥箱中100～150℃干燥5h，待冷却后加入送粉器中。将激光束聚焦后，采用同轴送粉的方式进行激光熔覆处理，同时通入氩气保护。采用的加工参数为：激光功率1600W，光斑直径为2mm，光斑移动速率3mm/s，粉末粒度为-100～+150目。所获得涂层截面显微组织如图3所示。

实施例2

所用方法和装置均与实施例1相同，仅在激光熔覆的同时，打开脉冲电源开关，通入电流均值6A、脉宽4000μs、频率50Hz的方波电流，所获得涂层截面显微组织如图4所示。

对比图3、图4可以发现，施加脉冲电流后，熔覆层组织内部无气孔，等轴晶数量明显增多，尺寸也明显减小，分布更均匀致密。

实施例3

所用方法和装置均与实施例1相同，仅在激光熔覆的同时，打开脉冲电源开关，通入平均值10A、脉宽100μs、频率2KHz的方波电流。所获得涂层截面显微组织如图5所示。

对比图3、图5可以发现，施加脉冲电流后，熔覆层组织内部无明显缺陷，等轴晶数量明显增多，尺寸也明显减小，分布更均匀致密。对比图4、图5可以发现，电流均值及脉冲频率增大后，晶粒细化效果更明显。

以上所述实例仅表达了本发明的实施方式，但不能因此理解为对本发明专利范围的限制。在不脱离本发明专利构思的前提下，还可以做出若干变形及改进，这些都属于本发明专利的保护范围。该范围应以本发明专利的所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于包括以下过程：

在导电基体表面将金属粉末送至激光光斑处，进行激光熔覆；

在激光熔覆的同时施加脉冲电流作用于熔池，激光熔覆过程结束时即刻停止输送脉冲电流，所述脉冲电流波形为矩形方波，脉冲电流均值I=6～100A，脉冲宽度为η=100μs～4000μs，脉冲频率为f=50～2KHz。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：

上述熔池位于所述脉冲电流的电流密度最大处。

3.根据权利要求1所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：

上述金属粉末为铜基材料、或铁基材料、或钴基材料、或镍基材料、或铝基材料、或金属间化合物基材料。

4.根据权利要求1所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法，其特征在于：

所述激光熔覆中，采用的激光熔覆参数为：粉末粒度为-100～+300目；激光功率P=500～10000W；扫描速度v=1～10mm/s；激光光斑直径为D=1～5mm；所用的保护气体为惰性气体。

5.实现权利要求1所述脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织的方法的装置，用于对导电基体（6）的待加工区（9）熔覆金属涂层，其特征在于：

该装置包括工控机（1）、送粉器（2）、激光器（4）、第一电极（5）和第二电极（7）、脉冲电源（8）；

上述工控机（1）的第一输出端与送粉器（2）相连，工控机（1）的第二输出端与激光器（4）相连，工控机（1）的第三输出端与脉冲电源（8）相连，脉冲电源的正负极分别于第一电极（5）、第二电极（7）相连；激光器（4）上还带有将发射出的激光反射至待加工区（9）的反光镜（3）。

6.根据权利要求5所述的脉冲电流细化激光熔覆金属涂层凝固组织装置，其特征在于上述第一电极（5）和第二电极（7）的位置通过以下规则确定：由第一电极（5）和第二电极（7）确定的电场中电流密度最大处位于待加工区（9）。

Images