CN105132910B - 一种稳恒磁场辅助激光熔覆工艺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稳恒磁场辅助激光熔覆工艺的方法，属材料表面改性技术领域。该方法将稳恒磁场发生装置与激光熔覆设备配合，调节励磁电流获得相应强度的稳恒磁场作用于激光熔池两侧，从而达到改善熔覆层显微结构，均匀组织化学成分和提高熔覆层综合性能的目的。通过外加稳恒磁场改善激光熔池熔体的对流状态和结晶行为，最终实现激光熔覆层凝固组织的灵活调控，使得涂层组织部分柱状晶和树枝晶向细小等轴晶转变，从而一定程度上优化激光熔覆层的显微组织结构和涂层的综合性能。

Description

一种稳恒磁场辅助激光熔覆工艺的方法

技术领域

本发明公开一种稳恒磁场辅助激光熔覆工艺的方法，属材料表面改性技术领域。

背景技术

激光熔覆技术是通过高能密度激光束使熔覆粉末与基材表层熔凝，形成与基材呈牢固冶金结合涂层的一种表面改性技术。其目的在于改善基材的耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳和高温抗氧化性能。但因其本身存在着非平衡凝固过程急热骤冷的特点，形成的熔覆层组织极易产生裂纹和气孔等缺陷，导致激光熔覆技术的工业化应用受到一定限制。因此，改善激光熔池熔体对流状态和结晶行为进而改善熔覆层显微组织结构已成为目前激光熔覆领域亟待解决的问题，而磁场辅助激光熔覆工艺已经成为无接触式外场作用液态金属熔池的有效手段。

中国专利CN103741138公开了一种静态磁场-激光同轴复合熔覆的方法及装置。虽然巧妙地设计了一种装置实现磁场和激光束的同轴复合，但如该专利中的图1所示，由于励磁线圈3缠绕导磁铁芯4放置于同轴激光器通道1末端，故存在以下几方面问题：

（1）在专利CN103741138的图1中，导磁铁芯4所处位置易于产生磁屏蔽，且熔覆基材并非处于磁场强度大的区域，即使该装置能在该专利给定条件下（励磁电流0~5A）产生较大磁场，但处于装置下方的熔覆基材实际受到磁场的作用甚微，磁场辐照区域也非常有限，难以甚至无法实现磁场对激光熔池的有效作用。

（2）在专利CN103741138的图2中，励磁线圈3和导磁铁芯4放置于同轴激光器通道1末端，在而如此狭小的空间内通过有限的励磁线圈较难获得很高的磁场强度，因此也未必可以实现磁场对激光熔池的有效作用。

（3）置于同轴激光器通道中的磁场装置处工作状态时易发热，不利于激光器在高功率条件下长时稳定可靠的运行。

上述几方面不足会导致静态磁场对激光熔池熔体的作用效果有限，甚至难以实现稳恒磁场对激光熔覆层的有效作用。为了解决以上三个问题，本发明设计了一种从两侧作用于熔覆基材的稳恒磁场装置。稳恒磁场侧向完全辐照激光熔池，使熔覆基材表层的熔池在整体上受到磁场的有效作用；磁场装置与激光器通道分离，避免了励磁线圈在工作时发热导致激光器运行不稳定；由于装置所处位置空间较大，改变励磁线圈匝数或更换大量程电源，可获得不同需求的稳定的磁场强度；专利CN103741138在施加磁场后所获得的大量垂直于界面生长的方向性柱状晶不利于提高熔覆层的综合性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有磁场辅助激光熔覆存在的问题，提供一种作用范围大，磁场强度范围广的稳恒磁场辅助激光熔覆的新方法。通过改变熔覆层内液态金属的对流状态和结晶行为，使得涂层组织部分柱状晶和树枝晶向等轴晶转变，从而一定程度上优化激光熔覆层的显微组织结构和涂层的综合性能。

本发明通过以下技术方案实现：

（1）将熔覆基体经打磨、除油、清洗、冷风吹干待用；

（2）将熔覆的合金粉末置于干燥箱中80~100 ℃，干燥6~10 h，将干燥后的合金粉末与硅溶胶混合（合金粉末与硅溶胶的质量比为2.1:1~2.3:1）并预置于熔覆基材表面，或采用同步送粉方式将干燥后的合金粉末装入同步送粉器中；

（3）将熔覆基材固定在试样夹具上，调整试样夹具相对于磁场发生装置的位置，使熔覆基材的待熔覆区处于磁极中心，并使熔覆基材表面涂层长度方向与磁极中心轴向垂直，激光束聚焦后辐照于熔覆基材上，调节直流电源获得稳恒磁场，磁场方向与激光熔覆涂层长度方向相垂直；通入惰性气体进行保护，移动熔覆基材使得激光熔覆过程在稳恒磁场作用下进行获得稳恒磁场作用下形成的激光熔覆层。

优选的，本发明所述稳恒磁场的强度为0.05~2T。

优选的，本发明所述稳恒磁场作用于激光熔覆涂层两侧，磁极对数为1对或1对以上，使熔覆层形成的全过程皆可在稳恒磁场作用下完成。

优选的，本发明所述激光功率为3~5 kW，扫描速度300~500 mm·min^-1，保护气流速度：15~20 L·h^-1。

本发明通过改变励磁电流获得一定强度的稳恒磁场以辅助激光熔覆过程，稳恒磁场能在一定程度上对熔体施加力的作用，在复杂的熔体对流以及磁场产生的洛伦兹力作用下，熔体内部对流加剧，温度梯度和成分梯度变小，涂层裂纹和气孔得到控制，涂层组织化学成分分布均匀化从而改善涂层质量。一次枝晶变细，二次枝晶在迎流方向上加速生长，最终形成具有方向性的树枝晶，对力学性能产生极大影响。

本发明的有益效果为：

（1）本发明采用侧向施加磁场，能整体上实现对激光熔覆涂层的有效作用。

（2）本发明设计的方法，配备合适的电源，能获得大范围、多种类的磁场。

（3）本发明在激光熔覆过程施加稳恒磁场，磁场通过改变熔覆层内液态金属的对流状态和结晶行为，使得涂层组织部分柱状晶和树枝晶向细小等轴晶转变，从而一定程度上优化激光熔覆层的显微组织结构和涂层的综合性能。

附图说明

图1为本发明实施例1~3所用装置的结构示意图。

图2为本发明实施例4~6所用装置的结构示意图。

图3为施加稳恒磁场时激光熔覆Fe55合金涂层显微组织图。

图4为未稳恒磁场的激光熔覆Fe55合金涂层显微组织图。

图5为实施例2所述显微组织图。

图6为实施例3所述显微组织图。

图中：1-冷却器；2-数控操作台；3-数控机床；4-试样夹具；5-熔覆基材；6-磁场发生装置；7-直流电源；8-支架；9-同步送粉器；10-储气罐；11-激光枪头；12-激光器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1~3所用装置如图1所示，包括冷却器1、数控操作台2、数控机床3、同步送粉器9、储气罐10、激光枪头11、激光器12，括冷却器1、数控机床3、同步送粉器9均与数控操作台2连接，冷却器1与激光器12连接；激光熔覆装置的数控机床3上方设有支架8，支架8上设有磁场发生装置6，磁场发生装置6与直流电源7连接；磁场发生装置6的中间设有试样夹具4，试样夹具4位于激光枪头11的正下方，试样夹具4的下端固定于数控机床3上，激光熔覆装置的同步送粉器9与储气罐10连通作为保护气体输送装置使用，磁极数量为一对。

实施例1

（1）将尺寸为90 mm×15 mm×15 mm的45钢熔覆基体经打磨、除油、清洗、冷风吹干待用；

（2）Fe55合金粉末（各元素质量分数分别为：Cr 18.13%、Si 2.94%、C 0.8%、Mn0.69%、Ni 0.43%、Fe Bal.）放置于干燥箱中80 ℃干燥10 h，待其冷却后，于45钢基材表面预置一层尺寸为80 mm×5 mm×1 mm的预置层，并放置于干燥箱中80℃干燥10 h后取出冷却待用；

（3）将熔覆基材固定在试样夹具上，调整试样夹具相对于磁场发生装置的位置，使熔覆基材的待熔覆区处于磁极中心，并使熔覆基材表面涂层长度方向与磁极中心轴向垂直，激光束聚焦后辐照于熔覆基材上（激光工艺参数为：激光功率为4.0 kW、激光扫描速度为500 mm·min^-1），调节直流电源为2.5 A获得0.09 T稳恒磁场，磁场方向与激光熔覆涂层长度方向相垂直；通入氩气进行保护（气流速度为20 L·h^-1），移动熔覆基材使得激光熔覆过程在稳恒磁场作用下进行，获得稳恒磁场作用下形成的激光熔覆层。

本实施例获得的激光熔覆层的显微组织图如图3所示，与未施加磁场作用的涂层（图4）对比，在稳恒磁场作用下的熔覆层组织中部较大区域的柱状晶和树枝晶转变为较为细小的等轴晶；细小的等轴晶有助于改善涂层的显微硬度，本实施例制备得到的激光熔覆层在竖直方向的显微硬度为794.9 HV_0.2,相较于未施加磁场涂层硬度为740.9 HV_0.2，在磁场作用下的涂层显微硬度增加，且在整体上更加均匀。

实施例2

（1）将尺寸为90 mm×15 mm×15 mm的45钢熔覆基体经打磨、除油、清洗、冷风吹干待用；

（2）Fe55合金粉末（各元素质量分数分别为：Cr 18.13%、Si 2.94%、C 0.8%、Mn0.69%、Ni 0.43%、Fe Bal.）放置于干燥箱中90℃干燥8 h，待其冷却后，于45钢基材表面预置一层尺寸为80 mm×5 mm×1 mm的预置层，并放置于干燥箱中80℃干燥10 h后取出冷却待用；

（3）将熔覆基材固定在试样夹具上，调整试样夹具相对于磁场发生装置的位置，使熔覆基材的待熔覆区处于磁极中心，并使熔覆基材表面涂层长度方向与磁极中心轴向垂直，激光束聚焦后辐照于熔覆基材上（激光工艺参数为：激光功率为3.0 kW、激光扫描速度为300 mm·min^-1），调节直流电源为4 A获得0.12 T稳恒磁场，磁场方向与激光熔覆涂层长度方向相垂直；通入氩气进行保护（气流速度为15L·h^-1），移动熔覆基材使得激光熔覆过程在稳恒磁场作用下进行，获得稳恒磁场作用下形成的激光熔层，如图5所示，在稳恒磁场作用下的熔覆层组织中部及上部大部分区域均有柱状晶和树枝晶转变为较为等轴晶的现象。

本实施例制备得到的激光熔覆层在竖直方向的显微硬度为744.5 HV_0.2。

实施例3

（1）将尺寸为90 mm×15 mm×15 mm的45钢熔覆基体经打磨、除油、清洗、冷风吹干待用；

（2）Fe55合金粉末（各元素质量分数分别为：Cr 18.13%、Si 2.94%、C 0.8%、Mn0.69%、Ni 0.43%、Fe Bal.）放置于干燥箱中100℃干燥6 h，待其冷却后，于45钢基材表面预置一层尺寸为80 mm×5 mm×1 mm的预置层，并放置于干燥箱中80℃干燥10 h后取出冷却待用；

（3）将熔覆基材固定在试样夹具上，调整试样夹具相对于磁场发生装置的位置，使熔覆基材的待熔覆区处于磁极中心，并使熔覆基材表面涂层长度方向与磁极中心轴向垂直，激光束聚焦后辐照于熔覆基材上（激光工艺参数为：激光功率为5.0 kW、激光扫描速度为400 mm·min^-1），调节直流电源获得0.16 T稳恒磁场，磁场方向与激光熔覆涂层长度方向相垂直；通入氩气进行保护（气流速度为18 L·h^-1），移动熔覆基材使得激光熔覆过程在稳恒磁场作用下进行获得稳恒磁场作用下形成的激光熔覆层，如图6所示，在稳恒磁场作用下的熔覆层组织中部及上部大部分区域柱状晶和树枝晶转变为细小等轴晶，但在中部区域出现部分粗大柱状晶。

本实施例制备得到的激光熔覆层在竖直方向的显微硬度为732.6 HV_0.2

实施例4

实验方法与实施例1相同，仅实验装置中磁场发生装置的磁极数量为两对，如图2所示；即调整励磁电流为2.5 A，稳恒磁场强度为0.09 T，获得磁场辅助作用下的激光熔覆Fe55合金涂层。

本实施例制备得到的激光熔覆层在竖直方向的显微硬度为783.8 HV_0.2。

对比实施例1

其余步骤同实施例1，不同在于，此时断开直流电源，不施加稳恒磁场，磁极数量为一对。通过控制数控操作台使数控车床移动，获得无磁场辅助的激光熔覆Fe55合金涂层，如图4所示。

Claims (1)

1.一种稳恒磁场辅助激光熔覆的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将熔覆基体经打磨、除油、清洗、冷风吹干待用；

（2）将熔覆的合金粉末进行干燥，将干燥后的合金粉末与硅溶胶混合并预置于熔覆基材表面，或采用同步送粉方式将干燥后的合金粉末装入同步送粉器中；

（3）将熔覆基材固定在试样夹具上，调整试样夹具相对于磁场发生装置的位置，使熔覆基材的待熔覆区处于磁极中心，并使熔覆基材表面涂层长度方向与磁极中心轴向垂直，激光束聚焦后辐照于熔覆基材上，调节直流电源获得0.05~2T稳恒磁场，磁场方向与激光熔覆涂层长度方向相垂直；通入惰性气体进行保护，移动熔覆基材使得激光熔覆过程在稳恒磁场作用下进行获得稳恒磁场作用下形成的激光熔覆层；

步骤（2）所述干燥过程的条件为80~100 ℃，干燥6~10 h；

步骤（2）所述合金粉末与硅溶胶的质量比为2.1:1~2.3:1；

所述稳恒磁场的强度为0.05~2T；

稳恒磁场作用于激光熔覆涂层两侧，磁极对数为1对或1对以上，使熔覆层形成的全过程皆可在稳恒磁场作用下完成；

所述激光功率为3~5 kW，扫描速度300~500 mm·min^-1，保护气流速度：15~20 L·h^-1；

稳恒磁场辅助激光熔覆的方法所用装置包括冷却器1、数控操作台2、数控机床3、同步送粉器9、储气罐10、激光枪头11、激光器12，括冷却器1、数控机床3、同步送粉器9均与数控操作台2连接，冷却器1与激光器12连接；激光熔覆装置的数控机床3上方设有支架8，支架8上设有磁场发生装置6，磁场发生装置6与直流电源7连接；磁场发生装置6的中间设有试样夹具4，试样夹具4位于激光枪头11的正下方，试样夹具4的下端固定于数控机床3上，激光熔覆装置的同步送粉器9与储气罐10连通作为保护气体输送装置使用。