CN105441935B - 一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法及其专用加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于，在真空条件下采用同轴送粉激光熔覆方法对材料进行加工，包括以下步骤：(1)采用有机溶剂对基材表面进行清洗处理；(2)将基材放入真空室中，采用真空机组对真空室进行抽真空；(3)采用激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面使基材表面熔化，令基材表面形成熔池；(4)采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；(5)使基材表面冷却后合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。该方法能够防止出现氧化现象，并保证激光制备的准确性，有效提高试样激光熔覆的均匀性。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别提供一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法及其专用加工装置。
背景技术
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90％以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。三，快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。
激光熔覆加工所用装置通常包括工作台、支架、激光器、导光装置(或称导光系统)、自动送粉器以及同轴喷嘴等，激光器产生的激光经导光装置后，由聚焦系统聚焦后输出并对工件进行加工。然而某些激光熔覆材料易与空气中的氧气发生反应，影响加工效果，因此，本发明提供一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法及真空激光熔覆加工装置以解决该问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法及其专用加工装置。
本发明具体提供了一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于，在真空条件下采用同轴送粉激光熔覆方法对材料进行加工，包括以下步骤：(1)采用有机溶剂对基材表面进行清洗处理；(2)将基材放入真空室中，采用真空机组对真空室进行抽真空；(3)采用激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面使基材表面熔化，令基材表面形成熔池；(4)采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；(5)使基材表面冷却后合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。
本发明所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：步骤(2)中使真空室的压强达到1Pa；步骤(3)中激光器发射激光功率为500-1200W，激光聚焦直径1-2mm，扫描速度为350-1200mm/min；步骤(5)中基材的冷却速度为103-105K/s，冷却速度过慢凃层组织晶粒长大影响其性能，冷却速度过快凃层组织易产生裂纹使其使用性能变差。
本发明还提供了所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：一种真空激光熔覆加工装置，其特征在于：所述装置包括激光器、导光装置1、真空室2、工作台3、自动送粉器4、抽真空系统5以及数控系统6；使用时，激光器位于真空室2前端，导光装置1设于真空室2上，工作台3和自动送粉器4的喷嘴设置在真空室2内，抽真空系统5设置在真空室2的外部，数控系统6通过导线与工作台3以及自动送粉器4相连，并通过终端控制设备61来控制工作台3和自动送粉器4；
其中导光装置1包括腔体11、光阑12、透镜13、气体冷却装置14、第一平面镜15、水冷却装置16、第二平面镜17、聚焦镜18以及法兰；
光阑12位于腔体11的激光输入口处，光阑12后腔体11内设有透镜13，透镜13周围设有气体冷却装置14；透镜13远离光阑12的一端设有第一平面镜15，第一平面镜15与腔体11以及透镜13成45°角；第二平面镜17位于第一平面镜15下面，并与第一平面镜15成90°角设置于腔体11内；聚焦镜18设于第二平面镜17的另一端，其镜面与第二平面镜17镜面平行，且聚焦镜18与腔体11的激光输出口成45°角；
第一平面镜15、第二平面镜17以及聚焦镜18背面均设有水冷却装置16。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述真空室2上设有观察窗21、真空室门22、导光装置连接口23、压力表24以及数控系统入口25，其中观察窗21设有两个，分别设于真空室2两侧，其中较大的观察窗21设于真空室门22上；数控系统入口25位于真空室2底部。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述自动送粉器4包括同轴送粉喷嘴41以及送粉器42；同轴送粉喷嘴41设于真空室2内部，位于工作台3之上；送粉器42设于真空室2外部，位于真空室2之下；同轴送粉喷嘴41与送粉器42通过导管相连。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述抽真空系统5包括真空泵51和压力传感器52，真空泵51设于真空室2之下，压力传感器52设于真空室2侧壁。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述工作台3下设有三轴运动机构，由数控系统6控制其运动。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述导光装置1的水冷却装置16包括水冷腔161，入水管162、出水管163和法兰，第一平面镜15、第二平面镜17、聚焦镜18分别与腔体11形成的空间构成水冷腔161，冷却水通过入水管162进入水冷腔161，再通过设在入水管162上面的出水管163排出，入水管162和出水管163通过法兰固定在腔体11上；水冷腔161内设有螺旋形的流道。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：位于激光输出口的腔体11外设有松套法兰19。
本发明所述激光熔覆方法的专用加工装置，其特征在于：所述导光装置1上还设有入射窗口，入射窗口由GaAs材料制成；所述第一平面镜5与第二平面镜7为紫铜镀膜的平面镜。
本发明所述专用加工装置优点为：导光装置1具有内置水冷腔体，可保证长时间连续工作，最大承受功率为5000W，通过光阑12可以对激光选模，反射镜优选为紫铜镀膜材料，反射率大于99％；聚焦镜优选ZnSe材料。该装置可调节送粉压力大小，送粉连续、均匀，从而提高了装置的有效利用率；粉束轴线与激光束轴线重合，使金属粉末准确的送入激光熔池，提高了粉末的有效利用率，粉末利用率>80％；工作台、激光器等可实现一体化控制。同轴送粉喷嘴与激光束保持同轴，粉末流汇聚点与聚焦光斑重合；可以根据激光聚焦直径的大小更换具有合适内径的送粉管，适合不同粒径、不同材料金属粉末的输送，应用范围较广。
本发明的优点为：
①、在真空条件下采用数控系统控制激光熔凝生长，保证激光制备准确可靠。
②、在真空条件下，连续激光同轴送粉过程中，通过结构优化获得良好的均匀送粉及冷却，有效提高试样激光熔覆的均匀性。
③、在真空条件实现熔凝生长试件，能实现无污染、超高温、超高梯度定材料表面强化。
附图说明
图1激光熔覆加工装置总装配图。
图2激光熔覆加工装置剖面图。
图3导光装置与真空室剖面图。
图4导光装置结构示意图。
具体实施方式
如图1～4所示，本发明采用的激光熔覆加工装置包括激光器、导光装置1、真空室2、工作台3、自动送粉器4、抽真空系统5以及数控系统6；使用时，激光器位于真空室2前端，导光装置1设于真空室2上，工作台3和自动送粉器4的喷嘴设置在真空室2内，抽真空系统5设置在真空室2的外部，数控系统6通过导线与工作台3以及自动送粉器4相连，并通过终端控制设备61来控制工作台3的运动以及自动送粉器4的旋转；
其中导光装置1包括腔体11、光阑12、透镜13、气体冷却装置14、第一平面镜15、水冷却装置16、第二平面镜17、聚焦镜18以及法兰；光阑12位于腔体11的激光输入口处，光阑12后腔体11内设有透镜13，透镜13周围设有气体冷却装置14；透镜13远离光阑12的一端设有第一平面镜15，第一平面镜15与腔体11以及透镜13成45°角；第二平面镜17位于第一平面镜15下面，并与第一平面镜15成90°角设置于腔体11内；聚焦镜18设于第二平面镜17的另一端，其镜面与第二平面镜17镜面平行，且聚焦镜18与腔体11的激光输出口成45°角；位于激光输出口的腔体11外设有松套法兰19；第一平面镜15、第二平面镜17以及聚焦镜18背面均设有水冷却装置16，水冷却装置16包括水冷腔161，入水管162、出水管163和法兰，第一平面镜15、第二平面镜17、聚焦镜18分别与腔体11形成的空间构成水冷腔161，冷却水通过入水管162进入水冷腔161，再通过设在入水管162上面的出水管163排出，入水管162和出水管163通过法兰固定在腔体11上；第一平面镜5与第二平面镜7为紫铜镀膜的平面镜。
所述真空室2上设有观察窗21、真空室门22、导光装置连接口23、压力表24以及数控系统入口25，其中观察窗21为一大一小两个观察窗21，分别设于真空室2两侧，其中较大的观察窗21设于真空室门22上；数控系统入口25位于真空室2底部。
所述自动送粉器4包括同轴送粉喷嘴41以及送粉器42；同轴送粉喷嘴41设于真空室2内部，位于工作台3之上；送粉器42设于真空室2外部，位于真空室2之下；同轴送粉喷嘴41与送粉器42通过导管相连。
所述抽真空系统5包括真空泵51和压力传感器52，真空泵51设于真空室2之下，压力传感器52设于真空室2侧壁。
实施例1
(1)、采用有机溶剂对镍基高温合金基材表面进行清洗处理；
(2)、将基材放入工作台3上，采用真空机组5对真空室2进行抽真空，使真空室2内压强达到1Pa；
(3)、开动激光器，激光功率在500-800W，激光聚焦直径1.0mm，扫描速度800-1200mm/min；激光束通过导光装置1辐照在基材指定位置的表面使基材表面熔化，令基材表面形成熔池；
(4)自动送粉器4在正压的条件下，将镍基高温合金粉从同轴送粉喷嘴41送入基材上的熔池中，经过激光头聚焦后熔化金属粉末，同轴送粉喷嘴41与激光束保持同轴，粉末流汇聚点与聚焦光斑重合，粉末利用率>80％；
(5)、在数控系统6的控制下在基材表面获得一层涂层，当第一层涂层全部生长完成后，工作台3下降一定厚度，以相同方式在第一层基础上再熔凝生长第二层。重复上述熔化成形过程直到达到所需厚度，完成整个涂层结构的生长，冷却(冷却速度为105K/s)，完成制备。
上述涂层在空气中加吹Ar气体保护难以避免出现氧化问题，肉眼明显可见氧化层；在真空系统中所制涂层光洁，经检测无氧化现象。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：所用基材为钛合金，金属粉为钛合金粉，在激光功率850～1000W的范围内，激光聚焦直径1.0mm；功率密度的增加，扫描速度减小到600-800mm/min，冷却速度为103K/s，将使基材的凃层层深度、硬度及硬化层表面粗糙度增加。
上述涂层在空气中加吹Ar气体保护难以避免出现氧化问题，肉眼明显可见氧化层；在真空系统中所制涂层光洁，经检测无氧化现象。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：在激光功率1050～1200W的范围内，激光聚焦直径1.0mm；功率密度的增加、扫描速度减小到350-550mm/min，将使基材的凃层层深度、硬度及硬化层表面粗糙度增加。如果功率过大，扫描速度太慢，即比功率太大，超出上述范围，会造成工件表面熔化、烧损；反之，凃层层深度会达不到技术要求。
上述涂层在空气中加吹Ar气体保护难以避免出现氧化问题，肉眼明显可见氧化层；在真空系统中所制涂层光洁，经检测无氧化现象。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于，在真空条件下采用同轴送粉激光熔覆方法对材料进行加工，包括以下步骤：(1)采用有机溶剂对基材表面进行清洗处理；(2)将基材放入真空室中，采用真空机组对真空室进行抽真空；(3)采用激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面使基材表面熔化，令基材表面形成熔池；(4)采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；(5)使基材表面冷却后合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备；
采用专用加工装置进行激光熔覆加工，所述装置包括激光器、导光装置(1)、真空室(2)、工作台(3)、自动送粉器(4)、抽真空系统(5)以及数控系统(6)；使用时，激光器位于真空室(2)前端，导光装置(1)设于真空室(2)上，工作台(3)和自动送粉器(4)的喷嘴设置在真空室(2)内，抽真空系统(5)设置在真空室(2)的外部，数控系统(6)通过导线与工作台(3)以及自动送粉器(4)相连，并通过终端控制设备(61)来控制工作台(3)和自动送粉器(4)；
其中导光装置(1)包括腔体(11)、光阑(12)、透镜(13)、气体冷却装置(14)、第一平面镜(15)、水冷却装置(16)、第二平面镜(17)、聚焦镜(18)以及法兰；
光阑(12)位于腔体(11)的激光输入口处，光阑(12)后腔体(11)内设有透镜(13)，透镜(13)周围设有气体冷却装置(14)；透镜(13)远离光阑(12)的一端设有第一平面镜(15)，第一平面镜(15)与腔体(11)以及透镜(13)成45°角；第二平面镜(17)位于第一平面镜(15)下面，并与第一平面镜(15)成90°角设置于腔体(11)内；聚焦镜(18)设于第二平面镜(17)的另一端，其镜面与第二平面镜(17)镜面平行，且聚焦镜(18)与腔体(11)的激光输出口成45°角；
第一平面镜(15)、第二平面镜(17)以及聚焦镜(18)背面均设有水冷却装置(16)。
2.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：步骤(2)中使真空室的压强达到1Pa；步骤(3)中激光器发射激光功率为500-1200W，激光聚焦直径1-2mm，扫描速度为350-1200mm/min；步骤(5)中基材的冷却速度为103-105K/s。
3.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述真空室(2)上设有观察窗(21)、真空室门(22)、导光装置连接口(23)、压力表(24)以及数控系统入口(25)，其中观察窗(21)设有两个，分别设于真空室(2)两侧，其中较大的观察窗(21)设于真空室门(22)上；数控系统入口(25)位于真空室(2)底部。
4.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述自动送粉器(4)包括同轴送粉喷嘴(41)以及送粉器(42)；同轴送粉喷嘴(41)设于真空室(2)内部，位于工作台(3)之上；送粉器(42)设于真空室(2)外部，位于真空室(2)之下；同轴送粉喷嘴(41)与送粉器(42)通过导管相连。
5.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述抽真空系统(5)包括真空泵(51)和压力传感器(52)，真空泵(51)设于真空室(2)之下，压力传感器(52)设于真空室(2)侧壁。
6.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述工作台(3)下设有三轴运动机构，由数控系统(6)控制其运动。
7.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述导光装置(1)的水冷却装置(16)包括水冷腔(161)，入水管(162)、出水管(163)和法兰，第一平面镜(15)、第二平面镜(17)、聚焦镜(18)分别与腔体(11)形成的空间构成水冷腔(161)，冷却水通过入水管(162)进入水冷腔(161)，再通过设在入水管(162)上面的出水管(163)排出，入水管(162)和出水管(163)通过法兰固定在腔体(11)上；水冷腔(161)内设有螺旋形的流道。
8.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：位于激光输出口的腔体(11)外设有松套法兰(19)。
9.按照权利要求1所述真空条件下同轴送粉激光熔覆方法，其特征在于：所述导光装置(1)上还设有入射窗口，入射窗口由GaAs材料制成；所述第一平面镜(5)与第二平面镜(7)为紫铜镀膜的平面镜。
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