CN106757001B - 一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，所述的装置包括光纤激光器、液氮强制冷却平台、电磁搅拌平台、温度检测反馈系统、计算机控制系统。发明方法为把试样放置于紫铜加工而成的专用夹具上，通过液氮强制冷却紫铜夹具间接传递至试样，实现试样在熔覆过程中的强制冷却。同时，通过计算机调控电磁搅拌平台的磁场强度，实现强制冷却下电磁搅拌激光熔覆工艺。本发明在强制冷却及电磁搅拌辅助下进行激光熔覆制备复合涂层，能显著提高复合涂层与基体良好的冶金结合能力，同时实现熔覆层内硬质相、组织分布均匀，晶粒细化、避免应力集中，消除激光熔覆层的裂纹和气孔等缺陷，提高熔覆层质量。

Description

一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和 装置

技术领域

本发明涉及一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，属于激光加工及材料表面改性装备技术领域。

背景技术

近些年国内外对激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层研究较多的是在Ni、Co基粉中添加WC、SiC等陶瓷相的硬质复合涂层。其中，WC是耐磨性极佳的硬质材料，可借助于起钎料作用的胎体金属形成硬质合金或相应的耐磨材料及复合涂层。Ni基合金对WC有很好的润湿性。因此，激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层以其优良的耐磨性能和适中的价格在工业界得到了广泛应用。目前对激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层的研究主要集中在激光熔覆的基础理论、工艺参数、冶金分析、熔覆层性能测试方面，然而由于Ni基合金与WC硬质相之间存在明显的界面和较大的性能差异，容易出现WC颗粒脱落、应力集中及产生裂纹等问题，成为困扰其工程化应用的最大障碍，这也是文献中普遍反映出的问题。因此，采用合理的方法来提高复合涂层与基体冶金结合强度，减轻涂层稀释，同时设法使熔覆层内硬质相均匀分布，消除涂层中的裂纹和气孔等缺陷，已成为未来激光熔覆的研究重点。

针对复合涂层与基体冶金结合强度不高、熔覆层耐磨性不高的问题，在激光熔覆过程中通过对基材强制冷却，基材与熔池过大的温度梯度及熔池极快的凝固速度，会在熔覆层底部定向凝固成取向一致，均匀致密并且对称性最好的细枝晶组织，这种特殊的定向组织结构，不但提高与基体的结合强度，而且这种结构也提高了复合涂层的纵向力学性能(如抗高温蠕变和疲劳能力)，阻止裂纹扩展、晶界滑移、位错移动，从而大大提高涂层的耐磨性能。另一方面，加快激光熔覆过程的冷却速度，使得熔覆层的晶粒更加细小。目前，王鹏春(参见王鹏春,路阳,杨效田,肖荣振,杨晓伟.中国有色金属学报,2016,02:375-382.)通过强制冷却对感应重熔制备Ni60合金涂层，使涂层表面形成了一定取向的比较细小致密分布的“十字架”结构，且其对称性最好，定向凝固组织结构相对比较良好，从而大大提高了复合涂层的耐磨性能。专利号为“CN105414746A”的“一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法”通过对热源直接喷洒冷却气体或冷却液(惰性气体或液氮)，实现对试样的强制冷却，从而使凝固组织内部晶粒细化，提高构件性能，并且避免性能各向异性产生。但这种方法由于散热方向的分散性并不适用于强制冷却激光熔覆制备定向凝固组织。此外，单独采用强制冷却技术辅助激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层，由于熔池凝固速度很短，WC强化相颗粒的密度较大，很容易沉积熔覆层下层，使熔覆层强化相颗粒分布不均，很容易使熔覆层产生裂纹和气孔等缺陷。

针对熔覆层中WC陶瓷增强颗粒易沉底聚集，应力集中，产生微裂纹等问题，目前，有研究者通过添加某些特殊合金元素或氧化物,或通过优化激光熔覆工艺解决开裂问题,但通过添加某些特殊合金元素或氧化物减小裂纹会增加成本、降低效率，优化激光熔覆工艺也没有突破性进展。为了提高激光熔覆层的质量，减小裂纹状态，一个重要的方法是使熔覆层内硬质相均匀分布，目前研究者多采用电磁搅拌辅助激光熔覆。中国专利CN102703898A公开了一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其装置，利用交变磁场细化激光熔覆层组织的方法，实现了使熔覆层晶粒细化、组织分布均匀，避免应力集中，已达到消除激光熔覆层的裂纹，提高质量的目的，但是，利用电磁搅拌辅助激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层，可能会打碎熔覆层与基体结合区凝固形成树状晶组织，造成熔覆层与基体结合强度减弱的问题，并不能有效解决复合涂层与基体冶金结合强度问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，以提高复合涂层与基体冶金结合强度，减轻涂层稀释度，同时，消除涂层中的裂纹和气孔等缺陷，使熔覆层内硬质相分布均匀，提高熔覆涂层硬度和耐磨性。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，包括激光发射装置、强制冷却控制装置、电磁搅拌装置、保护气氛装置、三轴联动工作台、温度检测反馈装置、计算机，

所述三轴联动工作台由X方向运动平台、Y方向运动平台、Z方向运动平台构成，X方向运动平台、Y方向运动平台、Z方向运动平台的移动由计算机1控制；

所述强制冷却控制装置包括高压液氮罐、电磁阀、液氮隔热收容箱、液位计、夹具，所述液氮隔热收容箱固定在三轴联动工作台上，所述液氮隔热收容箱与高压液氮罐连通，所述液氮罐与液氮隔热收容箱之间设置电磁阀和液氮罐压力表，电磁阀与计算机相连，夹具固定在收容箱上端开口处，液位计设在液氮隔热收容箱内，液位计与计算机相连，所述液位计用于检测液氮的液位、并反馈给计算机，计算机通过控制电磁阀调控高压液氮罐阀门来保证液氮隔热收容箱内液氮的容量；

所述保护气氛装置包括保护气氛箱、氩气喷射嘴、高压氩气罐，保护气氛箱设在液氮隔热收容箱上部、并笼罩所述夹具，所述氩气喷射嘴伸入保护气氛箱内、且与高压氩气罐相连，所述氩气喷射嘴与高压氩气罐之间设有氩气罐压力表；

所述激光发射装置包括激光器、激光束发射头，激光器在计算机的控制下发射激光束，所述保护气氛箱顶板为透光板，激光束发射头通过透光板孔伸入保护气氛箱内；所述温度检测反馈装置为装在保护气氛箱内的红外测温器，所述红外测温器与计算机相连，用于检测工件表面的温度，反馈给计算机；

所述电磁搅拌装置包括电磁线圈、电磁调控器，所述电磁线圈套在液氮隔热收容箱和保护气氛箱外，使所述夹具位于电磁线圈的中心；所述电磁线圈与电磁调控器相连，所述电磁调控器与计算机相连，计算机通过控制电磁调控器设定所需的磁场强度参数。

进一步地，所述夹具的上端具有用具夹持工件的方槽，所述夹具的下端具有多个并排设置的梳齿装梯形散热块，所述梯形散热块浸没所述液氮隔热收容箱的液氮中。

进一步地，所述的电磁线圈为两个同轴相对布置的亥姆霍兹线圈。

进一步地，所述液氮隔热收容箱，所述液氮隔热收容箱为双层隔热设计，所述液氮隔热收容箱包括泡沫外层和不锈钢内层，所述泡沫外层包覆在不锈钢内层外部。

进一步地，所述夹具的材质为紫铜。

所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

①对待加工钛合金工件表面使用100#砂纸进行打磨、并用酒精清洗，在粗糙的基体表面预置压实一层Co基WC合金粉末或Ni基WC合金粉末，其中WC增强相颗粒的质量百分比含量小于等于50％；

②将待加工的钛合金工件放置于夹具中，首先，通过计算机控制电磁阀使液氮流入液氮隔热的箱体中，通过液位计测量液氮深度并反馈到计算机终端，计算机控制电磁阀开关始终保证液氮的上表面距夹具下底面0-2mm，然后，往熔覆区箱体内通入高纯度氩气，使工件表面的温度冷却到-30℃至-50℃范围时，此时，通过计算机打开电磁搅拌装置，调整到需要的磁场强度；

③将激光束聚焦后辐照在工件表面，对钛合金工件表面预置粉末进行单道激光熔覆处理，激光功率1000-1900W，激光束的光斑直径1-5mm，激光熔覆的扫描速度500-1000mm/min，磁场强度30-60mT；

④在熔覆完第一道合金涂层后，待钛合金工件表面的温度再次冷却到-30℃至-50℃范围时，重复步骤②③，光斑搭接率50％，直到完成钛合金工件表面待熔覆区域全部熔覆完成。

进一步地，所述液氮隔热收容箱内的液氮上表面距夹具下表面的距离为0-2mm。

本发明针对单一使用强制冷却辅助激光熔覆或电磁磁搅拌辅助激光熔覆，分别都存在着各自的不足，将电磁搅拌技术和强制冷却技术结合在一起协同辅助激光熔覆制备复合涂层，能发挥各自的优势，弥补单一辅助时的不足。在本发明装置上进行激光熔覆，能实现电磁搅拌辅助和强制冷却来同时影响激光熔覆过程，熔覆层中上层由于电磁搅拌的作用大于强制冷却的作用影响会形成晶粒细小、硬质相均匀分布、组织分布均匀，细晶粒组织。熔覆层底层，即熔覆层与基材结合的区域，由于强制冷的作用效果更明显，凝固速度更快，会形成取向一致，均匀致密并且对称性最好的细枝晶组织，即定向晶组织结构。形成的这种特殊的熔覆层结构，能显著消除熔覆层的裂纹和气孔，提高熔覆层的质量，使熔覆层具有高硬度、高耐磨性的同时，又兼顾了与基体的结合强度高，不易剥落的优点。

本发明在激光熔覆时，采用表面预置压实粉末法，引入电磁搅拌技术和强制冷却技术工艺，熔覆过程始终在充满氩气的保护气氛箱内进行，有效避免了杂质对熔覆层的破坏，改善了复合涂层质量。

本发明的装置简单、操作方便灵活且经济通用、效果明显，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置。

图2是所述夹具的结构示意图。

图中：

1-计算机，2-激光器，3-电磁平台控制器，4-红外测温器，5-液位计，6-激光发射头，7-透光板，8-保护气氛箱罩，9-氩气喷射嘴，10-工件，11-夹具，12-泡沫外层，13-不锈钢内层，14-液氮，15-电磁线圈，16-氩气管，17-液氮管，18-X方向运动平台，19-Y方向运动平台，20-Z方向运动平台，21-电磁阀，22-液氮罐压力表，23-液氮罐阀门，24-高压液氮罐，25-氩气罐压力表，26-氩气罐阀门，27-高压氩气罐，111-梯形散热片，112-方形卡槽，113-试样槽。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，包括激光发射装置、强制冷却控制装置、电磁搅拌装置、保护气氛装置、三轴联动工作台、温度检测反馈装置、计算机1。所述三轴联动工作台由X方向运动平台18、Y方向运动平台19、Z方向运动平台20构，X方向运动平台18、Y方向运动平台19、Z方向运动平台20的移动由计算机1控制。

所述强制冷却控制装置包括高压液氮罐24、电磁阀21、液氮隔热收容箱、液位计5、夹具11，所述液氮隔热收容箱固定在三轴联动工作台上，所述液氮隔热收容箱，所述液氮隔热收容箱为双层隔热设计，所述液氮隔热收容箱包括泡沫外层12和不锈钢内层13，所述泡沫外层12包覆在不锈钢内层13外部。所述液氮隔热收容箱与高压液氮罐24连通，所述液氮罐24与液氮隔热收容箱之间设置电磁阀21和液氮罐压力表22，电磁阀21与计算机1相连。所述夹具11的上端具有用具夹持工件的方槽为试样槽113，上端下面开方形卡槽112与不锈钢内层13接触密封，所述夹具11的下端具有多个并排设置的梳齿装梯形散热片111，夹具11固定在收容箱上端开口处，所述梯形散热块浸没所述液氮隔热收容箱的液氮中，通过夹具良好的热传导性来强制冷却工件。所述夹具11的材质为紫铜。液位计5设在液氮隔热收容箱内，液位计5与计算机1相连，所述液位计5用于检测液氮的液位、并反馈给计算机1，计算机1通过控制电磁阀21调控高压液氮罐阀门23来保证液氮隔热收容箱内液氮的容量，保证收容箱内的液氮上表面距夹具下表面的距离为0-2mm。所述电磁阀21，其控制高压液氮罐27的输出阀门，当计算机控制系统控制其打开时，电磁阀21会在液氮输出一定量时，会自动关闭。

所述保护气氛装置包括保护气氛箱8、氩气喷射嘴9、高压氩气罐27，保护气氛箱8设在液氮隔热收容箱上部、并笼罩所述夹具11，所述氩气喷射嘴9伸入保护气氛箱8内、且与高压氩气罐27相连，所述氩气喷射嘴9与高压氩气罐27之间设有氩气罐压力表25。在熔覆过程中往保护气氛箱8通入高纯度氩气，避免熔覆过程中试样表面的氧化以及冷却过程中形成冷凝水珠。

所述激光发射装置包括激光器2、激光束发射头6，激光器2在计算机1的控制下发射激光束，所述保护气氛箱8顶板为透光板7，激光束发射头6通过透光板孔伸入保护气氛箱8内；激光器2能发射激光束，对所述激光熔覆区域进行激光熔覆处理。所述温度检测反馈装置为装在保护气氛箱8内的KT15.99IIP高性能红外测温器4，所述红外测温器4与计算机1相连，用于检测工件表面的温度，能时刻检测试样表面温度，反馈给计算机1。

所述电磁搅拌装置包括电磁线圈15、电磁调控器3，所述电磁线圈15套在液氮隔热收容箱和保护气氛箱8外，使所述夹具11位于电磁线圈15的中心；所述的电磁线圈15为两个同轴相对布置的亥姆霍兹线圈。通入交流电，能产生横向均匀交变磁场，通过控制电压和电流的大小，来改变均匀交变磁场的强弱。所述电磁线圈15与电磁调控器3相连，所述电磁调控器3与计算机1相连，计算机1通过控制电磁调控器3设定所需的磁场强度参数，能通过计算机1控制电磁平台控制器3设定所需的磁场强度参数。

下面以TC4钛合金激光熔覆Co基WC合金粉末，使用本发明中一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，原理如图1所示，激光器2的激光能量功率为1200W,光斑直径为3mm,光斑搭接率为50％，电磁搅拌装置的磁场强度40mT-具体实施时，激光功率、光斑直径、光斑搭接率、磁场强度可根据工件的型号、大小、厚度具体情况进行调整选择；具体步骤包括：

A.对已经进行过100#砂纸打磨并用酒精清洗过的的待加工TC4钛合金薄板工件表面预置压实一层Ni基WC合金粉末，其中WC相颗粒的质量百分比含量小于等于50％；

B.将钛合金工件10置于夹具11上，首先，打开液氮罐阀门23，通过液氮罐压力表22查看高压液氮罐的的压力，通过计算机1控制电磁阀21使液氮流入液氮隔热收容箱中，通过液位计5测量液氮深度并反馈到计算机终端1，计算机控制电磁阀开关始终保证液氮的上表面距夹具下底面0-2mm。

C.然后，打开高压氩气罐27的氩气罐阀门26，依据氩气罐压力表25调节氩气喷射嘴9的出气压力为4×10⁵Pa,往保护气氛箱罩8内注入高纯度氩气。

D.通过计算机1打开电磁平台控制器3并输入具体调整参数U＝20V，I＝8A，电磁线圈15产生需要的磁场强度。通过计算机1控制X方向运动平台18，Y方向运动平台19，Z方向运动平台20，使工件定位于熔覆起始位置并控制熔覆过程中的扫描速度。

E.当KT15.99IIP高性能红外测温器4检测到工件表面的温度冷去到-30℃至-50℃范围时，此时，通过计算机1控制激光器2，发射激光能量功率为1200W,光斑直径为3mm的激光束，激光束照射到待熔覆工件10，扫描速度为700mm/min。在熔覆完一道合金涂层后，待工件表面的温度再次冷去到-30℃至-50℃范围时，以光斑搭接率为50％完成工件表面待熔覆区域全部熔覆。

F.熔覆结束后，通过计算机1关闭激光器2、运动平台18，19,20、电磁平台控制器3、电磁阀21。同时手动关闭氩气罐阀门26、液氮罐阀门23，然后取下工件10并进行清洗。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，包括激光发射装置、强制冷却控制装置、电磁搅拌装置、保护气氛装置、三轴联动工作台、温度检测反馈装置、计算机(1)，

所述三轴联动工作台由X方向运动平台(18)、Y方向运动平台(19)、Z方向运动平台(20)构成，X方向运动平台(18)、Y方向运动平台(19)、Z方向运动平台(20)的移动由计算机(1)控制；

所述强制冷却控制装置包括高压液氮罐(24)、电磁阀(21)、液氮隔热收容箱、液位计(5)、夹具(11)，所述液氮隔热收容箱固定在三轴联动工作台上，所述液氮隔热收容箱与高压液氮罐(24)连通，所述液氮罐(24)与液氮隔热收容箱之间设置电磁阀(21)和液氮罐压力表(22)，电磁阀(21)与计算机(1)相连，夹具(11)固定在收容箱上端开口处，液位计(5)设在液氮隔热收容箱内，液位计(5)与计算机(1)相连，所述液位计(5)用于检测液氮的液位、并反馈给计算机(1)，计算机(1)通过控制电磁阀(21)调控高压液氮罐阀门(23)来保证液氮隔热收容箱内液氮的容量；

所述保护气氛装置包括保护气氛箱(8)、氩气喷射嘴(9)、高压氩气罐(27)，保护气氛箱(8)设在液氮隔热收容箱上部、并笼罩所述夹具(11)，所述氩气喷射嘴(9)伸入保护气氛箱(8)内、且与高压氩气罐(27)相连，所述氩气喷射嘴(9)与高压氩气罐(27)之间设有氩气罐压力表(25)；

所述激光发射装置包括激光器(2)、激光束发射头(6)，激光器(2)在计算机(1)的控制下发射激光束，所述保护气氛箱(8)顶板为透光板(7)，激光束发射头(6)通过透光板孔伸入保护气氛箱(8)内；所述温度检测反馈装置为装在保护气氛箱(8)内的红外测温器(4)，所述红外测温器(4)与计算机(1)相连，用于检测工件表面的温度，反馈给计算机(1)；

所述电磁搅拌装置包括电磁线圈(15)、电磁调控器(3)，所述电磁线圈(15)套在液氮隔热收容箱和保护气氛箱(8)外，使所述夹具(11)位于电磁线圈(15)的中心；所述电磁线圈(15)与电磁调控器(3)相连，所述电磁调控器(3)与计算机(1)相连，计算机(1)通过控制电磁调控器(3)设定所需的磁场强度参数。

2.根据权利要求1所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述夹具(11)的上端具有用具夹持工件的方槽，所述夹具(11)的下端具有多个并排设置的梳齿装梯形散热片(111)，所述梯形散热片(111)浸没所述液氮隔热收容箱的液氮中。

3.根据权利要求1所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述的电磁线圈(15)为两个同轴相对布置的亥姆霍兹线圈。

4.根据权利要求1所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述液氮隔热收容箱，所述液氮隔热收容箱为双层隔热设计，所述液氮隔热收容箱包括泡沫外层(12)和不锈钢内层(13)，所述泡沫外层(12)包覆在不锈钢内层(13)外部。

5.根据权利要求1所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述夹具(11)的材质为紫铜。

6.根据权利要求1所述的强制冷却环境下电磁搅拌辅助激光熔覆装置的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

①对待加工钛合金工件表面使用100#砂纸进行打磨、并用酒精清洗，在粗糙的基体表面预置压实一层Co基WC合金粉末或Ni基WC合金粉末，其中WC增强相颗粒的质量百分比含量小于等于50％；

②将待加工的钛合金工件放置于夹具中，首先，通过计算机控制电磁阀使液氮流入液氮隔热的箱体中，通过液位计测量液氮深度并反馈到计算机终端，计算机控制电磁阀开关始终保证液氮的上表面距夹具下底面0-2mm，然后，往熔覆区箱体内通入高纯度氩气，使工件表面的温度冷却到-30℃至-50℃范围时，此时，通过计算机打开电磁搅拌装置，调整到需要的磁场强度；

③将激光束聚焦后辐照在工件表面，对钛合金工件表面预置粉末进行单道激光熔覆处理，激光功率1000-1900W，激光束的光斑直径1-5mm，激光熔覆的扫描速度500-1000mm/min，磁场强度30-60mT；

④在熔覆完第一道合金涂层后，待钛合金工件表面的温度再次冷却到-30℃至-50℃范围时，重复步骤②③，光斑搭接率50％，直到完成钛合金工件表面待熔覆区域全部熔覆完成。

7.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述液氮隔热收容箱内的液氮上表面距夹具下表面的距离为0-2mm。