CN107130239B - 局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，该方法如下：金属或合金粉束由惰性载体气体输送随聚焦激光束在加工表面移动；在所述金属或合金粉束的外围形成至少一束惰性保护气体；所述惰性保护气体包括第一惰性保护气体，所述第一惰性保护气体围绕在所述聚焦激光束的外围。通过在聚焦激光束的外围形成惰性保护气体以解决零件成形时遇到的尺寸受限、成本高昂、熔覆成形系统难以移动等问题，与现有技术相比，对现场零件的成形和修复提供了一个方便、快捷、经济的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法。
背景技术
激光熔覆成形是以“离散－堆积”原理为基础的微冶金堆积成形过程，因其具有冷却速度快、变形小、熔覆层性能优异等特点而得到广泛应用。钛合金具有密度小、比强度、比高度高、耐腐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天化工医疗以及体育器械等领域。但是钛合金的表面熔覆及成形具有特殊的要求。因为金属钛与空气中的氢、氧、氮和碳的化合力很强，这样就造成了钛及钛合金在熔炼和加工中的复杂性。其熔炼和烧结等工艺过程都要求在高度的真空或纯化的惰性气氛(如氩、氦等)中进行。如中国专利申请第CN104439707A号、中国专利申请第CN104384706A号、马来西亚专利申请第MY150484A号中所述，目前国内外在进行钛合金激光熔覆及成形中均要在专门的惰性气氛室，其中充满纯化的惰性气氛环境中进行。此外，镁、铝等金属及其合金等在激光熔覆与成形过程中也极易与空气中的成分反应，需要惰性气氛环境保护。
惰性保护气氛室能够保护金属及合金熔池凝固降温过程不被氧化，是目前金属及合金激光成形及焊接广泛使用的一种加工保护方式。但这种成形方式存在一些局限性：(1)建立气氛室及维持气氛室氛围浓度成本较高：(2)成形件尺寸要受到气氛室尺寸所限，无法成形熔覆大型或超大型构件；(3)因气氛室难以移动，这就限制了整个激光成形系统无法到零件损坏现场进行实地修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，该方法方便、快捷、经济。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，如下：
金属或合金粉束由惰性载体气体输送随聚焦激光束在加工表面移动；
在所述金属或合金粉束的外围形成至少一层惰性保护气体。
进一步的：所述金属或合金粉束以及惰性载体气体与聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致。
进一步的：于所述金属或合金粉束的中心线沿径向上，每层所述惰性保护气体的厚度依次增加。
进一步的：所述惰性保护气体包括第一惰性保护气体，所述第一惰性保护气体围绕在所述聚焦激光束的外围。
进一步的：所述第一惰性保护气体呈锥形或倒锥形或柱形。
进一步的：所述第一惰性保护气体的厚度为1mm以上。
进一步的：所述方法用于熔覆工艺中，所述第一惰性保护气体的流量与熔覆工艺参数匹配模型如下：
惰性保护气体的厚度：1～30mm；
激光功率：300～1500w；
扫描速度：3～20mm/s；
送粉速度:8～32g/min；
惰性保护气体流量:2～10L·min-1；
惰性保护气体压强：0.02～0.08MP。
进一步的：所述惰性保护气体还包括第二惰性保护气体，所述第二惰性保护气体，形成在所述聚焦激光束与金属或合金粉束之间。
进一步的：所述第二惰性保护气体呈圆柱形或者椭圆柱形或者收敛锥形或者发散锥形。
进一步的：所述惰性保护气体包括氦、氩、氖、氪、氙中的一种或以上的混合气体。
本发明的有益效果在于：通过在聚焦激光束的外围形成惰性保护气体以解决零件成形时遇到的尺寸受限、成本高昂、熔覆成形系统难以移动等问题，与现有技术相比，对现场零件的成形和修复提供了一个方便、快捷、经济的方法。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一实施例所示的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法的流程图；
图2为用于图1所示的方法的光内同轴喷头送粉的示意图；
图3是使用图1所示的方法后的实验照片；
图4a是图3所成形件直壁墙中部组织的SEM照片；
图4b是图3所成形件的第一部分熔覆层与基体结合处的SEM照片；
图4c是图3所成形件的第二部分熔覆层与基体结合处的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法用于熔覆工艺中，主要用于保护钛、镁铝及其合金等易于空气反应的材料，该方法实质是采用局部气氛室钛或钛合金激光成形。局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法如下：金属或合金粉束由惰性载体气体输送随聚焦激光束在加工表面移动；在所述金属或合金粉束的外围形成至少一束惰性保护气体。通过在金属或合金粉束的外围设置惰性保护气体以使该惰性保护气体与惰性载体气体通过形成局部惰性气氛环境，从而隔绝空气中的氧和氮与加工过程的金属或合金发生反应。所述金属或合金粉束以及惰性载体气体与聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致，由于，惰性保护气体与所述金属或合金粉束以及惰性载体气体同轴线并且喷射方向一致，两层及以上层的惰性气体之间不易发生干涉，一方面不会将合金粉束吹散，另一方面形成局部的惰性气体层流气帘，有利于阻隔外部空气进入，提高局部惰性气氛浓度。当该惰性保护气体为至少两层时，于所述金属或合金粉束的中心线沿径向上，每层所述惰性保护气体的厚度依次增加。
请结合图1及结合图2，在本实施例中，以钛合金为例，该局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法如下：
S1：钛合金粉束随惰性载体气体(由于图1中标号1表示载有钛合金粉束的惰性载体气体的混合材料)在聚焦激光束2中移动；
S2：所述聚焦激光束2的外围形成围绕所述聚焦激光束2的惰性保护气体。
所述钛合金粉束与聚焦激光束2的布局方式为：聚焦激光束2中空，钛合金粉束居中。在所述熔覆工艺中，单根粉管位于中空环形的聚焦激光束2内，由惰性载体气体1运载钛合金粉末，将钛合金粉末送出。该聚焦激光束2形成方式如下：激光光束经分光、扩束、聚焦以形成所述聚焦激光束2。所述聚焦激光束2为锥形光束。
在本实施例中，所述惰性保护气体包括第一惰性保护气体3和第二惰性保护气体4，所述金属或合金粉束以及第一惰性载体气体3、第二惰性保护气体4与聚焦激光束2同轴线，且喷射方向一致。所述第一惰性保护气体3围绕在所述聚焦激光束2的外围，所述第二惰性保护气体4形成在所述聚焦激光束2与金属或合金粉束之间。所述惰性保护气体包括氦(He)、氩(Ar)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)中的一种或以上的混合气体。
在本实施例中，所述第一惰性保护气体3呈锥形，其紧密包围在钛合金粉束的外侧，所述第一惰性保护气体3具有一定的厚度，具体的：第一惰性保护气体3的厚度一般为1mm以上。为了保证形成钛合金冶金熔道，及当局部第一惰性保护气体3移走后，熔池温度已降至钛合金氧化温度以下，以保证熔池凝固过程不会氧化，需将第一惰性保护气体3的流量、激光扫描速度、钛合金送粉量、激光功率等工艺参数进行匹配，该第一惰性保护气体3的流量与熔覆工艺参数匹配模型如下：第一惰性保护气体3的气帘尺寸(厚度)：1～30mm；激光功率：300～1500w；扫描速度：3～20mm/s；送粉速度:8～32g/min；第一惰性保护气体3的流量:2～10L·min-1；第一惰性保护气体3的压强：0.02～0.08MP。在其他实施方式中，该第一惰性保护气体3还可以呈倒锥形或柱形。在本实施例中采用第一惰性保护气体3采用锥形的目的在于贴合聚焦激光束2，以进一步防止钛合金在熔覆成形的过程中氧化。
本实施例中，设置第二惰性保护气体4一方面对送出的钛合金粉束进行准直，另一方面可加强局部惰性气氛环境的气体浓度。所述第二惰性保护气体呈圆柱形，当然，在其他实施方式中，该第二惰性保护气体还可以呈椭圆柱形或者收敛锥形或者发散锥形。所述第二惰性保护气体的厚度小于第一惰性保护气体的厚度。
为了更清楚的说明本发明的效果，现采用上述方法形成直壁墙，第一惰性保护气体3的流量与熔覆工艺参数匹配模型参数如下：
通过上述方法所得到的实验照片如图3，在图3中，标号1的一侧直壁墙为第一部分，标号2的一侧直壁墙为第二部分，上述实验照片在显微镜下观察的SEM照片(见图4a至4c)，通过SEM照片可知：熔覆层组织致密，无气孔无裂纹；熔覆层与基体结合处较好。
综上所述：本发明的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法通过在聚焦激光束2的外围形成的惰性保护气体以解决临建形成时遇到的尺寸受限、成本高昂、熔覆成形系统难以移动等问题，与现有技术相比，对现场零件的成形和修复提供了一个方便、快捷、经济的方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，其特征在于，所述方法如下：
金属或合金粉束由惰性载体气体输送随聚焦激光束在加工表面移动；
在所述金属或合金粉束的外围形成至少两层惰性保护气体，所述惰性保护气体包括第一惰性保护气体和第二惰性保护气体，所述第一惰性保护气体围绕在所述聚焦激光束的外围，所述第二惰性保护气体形成在所述聚焦激光束与金属或合金粉束之间；所述金属或合金粉束以及惰性载体气体与聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致；
所述方法用于熔覆工艺中，所述第一惰性保护气体的流量与熔覆工艺参数匹配模型如下：
惰性保护气体的厚度：1～30mm；
激光功率：300～1500w；
扫描速度：3～20mm/s；
送粉速度：8～32g/min；
惰性保护气体流量：2～10L·min-1；
惰性保护气体压强：0.02～0.08MP。
2.如权利要求1所述的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，其特征在于，于所述金属或合金粉束的中心线沿径向上，每层所述惰性保护气体的厚度依次增加。
3.如权利要求1所述的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，其特征在于，所述第一惰性保护气体呈锥形或倒锥形或柱形。
4.如权利要求1所述的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，其特征在于，所述第二惰性保护气体呈圆柱形或者椭圆柱形或者收敛锥形或者发散锥形。
5.如权利要求1所述的局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法，其特征在于，所述惰性保护气体包括氦、氩、氖、氪、氙中的一种或以上的混合气体。
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