CN107574436A - 激光制备钛合金涂层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光制备钛合金涂层方法，在基体金属表面预涂覆一层直径100微米钛合金粉末，激光束功率100‑200W，激光束的波长在900纳米以下，光斑直径60‑100微米，采用矩阵式扫描，其中扫描速度5‑50mm/s，惰性气体保护，表面粗糙度在0.5微米以下。

Description

激光制备钛合金涂层方法

技术领域

本发明涉及激光熔敷金属粉末技术，属于快速成型制造技术领域，特别是涉及一种利用短波长激光热源、预涂粉末制备钛合金涂层的方法。

背景技术

采用送粉方式的激光熔敷技术制备金属涂层已有工业应用。相比较于传统的铸造等方式，由于省去了熔炼和锻造等环节，具备成分低、灵活性高的优势，尤其是在柔性化、小尺寸零件制造领域得到了广泛应用。

但现有技术由于激光波长比较长，导致光斑直径较大，使得涂层厚度和表面质量无法精确控制。尤其是表面粗糙度，利用现有技术制备的涂层粗糙度在20-100微米之间，基本需要进行一道表面处理才能达到使用要求。

为提高制造效率，节约材料，亟需将钛合金表面涂层的粗糙度精确控制，从而免除后续机加工处理，直接应用于装配环节。

发明内容

本发明的目的在于提供钛合金涂层的激光制备方法，解决了现有技术涂层表面粗糙度不能控制的难题，可将涂层的粗糙度控制在5微米以下。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

激光制备钛合金涂层方法，a)在基体金属表面预涂覆一层钛合金粉末，粉末直径100微米以下；b)激光束功率100-200W，光斑直径60-100微米；c)采用矩阵式扫描方法，首先沿涂层宽度方向扫描10-20mm，接着沿长度方向扫描40-80微米，然后再沿着宽度方向扫描10-20mm，以此类推，直至完全扫完，其中扫描速度5-50mm/s；d)在真空腔内开展制备，

激光制备钛合金涂层方法，激光束的波长在900纳米以下；

激光制备钛合金涂层方法，所用涂层粉末直径低于光斑直径，但不得小于20微米；

技术说明如下：

在基体金属表面预涂覆一层钛合金粉末，粉末直径100微米以下。

采用预涂粉末方法是为提高表面粗糙度，同时也会增加涂层的致密性。直接送粉方式由于有部分粉末不能完全熔化、粘附在涂层表面，从而破坏表面质量。粉末直径大小同样影响表面质量，尺寸大不利于表面粗糙度控制。将粉末直径限制在100微米以下，再加上其他参数控制及本方法，可将制备后的钛合金涂层的表面粗糙度控制在0.5微米以下。

当粉末直径在80微米以下时，效果更好；

当粉末直径在60微米以下时，效果最好；

激光束功率100-200W，光斑直径60-100微米，激光束的波长900纳米以下。

激光波长决定了预涂层粉末对入射激光束能量的吸收率，波长小吸收率高，因此所需要的功率就小，节约能源。降低激光束波长，也降低激光束光斑直径，降低激光束在预涂覆材料中的熔池大小，从而有利于精确控制熔池及涂层表面质量。

激光束功率低于100W，不能提供足够的热量将预涂覆钛合金粉末熔化；当激光功率超过200W，则会使得产生的熔池较大，不利于扫描道次间的有序排列，从而破坏表面质量和表面粗糙度。因此，优选功率是100-200W。

当激光束功率110-180W时，效果更好；

当激光束功率120-160W时，效果最好；

光斑直径低于60微米，会提高能量密度，从而增加熔池深度，不利于表面质量提高，同时也不利于效率；当光斑直径超过100微米，会降低能量密度，虽然同时也会增加熔池尺寸，但是对粉末材料的熔化不利，容易产生不完全熔化导致质量包括表面质量不合格。因此，优选光斑直径是60-100微米。

当光斑直径70-90微米时，效果更好；

当光斑直径75-85微米时，效果最好；

当激光束波长超过900纳米，一方面预涂粉末对材料的吸收率会下降，导致不得不增加激光功率来提供足够的熔化热量；另一方面会增加光斑尺寸，进一步降低光斑的能量密度，不利于光斑和激光熔池的尺寸空知，以及扫描道次的控制，从而确保涂层质量和表面粗糙度。

当激光束波长在800纳米以下时，效果更好；

当激光束波长在700纳米以下时，效果最好；

采用矩阵式扫描方法，首先沿涂层宽度方向扫描10-20mm，接着沿长度方向扫描40-80微米，然后再沿着宽度方向扫描10-20mm，以此类推，直至完全扫完，其中扫描速度5-50mm/s；

扫描方法一方面要考虑到把预涂覆粉末完全融化，确保涂层质量；另一方面要考虑扫描道次间的过度；此外，还要兼顾到制造效率。矩阵式的扫描方式在确保熔敷涂层质量的同时，也使得扫描道次间过渡平滑，提高了整个涂层的表面质量。

扫描速度直接决定了熔敷效率，同时也影响涂层质量。当扫描速度低于5mm/s时，不利于效率提升；当扫描速度超过50mm/s时，会使得激光束不能完全把预涂覆粉末熔化，影响涂层质量。因此，优选扫描速度是5-50mm/s。

当扫描速度是8-40mm/s时，效果更好；

当扫描速度是10-30mm/s时，效果最好；

制备过程在真空腔内开展。

钛合金材料很活波，尤其是在高温熔化状态，会与周围环境中的氧、碳、氮及大部分金属都会发生反应，从而影响目标涂层的性能。在真空环境中开展，可确保制备涂层的纯净度和性能。

涂层粉末直径低于光斑直径，但不得小于20微米；

为提高涂层的表面质量，涂层粉末的直径要低于光斑直径，这样可以确保粉末材料得到足够的热量来熔化，否则容易造成熔化不足，影响涂层内外部质量。同时粉末材料尺寸不得低于20微米，否则容易造成由于局部粉末排列过于紧密，导致熔化不足，影响涂层质量。

本发明的优点及有益效果：

1.本发明方法通过短波长激光束、真空制备、预涂覆细粉末等手段解决了现有激光熔敷制备钛合金涂层表面粗糙度无法控制的技术难题；

2.本发明方法可制备厚度0.5-2.0mm的钛合金涂层，且可将表面粗糙度控制在0.5微米以内。

附图说明：

附图1为激光束扫描路径示意图，其中a为激光束按矩阵方式扫描时的步长，b为宽度方向扫描距离。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

基体材料为不锈钢SUS304，厚度3-10mm，长度为150mm，宽度为50mm。

选用纯钛粉末，颗粒尺寸在30-80微米之间；采用中间粘结剂与粉末搅拌均匀后，涂敷在基材表面，厚度在0.5-2.0mm之间。粉末涂覆完成后，在加热炉中烘干。然后将带有预涂覆粉末涂层的钢板送入真空室中，准备熔敷。

激光熔敷完成后，检查焊接质量，并测量表面粗糙度。

实施例1-8：

预涂覆粉末类型和尺寸、激光束参数、及扫描参数见表1；

焊后质量检验结果见表2。

对比例1-4：

预涂覆粉末类型和尺寸、激光束参数、及扫描参数见表1；

焊后质量检验结果见表2。

通过上述实施例可知，本发明提供的预涂覆粉末、短波长激光、矩阵扫描方法解决了现有技术表面粗糙度不可控的技术难题，在涂层厚度0.5-2.0mm范围内，可将表面粗糙度控制在0.5微米以内。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

表1实施例涂层制备参数

表2实施例制备钛合金涂层质量

Claims (3)

1.激光制备钛合金涂层方法，其特征在于：a）在基体金属表面预涂覆一层钛合金粉末，粉末直径100微米以下；b）激光束功率100-200W，光斑直径60-100微米；c）采用矩阵式扫描方法，首先沿涂层宽度方向扫描10-20mm，接着沿长度方向扫描40-80微米，然后再沿着宽度方向扫描10-20mm，以此类推，直至完全扫完，其中扫描速度5-50mm/s；d）在真空腔内开展制备。

2.根据权利要求1所述的激光制备钛合金涂层方法，其特征在于：激光束的波长在900纳米以下。

3.根据权利要求1-2所述的激光制备钛合金涂层方法，其特征在于：所用涂层粉末直径低于光斑直径，但不得小于20微米。