CN108588708B - 复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，包括激光器、预置层、基体、工作台、超声波振动器和感应加热线圈，具体包括如下步骤：步骤10、基体预处理后把预置层放置在基体上，把放有预置层的基体放置在工作台上；激光器的激光头移动至基体的待熔覆位置；步骤20、开启感应加热线圈，感应加热线圈加热基体以及预置层至200‑400℃；步骤30、打开激光器以及超声波振动器，激光器通过激光头对基体进行激光熔覆，超声波振动器对激光熔覆过程进行超声波辅助；步骤40、激光熔覆结束后关闭超声波振动器以及激光器；步骤50、关闭感应加热线圈；步骤60、取出完成激光熔覆的基体。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，特别指复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆装置以及方法，还涉及一种在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层。
背景技术
激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂敷基体表面上放置选择的涂层材料，经高能激光束使之和基体表面-薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性等的工艺。
激光熔覆作为表面工程技术领域的一种新兴技术，因其具有界面为冶金结合、组织极细、熔覆层(预置层与基体激光熔覆完成后，称为熔覆层)稀释率地，厚度可控、热畸变小等诸多独特的优点，已成为比较活跃的研究领域。但其缺点在于：激光熔覆是一个复杂的物理、化学及冶金过程，熔覆层在激光快速加热和冷却以及熔化凝固过程中极易产生拉应力，使裂纹敏感性大大提高。
传统的消除裂纹的方法：预热、缓冷、后热、加入稀土或合金元素、使用专用的抗裂粉末。然而使用预热炉或回火炉对熔覆试样进行预热和缓冷来减小裂纹开裂倾向，只能消除还未达到材料屈服强度的应力，而不能对大量已导致裂纹开裂的内应力产生影响，而且预热温度太高时，会使晶粒粗大，影响熔覆层组织性能。通过加入稀土或调整合金元素比例，增加熔敷层的韧性，可以降低裂纹敏感性，但同时也会降低熔敷层的硬度和耐磨性。使用后热，以及专用的抗裂粉末增加工序与熔覆材料的复杂性。现有技术不能很好解决熔覆层在激光快速加热和冷却以及熔化凝固过程中极易产生拉应力，使裂纹敏感性大大提高的问题。
纳米粉末，其粉末粒度降低到纳米尺度，具有普通粉末材料不具备的特殊性质，由于纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使它与常规材料相比具有独特的优异性能。引起世界观各国的广泛的关注。纳米粉末在使用中存在以下缺点：纳米粉体易团聚以及易气化和飞溅，使熔覆层产生空洞、烧损、裂纹和剥落等问题。
梯度功能材料(functionally gradient materials，FGM)是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，它是选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。与传统复合材料相比FGM有如下优势：可以大大地提高粘结强度，减小残余应力和热应力，代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。特别适用于抗高温及耐热冲击的熔覆层。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆装置以及方法，还提供一种在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层。
本发明是这样实现的：
复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆装置，包括激光器、预置层、基体、工作台、超声波振动器和感应加热线圈，所述激光器的激光头作用于所述预置层，所述预置层放置在所述基体上，所述基体放置在所述工作台上，所述超声波振动器作用于所述预置层与所述基体，所述感应加热线圈围绕所述基体设置。
优选地，所述超声波振动器作用于所述预置层与所述基体的上部。
本发明具体包括如下步骤：
复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，包括激光器、预置层、基体、工作台、超声波振动器和感应加热线圈，所述激光器的激光头作用于所述预置层，所述预置层放置在所述基体上，所述基体放置在所述工作台上，所述超声波振动器作用于所述预置层与所述基体的上部，所述感应加热线圈围绕所述基体设置；
还包括如下步骤：
步骤10、基体预处理后把预置层放置在基体上，把放有预置层的基体放置在工作台上；激光器的激光头移动至基体的待熔覆位置；
步骤20、开启感应加热线圈，感应加热线圈加热基体以及预置层至200-400℃；
步骤30、打开激光器以及超声波振动器，激光器通过激光头对基体进行激光熔覆，超声波振动器对激光熔覆过程进行超声波辅助；
步骤40、激光熔覆结束后关闭超声波振动器以及激光器；
步骤50、关闭感应加热线圈；
步骤60、取出完成激光熔覆的基体。
优选地，所述步骤20、感应加热线圈以每分钟上升5℃-10℃的速率对基体以及预置层进行加热。
优选地，还包括步骤41、感应加热线圈以每分钟下升5℃-10℃的速率对熔覆完成后的基体进行降温，直至熔覆完成后的基体降温至室温。
优选地，所述步骤40与步骤50同步进行。
优选地，所述步骤10中，基体预处理后把预置层放置在基体上，把放有预置层的基体放置在工作台上；或，基体放置在工作台后再将预置层放置在基体上。
本发明是这样实现的：
一种在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层，包括从下至上依次设置的基底层、第一过渡层和面层，各层包括以下重量百分数的各组分：
基底层：100％CrCoAlY2O3合金粉末；
第一过渡层：20％WC合金粉末(误差范围在10％以内)、20％Al2O3合金粉末(误差范围在10％以内)、20％ZrO2合金粉末(误差范围在10％以内)，以及40％CrCoAlY2O3合金粉末(误差范围在10％以内)；
面层：50％WC合金粉末(误差范围在10％以内)、20％Al2O3合金粉末(误差范围在10％以内)、20％ZrO2合金粉末(误差范围在10％以内)，以及10％CrCoAlY2O3合金粉末(误差范围在7％以内)；
优选地，各层厚度如下：基底层的厚度：5-8μm；第一过渡层的厚度：0.7-1mm；面层的厚度：1-1.2mm。
本发明具有如下优点：
1、通过增加超声波振动器，解决熔覆层在熔覆过程中极易产生拉应力，使裂纹敏感性大大提高的问题；超声波振动作用于熔池(基体与预置层在激光熔覆时产生熔池)，在熔池中的空化、声流等产生作用，具有均化熔池温度，降低应力；加速熔池气体逸出，提高材料致密性；打断长枝晶、细化晶粒等效果。增设超声波振动器有效抑制裂纹产生以及减少熔覆层气泡，增强熔覆层的熔覆效果使熔覆完成的基体更具使用性。
2、通过增加感应加热线圈，解决熔覆层在熔覆时激光快速加热和冷却的问题，通过控制温度减小温度梯度及熔覆层残余应力，提高熔覆层致密程度，有效的抑制裂纹的产生。
3、通过增加感应加热线圈，对于纳米材料的预置层进行加热，使纳米粉末干燥，解决纳米粉体易团聚的问题。
4、纳米粉末通过预置层预置的方式进行激光熔覆，解决纳米粉体易气化和飞溅，使熔覆层产生空洞、烧损、裂纹和剥落的问题。
5、本发明无需使用专用的抗裂粉末，使所用预置层的粉末种类不受限制，对大部分预置层的粉末均适用。
6、本发明设备简单，利于校准安装，耗能小，加工效率高，操作简便，对环境无污染，显著降低成本。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的装置连接示意图。
符号说明如下：
激光头1；预置层2；基体3；工作台4；超声波振动器5；感应加热线圈6。
具体实施方式
如图1所示，复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆装置，包括激光器、预置层2、基体3、工作台4、超声波振动器5和感应加热线圈6，所述激光器的激光头1作用于所述预置层2，所述预置层2放置在所述基体3上，所述基体3放置在所述工作台4上，所述超声波振动器5作用于所述预置层2与所述基体3的上部，所述感应加热线圈6围绕所述基体3设置。
复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，包括激光器、预置层2、基体3、工作台4、超声波振动器5和感应加热线圈6，所述激光器的激光头1作用于所述预置层2，所述预置层2放置在所述基体3上，所述基体3放置在所述工作台4上，所述超声波振动器5作用于所述预置层2与所述基体3的上部，所述感应加热线圈6围绕所述基体3设置；
还包括如下步骤：
步骤10、基体3预处理后把预置层2放置在基体3上，把放有预置层2的基体3放置在工作台4上，或，基体3放置在工作台4后再将预置层2放置在基体3上；激光器的激光头1移动至基体3的待熔覆位置；
步骤20、开启感应加热线圈6，感应加热线圈6以每分钟上升5℃-10℃的速率对基体3以及预置层2进行加热，感应加热线圈6加热基体3以及预置层2至200-400℃；
步骤30、打开激光器以及超声波振动器5，激光器通过激光头1对基体3进行激光熔覆，超声波振动器5对激光熔覆过程进行超声波辅助；
步骤40、激光熔覆结束后关闭超声波振动器5以及激光器；感应加热线圈6以每分钟下升5℃-10℃的速率对熔覆完成后的基体3进行降温，直至熔覆完成后的基体3降温至室温；
步骤50、关闭感应加热线圈6；
步骤60、取出完成激光熔覆的基体3。
本发明个设备设置参数如下：
超声波振动器5设置参数：19.56kHz超声波振动器5，功率范围0-44w；激光熔覆过程参数设置如下：功率(W)800-3500，氩气流量(ml/min)1200-2400，扫描速度(mm/s)2-8，离焦量(mm)10-30。
感应加热线圈6设置参数：输入电压范围：340-420V，额定输出功率：100Kw，感应频率：30-50kHz。
激光熔覆过程中激光器设置参数：功率(W)800-3500，氩气流量(ml/min)1200-2400，扫描速度(mm/s)2-8，离焦量(mm)10-30。
一种在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层，包括从下至上依次设置的基底层、第一过渡层和面层，各层包括以下重量百分数的各组分：
基底层：100％CrCoAlY2O3合金粉末；
第一过渡层：20％WC合金粉末(误差范围在10％以内)、20％Al2O3合金粉末(误差范围在10％以内)、20％ZrO2合金粉末(误差范围在10％以内)，以及40％CrCoAlY2O3合金粉末(误差范围在10％以内)；
面层：50％WC合金粉末(误差范围在10％以内)、20％Al2O3合金粉末(误差范围在10％以内)、20％ZrO2合金粉末(误差范围在10％以内)，以及10％CrCoAlY2O3合金粉末(误差范围在7％以内)；
各层厚度如下：基底层的厚度：5-8μm；第一过渡层的厚度：0.7-1mm；面层的厚度：1-1.2mm。
一种在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层在高温中具有抗磨损及低的摩擦系数。在900-1000℃的高温情况下的实施例：摩擦系数在0.2μ-0.4μ之间，磨损体积为10-4mm3级，与其它涂层相比低10倍左右。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (3)
1.复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，包括激光器、预置层、基体和工作台，所述激光器的激光头作用于所述预置层，所述预置层放置在所述基体上，所述基体放置在所述工作台上，其特征在于：还包括超声波振动器和感应加热线圈，所述超声波振动器作用于所述预置层与所述基体的上部，所述感应加热线圈围绕所述基体设置；
还包括如下步骤：
步骤10、基体预处理后把预置层放置在基体上，把放有预置层的基体放置在工作台上；激光器的激光头移动至基体的待熔覆位置；
步骤20、开启感应加热线圈，感应加热线圈加热基体以及预置层至200-400℃；感应加热线圈以每分钟上升5℃-10℃的速率对基体以及预置层进行加热；
步骤30、打开激光器以及超声波振动器，激光器通过激光头对基体进行激光熔覆，超声波振动器对激光熔覆过程进行超声波辅助；
步骤40、激光熔覆结束后关闭超声波振动器以及激光器；
步骤41、感应加热线圈以每分钟下升5℃-10℃的速率对熔覆完成后的基体进行降温，直至熔覆完成后的基体降温至室温；
步骤50、关闭感应加热线圈；
步骤60、取出完成激光熔覆的基体；
所述预置层为在高温中抗磨损的纳米材料复合梯度热障涂层，包括从下至上依次设置的基底层、第一过渡层和面层，各层包括以下重量百分数的各组分：
基底层：100％CrCoAlY2O3合金粉末；
第一过渡层：18％～22％WC合金粉末、18％～22％Al2O3合金粉末、18％～22％ZrO2合金粉末，以及36％～44％CrCoAlY2O3合金粉末；
面层：45％～55％WC合金粉末、18％～22％Al2O3合金粉末、18％～22％ZrO2合金粉末，以及9.3％～10.7％CrCoAlY2O3合金粉末；
各层厚度如下：基底层的厚度：5-8μm；第一过渡层的厚度：0.7-1mm；面层的厚度：1-1.2mm。
2.根据权利要求1所述的复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤40与步骤50同步进行。
3.根据权利要求1所述的复合纳米涂层的超声波及感应加热辅助的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤10中，基体预处理后把预置层放置在基体上，把放有预置层的基体放置在工作台上；或，基体放置在工作台后再将预置层放置在基体上。
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