CN109695035B - 一种提高激光沉积粉末利用率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体公开一种提高激光沉积粉末利用率的方法。所述方法包括：将金属粉末在基材表面一端预先制备熔覆层；对基材和熔覆层进行磁化处理，形成漏磁场；在漏磁场作用下，进行下一道次的激光熔覆，所述金属粉末为铁磁性材料或含有铁磁性材料，所述基材为铁磁性材料。本发明提供的方法，利用熔覆层与待沉积区表面存在的高度差，对铁磁性基材及熔覆层进行磁化，形成漏磁场，对铁磁性金属粉末具有较好的吸引作用，使得喷头送出的粉末能够更为精准地汇聚在激光扫描路径上，提高粉末的有效利用率和沉积效率。

Description

一种提高激光沉积粉末利用率的方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，尤其涉及一种提高激光沉积粉末利用率的方法。

背景技术

金属(基)粉末激光沉积技术是通过预先建立的模型设计出激光扫描轨迹，进而在一定基材上制备熔覆层或零件的一种激光增材制造技术。该技术具有很高的设计灵活性，且成形材料多样。可根据不同的工况要求制备出高强、耐蚀、耐磨等不同性能的涂层或零件。金属(基)粉末激光沉积技术不但可以用于金属(基)零件的快速制造，而且还可用于零件，尤其是大中型金属零件的立体修复，从而实现其再制造，极大地降低企业生产成本。

同步送粉法是激光沉积技术的一种重要方法，应用范围广泛。同步送粉法利用送粉器将粉末直接输送入激光光斑内，粉末束随着激光束同步移动，粉末在基材表面经熔化、冷凝后形成沉积层。和预置粉末法相比，同步送粉法可以很好的实现气份保护，使沉积粉末自身的性能受空气内氧、氮等元素的影响较小。

然而，大量的实践表明，在送粉喷嘴结构、载气量等众多因素的影响下，粉末束很难精准地汇聚到激光光斑内，在激光束扫描时，会有大量的粉末不能熔化形成熔池，没有被有效利用。在很多情况下，沉积粉末的一次利用率甚至不足30％。这不仅极大地降低了沉积效率，还造成了巨大的浪费，提高了企业的生产成本。虽然一些情况下可以对未熔化粉末进行回收，但这些回收粉末往往会在沉积过程中受到污染。经历多次回收后，因其杂质含量超标，将不能再重复利用。此外，粉末的回收并不能提高沉积效率。

为了提高粉末利用率及沉积效率，目前采用的主要措施是对送粉喷头的结构进行优化。但不同的喷头类型具有不同的优缺点，在提高粉末利用率的同时，会在其它方面表现出不足。因此，开发一种可以显著提高粉末的有效利用率和沉积效率的方法意义重大。

发明内容

针对现有金属(基)粉末激光沉积技术存在的粉末的有效利用率差，沉积效率低等问题，本发明提供一种提高激光沉积粉末利用率的方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种提高激光沉积粉末利用率的方法，包括如下步骤：

(1)将金属粉末在基材表面一端进行至少1道次的激光熔覆，预先制备熔覆层，得到已沉积区，基材未被熔覆层覆盖部分为待沉积区，所述金属粉末为铁磁性材料或含有铁磁性材料，所述基材为铁磁性材料；

(2)对基材和熔覆层进行磁化处理，利用已沉积区和待沉积区的表面高度差，使磁力线通过熔覆层与待沉积区时，在已沉积区与待沉积区交界处形成漏磁场；

(3)在所述漏磁场作用下，在待沉积区进行下一道次的激光熔覆，以此类推，直至完成待沉积区的金属粉末激光熔覆。

进一步地，在步骤(1)中，进行1-3道次的激光熔覆，形成部分熔覆层，避免磁轭本身对金属粉末的吸附，避免粉末的浪费。

进一步地，所述激光熔覆过程中激光功率≥300W。

进一步地，所述激光熔覆过程中，送粉速率≥3g/min，扫描速度为2-20mm/s。

进一步地，所述激光熔覆过程中，激光熔覆搭接率为40％-55％，保证熔覆效果，改善熔覆层表面粗糙度，便于控制每层沉积层的厚度和平整度，减少缺陷的产生，同时有助于熔覆层磁化过程中在已沉积区与待沉积区交界处形成漏磁场，以改善金属粉末的汇聚效果，提高金属粉末的有效利用率。

进一步地，所述熔覆层厚度≥0.2mm，保证已沉积区与待沉积区交界处存在的高度差，在磁化处理后在待沉积部位形成漏磁场。

进一步地，所述磁化处理的方法为纵向磁化法、周向磁化法或联合磁化法中的一种，其中，所述纵向磁化法包括线圈法、磁轭法和永久磁轭法，所述周向磁化法包括中心导体法、偏置芯棒法、通电法、触头法、感应电流法和环形件绕电缆法，选择合适的磁化方法，以保证形成的漏磁场的强度，保证从喷嘴送出的金属粉末在漏磁场的作用下被吸附在待沉积部位，从而改善粉末的汇聚效果，提高粉末的利用率。

进一步地，所述磁化处理采用间断式进行，在待沉积区每一道次激光熔覆之前实施；或采用连续式进行，在待沉积区激光熔覆过程中持续实施；或采用间断式与连续式交替进行，使每一道次激光熔覆都在漏磁场的作用下进行。

进一步地，磁力线的最高处不低于已沉积区的表面，即随着沉积层厚度的增加，应适当上移电磁轭的位置，使磁力线的最高处高于已沉积区的表面，如磁力线的最高处与已沉积区的高度差为1-3层熔覆层的厚度，保证漏磁场的形成的同时避免其他磁场对粉末的吸附干扰。

进一步地，所述磁力线方向与激光扫描路径垂直。

相对于现有技术，本发明提供的提高激光沉积粉末利用率的方法，将铁磁性材料或含有铁磁性材料的金属粉末，在铁磁性材料的基材上预先沉积熔覆层，利用熔覆层与待沉积区表面存在的高度差(即截面突变)，通过对铁磁性基材及熔覆层进行磁化，在已沉积区与待沉积区交界处形成漏磁场，而交界处(漏磁场所在位置)恰为下一道次的激光扫描路径，由于漏磁场对铁磁性金属粉末的吸引作用，使得喷头送出的粉末能够更为精准地汇聚在激光扫描路径上，提高粉末的有效利用率和沉积效率，进而减少浪费，降低企业生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中激光沉积过程示意图，

其中，图中各附图标记：

1-激光束；2-金属粉末；3-基材；4-熔覆层；5-电磁轭；6-磁力线；7-漏磁场。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种提高激光沉积粉末利用率的方法，包括如下步骤：

(1)采用质量百分比分别为70％、18％、12％的Fe、Ni、Co三种粉末的混合金属粉末，金属粉末粒度均为325目；采用30Cr13不锈钢钢板为基材，其中，不锈钢钢板化学成分为C：0.30％，Cr：13.0％，Ni：0.50％，Si：0.80％，Mn：0.70％，P：0.03％，S：0.02％，其余为Fe，钢板的使用状态为退火态，尺寸为40mm×40mm；

(2)根据比例称取Fe、Ni、Co三种粉末共200g，在混粉器中混粉8小时，放入真空干燥箱内，在90℃干燥半小时后装入刮板式送粉器；将不锈钢基材表面打磨，并用酒精擦拭干净后自然晾干；

(3)设定激光熔覆工艺参数，激光功率为1800W，扫描速度为2mm/min，保护气体量为12L/min，激光光斑为2mm，搭接率50％，送粉量为6.25g/min，载气量为10L/min，首先在无磁化的条件下，从基材表面的一端进行激光熔覆，预先制备40mm×3.6mm的熔覆层(两道次)，避免磁轭本身对金属粉末的吸附；

(4)采用电磁轭对基材和熔覆层进行磁化，将电磁轭的一个磁极紧贴预制熔覆层一侧的基材的侧面，另一磁极紧贴基材的另一侧面，如图1所示，两磁极之间的连线和激光扫描路径垂直，同时应保证磁轭两极的平面高度不低于沉积层(熔覆层)的高度(高出1个熔覆层厚度)，即随着沉积层厚度的增加，应适当上移电磁轭的位置，保证漏磁场的存在，打开电磁轭电源，采用连续式对基材和预制熔覆层进行磁化，同时进行激光熔覆，制备得到40mm×15mm熔覆层，用时3分钟，消耗粉末18.75g，回收未利用的粉末重量为12.0g，粉末利用率为36％。

实施例2

一种提高激光沉积粉末利用率的方法，包括如下步骤：

(1)采用质量百分比分别为70％、18％、12％的Fe、Ni、Co三种粉末的混合金属粉末，金属粉末粒度均为325目；采用30Cr13不锈钢钢板为基材，其中，不锈钢钢板化学成分为C：0.26％，Cr：12.0％，Ni：0.30％，Si：0.5％，Mn：0.50％，P：0.02％，S：0.01％，其余为Fe，钢板的使用状态为退火态，尺寸为40mm×40mm；

(2)根据比例称取Fe、Ni、Co三种粉末共200g，在混粉器中混粉8小时，放入真空干燥箱内，在90℃干燥半小时后装入刮板式送粉器；将不锈钢基材表面打磨，并用酒精擦拭干净后自然晾干；

(3)设定激光熔覆工艺参数，激光功率为1800W，扫描速度为2mm/min，保护气体量为6L/min，激光光斑为2mm，搭接率40％，送粉量为6.25g/min，载气量为6L/min，首先在无磁化的条件下，从基材表面的一端进行激光熔覆，预先制备40mm×3.6mm的熔覆层(两道次)，避免磁轭本身对金属粉末的吸附；

(4)采用电磁轭对基材和熔覆层进行磁化，将电磁轭的一个磁极紧贴预制熔覆层一侧的基材的侧面，另一磁极紧贴基材的另一侧面，如图1所示，两磁极之间的连线和激光扫描路径垂直，同时应保证磁轭两极的平面高度不低于熔覆层的高度(高出2个熔覆层厚度)，即随着沉积层厚度的增加，应适当上移电磁轭的位置，保证漏磁场的存在，打开电磁轭电源，采用连续式对基材和预制熔覆层进行磁化，同时进行激光熔覆，制备得到40mm×15mm熔覆层，用时3分钟，消耗粉末18g，回收未利用的粉末重量为7.18g，粉末利用率为60.1％。

实施例3

一种提高激光沉积粉末利用率的方法，包括如下步骤：

(1)采用质量百分比分别为70％、18％、12％的Fe、Ni、Co三种粉末的混合金属粉末，金属粉末粒度均为325目；采用30Cr13不锈钢钢板为基材，其中，不锈钢钢板化学成分为C：0.35％，Cr：14.0％，Ni：0.60％，Si：1.00％，Mn：1.00％，P：0.04％，S：0.03％，其余为Fe，钢板的使用状态为退火态，尺寸为40mm×40mm；

(2)根据比例称取Fe、Ni、Co三种粉末共200g，在混粉器中混粉8小时，放入真空干燥箱内，在90℃干燥半小时后装入刮板式送粉器；将不锈钢基材表面打磨，并用酒精擦拭干净后自然晾干；

(3)设定激光熔覆工艺参数，激光功率为3000W，扫描速度为15mm/min，保护气体量为6L/min，激光光斑为2mm，搭接率55％，送粉量为3.25g/min，载气量为6L/min，首先在无磁化的条件下，从基材表面的一端进行激光熔覆，预先制备40mm×4.8mm的熔覆层，避免磁轭本身对金属粉末的吸附；

(4)采用电磁轭对基材和熔覆层进行磁化，将电磁轭的一个磁极紧贴预制熔覆层一侧的基材的侧面，另一磁极紧贴基材的另一侧面，如图1所示，两磁极之间的连线和激光扫描路径垂直，同时应保证磁轭两极的平面高度不低于沉积层(熔覆层)的高度(高出3个熔覆层厚度)，保证漏磁场的存在，打开电磁轭电源，采用间断式对基材和预制熔覆层进行磁化，在每一道次激光熔覆前进行磁化，制备得到40mm×15mm熔覆层，消耗粉末20g，回收未利用的粉末重量为8.8g，粉末利用率为56％。

为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。

对比例1

采用与实施例1相同的条件，在不进行磁化处理的情况下直接激光熔覆，得到40mm×12mm熔覆层，用时3分钟，消耗粉末18.75g，回收未利用的粉末重量为14.438g，粉末利用率为23％。

对比例2

采用与实施例2相同的条件，在不进行磁化处理的情况下直接激光熔覆，得到40mm×12mm熔覆层，用时3分钟，消耗粉末18g，回收未利用的粉末重量为12.24g，粉末利用率为32％。

由以上数据可得，本发明实施例提供的提高激光沉积粉末利用率的方法，利用熔覆层与待沉积区的表面高度差，对铁磁性基材及熔覆层进行磁化后在熔覆层与待沉积区交界处形成漏磁场，使得在喷头送出的粉末能够更为精准地汇聚在激光扫描路径上，提高粉末的有效利用率，使每道次的熔覆层宽度由无磁化时的2.4mm增加为3.0mm，在同样的熔覆时间内，所制备的熔覆层宽度由无磁化时的12mm增加至15mm，有效提高沉积效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将金属粉末在基材表面一端进行至少1道次的激光熔覆，预先制备熔覆层，得到已沉积区，基材未被熔覆层覆盖部分为待沉积区，所述金属粉末为铁磁性材料或含有铁磁性材料，所述基材为铁磁性材料；

(2)对基材和熔覆层进行磁化处理，利用已沉积区和待沉积区的表面高度差，使磁力线通过熔覆层与待沉积区时，在已沉积区与待沉积区交界处形成漏磁场，所述磁力线方向与激光扫描路径垂直；

(3)在所述漏磁场作用下，在待沉积区进行下一道次的激光熔覆，以此类推，直至完成待沉积区的金属粉末激光熔覆，所述激光熔覆过程中，送粉速率≥3g/min，扫描速度为2-20mm/s。

2.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：在步骤(1)中，进行1-3道次的激光熔覆。

3.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中激光功率≥300W。

4.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中，激光熔覆搭接率为40％-55％。

5.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：所述熔覆层厚度≥0.2mm。

6.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：所述磁化处理的方法为纵向磁化法、周向磁化法或联合磁化法中的一种。

7.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：所述磁化处理采用间断式进行，在待沉积区每一道次激光熔覆之前实施；或采用连续式进行，在待沉积区激光熔覆过程中持续实施；或采用间断式与连续式交替进行。

8.如权利要求1所述的提高激光沉积粉末利用率的方法，其特征在于：磁力线的最高处不低于已沉积区的表面。

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