CN110158082A - 超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，在激光熔覆的过程中，引入定点超声波聚焦作用于金属基体与纳米陶瓷粉末层的结合面，促进了金属基体与纳米陶瓷粉末层之间元素的相互扩散，使金属基体与纳米陶瓷粉末层之间形成良好的冶金结合；同时，超声焦点产生的热效应、空化效应、声流效应，能够促进晶核的形成和液态金属的流动性，使组织成分更加均匀、结构更加致密，提高熔覆层的强度和耐磨性等性能。采用超声定点聚焦，克服了传统超声只能作用全部的熔池、基体引起的熔覆层变薄并向四周扩散的缺点，能够精确控制熔覆层与基体结合面的大小和熔覆层的厚度；而且，柔性化程度高，适用于各种复杂激光熔覆加工环境。
Description
技术领域
本发明涉及超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，属于涂层和表面改性技术领域。
背景技术
纳米陶瓷是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体，以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料，其提高了母体材料的室温力学性能，改善了高温性能，并且此材料具有可切削加工和超塑性。纳米陶瓷材料具有熔点高、导热系数小、热膨胀系数高、热稳定性好等优点，是应用最广泛的热障涂层材料之一，广泛应用于航空航天、海洋化工等领域的极端环境中。
激光熔覆技术是激光表面改性技术的一个分支，是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种可行的表面改性技术，它的激光功率密度的分布区间为104～106W/cm2。激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆技术可获得与基体呈冶金结合、稀释率低的表面熔覆层，对基体热影响小，还能进行局部的熔覆。激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速制造、失效金属零部件修复和再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油化工、汽车、机械制造、船舶、模具制造等行业。与传统的堆焊、喷涂、电镀和气相沉积技术相比，激光熔覆具有低的稀释率、较少的气孔和裂纹缺陷、组织致密、熔覆层与基体结合好、适合熔覆的材料多、粉末粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
利用激光熔覆技术在金属表面熔覆纳米陶瓷涂层时，由于在单一热源的作用下，使熔池内的对流形式较为简单，陶瓷涂层与金属基体之间的互熔稀释作用容易引起复合涂层内部组织和成分的不均匀分布。而陶瓷涂层与金属基体之间往往存在较大的热物性差异，在凝固过程中，复合涂层内将产生较大的热应力，且复合涂层的开裂敏感性较高，极易形成裂纹、气孔等缺陷，极大的降低了陶瓷涂层与金属基体结合强度，严重制约了激光熔覆技术在制备金属和涂层功能梯度涂层中的应用。
授权公告号为CN1226452C的中国发明专利《激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法》，使用该发明专利的方法时，需要对金属基材待处理表面进行打底，再喷涂纳米造粒陶瓷材料，涂纳米吸收激光涂料，利用纳米微粒熔点低、易扩散的特点来提高熔覆层的致密度。虽然可以减少一部分裂纹的产生，提高熔覆层的质量，但材料处理过程繁琐，纳米成本较高，不利于大规模生产应用。
专利公开号为CN103114286A的中国发明专利《一种超声辅助激光修复钛合金的方法》，使用该发明专利的方法时，将变幅杆直接作用与基板上，通过基板的超声振动带动钛合金的振动，损失了大量的能量，同时作用效果无法精确控制，对抑制钛合金表面熔覆层的裂纹和气孔等缺陷的效果不明显。
发明内容
为了克服上述问题，本发明首次提出了利用超声波定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，在激光熔覆的过程中，引入定点超声波聚焦作用于金属基体与纳米陶瓷粉末层的结合面，促进了金属基体与纳米陶瓷粉末层之间元素的相互扩散，使金属基体与纳米陶瓷粉末层之间形成良好的冶金结合；同时，超声焦点产生的热效应、空化效应、声流效应，能够促进晶核的形成和液态金属的流动性，使组织成分更加均匀、结构更加致密，提高熔覆层的强度和耐磨性等性能。采用超声定点聚焦，克服了传统超声只能作用全部的熔池、基体引起的熔覆层变薄并向四周扩散的缺点，能够精确控制熔覆层与基体结合面的大小和熔覆层的厚度；而且，柔性化程度高，适用于各种复杂激光熔覆加工环境。
本发明的技术方案如下：
超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，包括以下步骤：
A、先对金属基体进行打磨处理，然后用99.7%的无水乙醇清洗金属基体，再将清洗后的金属基体固定在实验台的上端面；
B、将纳米陶瓷粉末置于烤箱中进行烘烤，再将烘干后的纳米陶瓷粉末放置于同步送粉器中；
C、将激光同轴送粉喷嘴竖直固定于机械臂下部；将半圆形超声波换能器用夹具倾斜固定于机械臂侧部；调整机械臂，使激光同轴送粉喷嘴的位置位于金属基体正上方；通过中控台开启激光冷水机，再开启激光同轴送粉喷嘴下端的红外线发生器，调整红外线发生器射出的红外光在金属基体上端面形成直径为4mm的光斑；再开启半圆形超声波换能器，调整半圆形超声波换能器在金属基体上的超声波聚焦点与光斑重合；然后关闭半圆形超声波换能器；
D、开启氩气储气罐，将氩气储气罐与激光同轴送粉喷嘴连通；氩气储气罐的气体流量设定为3L/min；
E、开启半圆形超声波换能器，再通过中控台分别开启同步送粉器和激光器，进行激光熔覆；半圆形超声波换能器的超声功率设定为250W，激光器的激光功率设定为1300W；激光器发射激光，激光经由激光同轴送粉喷嘴下端射出后，与光斑重合；半圆形超声波换能器释放超声波且超声波聚焦点与光斑重合；同步送粉器将纳米陶瓷粉末送至激光同轴送粉喷嘴，纳米陶瓷粉末从激光同轴送粉喷嘴下端喷出并受激光照射熔化，覆盖至金属基体上；氩气储气罐向激光同轴送粉喷嘴中通入氩气；
F、激光熔覆结束后，依次关闭半圆形超声波换能器、同步送粉器、激光器、红外线发生器、氩气储气罐、激光冷水机以及机械臂；将熔覆后的金属基体放置于室温下冷却10min。
进一步的，半圆形超声波换能器包括超声波发生器以及固定于超声波发生器前端的聚焦透镜；超声波发生器发出的超声波穿过聚焦透镜后聚焦于光斑上。
进一步的，半圆形超声波换能器与激光同轴送粉喷嘴的夹角为30°。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在激光熔覆的过程中，引入定点超声聚焦作用于金属基体与纳米陶瓷粉末层的结合面，促进了金属基体与纳米陶瓷粉末层之间元素的相互扩散，使金属基体与纳米陶瓷粉末层之间形成良好的冶金结合。
2、本发明将超声定点聚焦引入在金属表面激光熔覆陶瓷涂层结合面的实验中，利用超声焦点产生的热效应、空化效应、声流效应，促进晶核的形成和液态金属的流动性，使组织成分更加均匀、结构更加致密，提高熔覆层的强度和耐磨性等性能。
3、本发明将超声定点聚焦作用于激光熔覆金属表面与陶瓷涂层结合面，克服了传统超声辅助激光熔覆过程中超声使熔覆层变薄、熔覆形状随意变化不规则的缺陷，达到一定程度的精准控制。
附图说明
图1为本发明的超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层时的系统示意图。
图2为本发明的半圆形超声波换能器的结构放大图。
图3为本发明的半圆形超声波换能器的工作原理图。
图4为本发明的实验效果图。
图中附图标记表示为：
1、计算机；2、中控台；3、激光器；4、激光冷水机；5、机械臂；6、同步送粉器；7、激光同轴送粉喷嘴；8、半圆形超声波换能器；81、超声波发生器；82、聚焦透镜；9、氩气储气罐；10、实验台；11、金属基体；12、粉末层；13、光斑；14、熔池；15、熔覆层；16、夹具；17、红外线发生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
具体的，本实例为利用该方法在高温钛合金表面制备氧化锆、氧化钇陶瓷薄壁件，结合附图，对实际实施过程加以说明。
参见图1-4，超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，包括以下步骤：
A、将高温钛合金基体（即金属基体11）在线切割机上切割为70×15×6mm，再对高温钛合金基体进行打磨处理，然后用99.7%的无水乙醇清洗高温钛合金基体，后将清洗后的高温钛合金基体固定在实验台10的上端面上的零点坐标处；
B、将Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末（即纳米陶瓷粉末）置于烤箱中烘烤两小时，再将烘干后的Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末放置于同步送粉器6中，并设置同步送粉器6的送粉流量为4L/min；
C、将激光同轴送粉喷嘴7竖直固定于机械臂5下部；将半圆形超声波换能器8用夹具16倾斜固定于机械臂5侧部；调整机械臂5，使激光同轴送粉喷嘴7的位置位于高温钛合金基体正上方；通过中控台2开启激光冷水机4，再开启激光同轴送粉喷嘴7下端的红外线发生器17，调整红外线发生器17射出的红外光在高温钛合金基体上端面形成直径为4mm的光斑13；再开启半圆形超声波换能器8，调整半圆形超声波换能器8在高温钛合金基体上的超声波聚焦点与光斑13重合；然后关闭半圆形超声波换能器8；
D、开启氩气储气罐9，将氩气储气罐9与激光同轴送粉喷嘴7连通；氩气储气罐9的气体流量设定为3L/min，压力为0.2MPa；
E、开启半圆形超声波换能器8，再通过中控台2分别开启同步送粉器6和激光器3，进行激光熔覆；半圆形超声波换能器8的超声功率设定为250W，激光器3的激光功率设定为1300W；激光器3发射激光，激光经由激光同轴送粉喷嘴7下端射出后，与光斑13重合；半圆形超声波换能器8释放超声波且超声波聚焦点与光斑13重合；同步送粉器6将Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末送至激光同轴送粉喷嘴7，Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末从激光同轴送粉喷嘴7下端喷出并受激光照射熔化，覆盖至高温钛合金基体上；氩气储气罐9向激光同轴送粉喷嘴7中通入氩气；计算机1与中控台2电信号连接，且通过计算机1可以观测到运行过程中的各项参数；
上述步骤中，Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末受激光照射熔化，覆盖至高温钛合金基体上形成粉末层12，半圆形超声波换能器8发出的超声波和激光器3发出的激光在光斑13重合，超声波、激光以及Y2O3陶瓷粉末、ZrO2陶瓷粉末相互作用，在高温钛合金基体上形成熔池14。激光熔覆结束后，高温钛合金基体上即可获得熔覆层15。
F、激光熔覆结束后，依次关闭半圆形超声波换能器8、同步送粉器6、激光器3、氩气储气罐9、激光冷水机4以及机械臂5；将熔覆后的高温钛合金基体放置于室温下冷却10min。
进一步的，半圆形超声波换能器8包括超声波发生器81以及固定于超声波发生器81前端的聚焦透镜82；超声波发生器81发出的超声波穿过聚焦透镜82后聚焦于光斑13上。
进一步的，半圆形超声波换能器8与激光同轴送粉喷嘴7的夹角为30°。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、先对金属基体（11）进行打磨处理，然后用99.7%的无水乙醇清洗金属基体（11），再将清洗后的金属基体（11）固定在实验台（10）的上端面；
B、将纳米陶瓷粉末置于烤箱中进行烘烤，再将烘干后的纳米陶瓷粉末放置于同步送粉器（6）中；
C、将激光同轴送粉喷嘴（7）竖直固定于机械臂（5）下部；将半圆形超声波换能器（8）用夹具（16）倾斜固定于机械臂（5）侧部；调整机械臂（5），使激光同轴送粉喷嘴（7）的位置位于金属基体（11）正上方；通过中控台（2）开启激光冷水机（4），再开启激光同轴送粉喷嘴（7）下端的红外线发生器（17），调整红外线发生器（17）射出的红外光在金属基体（11）上端面形成直径为4mm的光斑（13）；再开启半圆形超声波换能器（8），调整半圆形超声波换能器（8）在金属基体（11）上的超声波聚焦点与光斑（13）重合；然后关闭半圆形超声波换能器（8）；
D、开启氩气储气罐（9），将氩气储气罐（9）与激光同轴送粉喷嘴（7）连通；氩气储气罐（9）的气体流量设定为3L/min；
E、开启半圆形超声波换能器（8），再通过中控台（2）分别开启同步送粉器（6）和激光器（3），进行激光熔覆；半圆形超声波换能器（8）的超声功率设定为250W，激光器（3）的激光功率设定为1300W；激光器（3）发射激光，激光经由激光同轴送粉喷嘴（7）下端射出后，与光斑（13）重合；半圆形超声波换能器（8）释放超声波且超声波聚焦点与光斑（13）重合；同步送粉器（6）将纳米陶瓷粉末送至激光同轴送粉喷嘴（7），纳米陶瓷粉末从激光同轴送粉喷嘴（7）下端喷出并受激光照射熔化，覆盖至金属基体（11）上；氩气储气罐（9）向激光同轴送粉喷嘴（7）中通入氩气；
F、激光熔覆结束后，依次关闭半圆形超声波换能器（8）、同步送粉器（6）、激光器（3）、红外线发生器（17）、氩气储气罐（9）、激光冷水机（4）以及机械臂（5）；将熔覆后的金属基体（11）放置于室温下冷却10min。
2.根据权利要求1所述超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，其特征在于：半圆形超声波换能器（8）包括超声波发生器（81）以及固定于超声波发生器（81）前端的聚焦透镜（82）；超声波发生器（81）发出的超声波穿过聚焦透镜（82）后聚焦于光斑（13）上。
3.根据权利要求1所述超声定点聚焦辅助金属表面激光熔覆纳米陶瓷涂层的方法，其特征在于：半圆形超声波换能器（8）与激光同轴送粉喷嘴（7）的夹角为30°。
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