CN110592585B - 一种超高速激光熔覆系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高速激光熔覆系统与方法，用于制备WC颗粒增强涂层，其特征在于，包括激光束发射器、第一喷嘴组和第二喷嘴组；激光发射器用于沿着第一直线向工件表面发射激光，以用于在工件表面形成熔池；第一喷嘴组包括若干个第一喷射口，若干个第一喷射口用于向第一聚集点喷射第一粉末；第二喷嘴组包括若干个第二喷射口，若干个第二喷射口用于向第二聚集点喷射第二粉末；第一聚集点和第二聚集点均位于第一直线上并位于所述熔池上方，其中，第二聚集点位于第一聚集点和熔池之间。第一粉末包括合金粉末，第二粉末包括WC颗粒；使用本发明提供的超高速激光熔覆系统可以解决WC颗粒在超高速熔覆过程中易被烧损的问题。

Description

一种超高速激光熔覆系统和方法

技术领域

本发明涉及表面技术领域，特别涉及一种超高速激光熔覆系统方法。

背景技术

传统激光熔覆是利用激光能量，在基材表面形成熔池，同时将金属粉末送入熔池熔化，再经过冷却凝固形成熔覆层，熔覆层与基材形成冶金结合，结合强度高，同时对基材的热输入相比较弧焊要小很多，基材热变形小，因此在金属件修复，成型，以及制备大面积增强涂层等方向上有很高的应用价值。但是传统激光熔覆技术加工效率较低，熔覆速率一般低于3m/min，粉末利用率低，一般低于70％，由此造成了总的工艺成本过高，难以实现大规模的工业应用。

超高速激光熔覆通过工艺创新，使待熔覆的粉末在到达基材表面之前就吸收大量激光能量，达到熔融状态，并保持熔融状态落到基材表面后冷却凝固形成熔覆层，由于不需要在基材表面形成稳定熔池来熔化粉末，激光的扫描速度可以大大提高，目前可以达到200m/min，粉末利用率能够达到90％以上，很大程度的降低了工艺成本，推动了产业应用落地。

在激光熔覆的合金材料中加入WC颗粒，可以提高熔覆层的耐磨性和高温硬度，在传统激光熔覆工艺中，WC部分溶解于基材金属熔池中，未熔的WC颗粒和熔化后又在凝固过程中均匀弥散析出的第二相，都能起到强化熔覆层的作用。但是超高速熔覆工艺中应用WC增强颗粒，存在新的挑战：首先，WC颗粒在高温下极易氧化烧损，而超高速熔覆工艺中大部分激光能量被粉末吸收，粉末在到达基板前达到熔融状态，加剧了WC的损耗；其次，为满足超高速熔覆的工艺要求，合金粉末的粒度要小于传统激光熔覆用粉末粒度，更易造成WC烧损；最后，由于WC粉末重量要明显高于铁基，镍基，及钴基粉末，如果在激光熔覆过程中采用同一粉末喷嘴输送WC增强颗粒和合金的预混合粉末，则WC颗粒的粒子运动速度会明显低于合金粉末颗粒的粒子运动速度，从而吸收更多激光能量，不利于合金粉末的熔化，加剧了WC的损耗。

因此，有必要提供一种制备WC颗粒增强涂层的超高速激光熔覆方法，解决WC颗粒在超高速熔覆过程中易被烧损的问题，减少WC颗粒损耗。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种制备WC颗粒增强涂层的超高速激光熔覆方法，解决WC颗粒在超高速熔覆过程中易被烧损的问题，减少WC颗粒损耗。

为实现上述目的和相关其他目的，本发明提供一种超高速激光熔覆系统，用于制备WC颗粒增强涂层，其特征在于，包括激光束发射器、第一喷嘴组和第二喷嘴组；所述激光发射器用于沿着第一直线向工件表面发射激光，以用于局部熔化所述工件表面形成熔池；所述第一喷嘴组包括若干个第一喷射口，若干个所述第一喷射口用于向第一聚集点喷射第一粉末；所述第二喷嘴组包括若干个第二喷射口，若干个所述第二喷射口用于向第二聚集点喷射第二粉末；所述第一聚集点和所述第二聚集点均位于所述第一直线上并位于所述熔池上方，其中，所述第二聚集点位于所述第一聚集点和所述熔池之间。所述第一粉末包括合金粉末，所述第二粉末包括WC颗粒。

优选地，所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组属于同一喷枪，所述第一喷嘴组为位于所述喷枪上的中央环形喷嘴，所述中央环形喷嘴为连续型环状喷射口结构，所述连续型环状喷射口结构以所述第一直线为中心轴环绕。

优选地，所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组属于同一喷枪，所述第二喷嘴组为位于所述喷枪上的外围环形喷嘴或外围多点式喷嘴，所述外围环形喷嘴为连续型环状喷射口结构，所述连续型环状喷射口结构以所述第一直线为中心轴环绕，所述多点式喷嘴为多个点状喷射口结构，多个所述点状喷射口以所述第一直线为中心轴环绕排布。优选地，所述第二喷嘴组为外围三点式或四点式喷嘴，所述三点式或四点式喷嘴包括三个或四个点状喷射口并以所述第一直线为中心轴环绕排布。

优选地，在所述第一直线的路径上设置一双焦点聚焦镜，所述双焦点聚焦镜镜面与所述工件平行，所述激光束通过所述双焦点聚焦镜射向所述第一聚集点，所述激光束通过所述双焦点聚焦镜形成两个激光焦点，上焦点和下焦点，所述下焦点为距离所述第一聚集点更近的点，所述上焦点与下焦点之间形成一激光聚集区域。

利用上述的超高速激光熔覆系统进行激光熔覆，以用于制备WC颗粒增强涂层，包括如下步骤：

S1：设定所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组的喷射角度、喷射速度和送粉量；

S2：用指示红光定位激光束熔融的工件位置；

S3：打开所述第一喷嘴组和第二喷嘴组开始送粉；

S4：粉流稳定后，打开所述激光束发射器发射激光束开始熔覆，制备WC颗粒增强涂层。

优选地，所述激光束发射器发射的激光束与工件表面成一定角度。

优选地，所述第一聚集点位于所述激光聚集区域内，所述第二聚集点位于所述激光聚集区域与所述工件之间。

优选地，所述合金粉末和所述WC颗粒采用惰性气体载运。

优选地，所述惰性气体为氦、氩、氖、氪和氙中的一种或多种。

综上所述，本发明提供了一种的超高速激光熔覆系统和方法，利用双焦点粉末喷嘴，形成两个粉末聚集点，分别是合金粉末的聚集点和WC颗粒的聚集点，将合金粉末与WC增强颗粒的输送分开，合金粉末的聚集点位于WC颗粒聚集点的上方，吸收大部分激光能量，保证其在到达基板前能够达到并保持熔融状态，WC增强颗粒聚集点位于合金粉末聚集点下端，吸收较少量激光能量，并在达到基板时与合金粉末实现混合，可以有效避免WC增强颗粒吸收过多的激光能量而过多烧损氧化；进一步，可以通过分别调整两组喷嘴的出粉角度与送粉气流，调整粉末运动速度及其与激光的作用时间，来实现上述粉末状态，通过分别调整两路送粉量与送粉气流，实现一定比例的WC增强相熔覆层，解决WC颗粒的烧损问题；再进一步，可以通过使用惰性气体载运WC颗粒防止WC颗粒的氧化，从而提升WC颗粒的利用率。

附图说明

图1为现有技术中一种超高速激光熔覆系统的示意图。

图2为现有技术中另一种超高速激光熔覆系统的示意图。

图3为本发明实施例一提供的超高速激光熔覆系统的示意图。

图4位本发明实施例二提供的超高速激光熔覆系统的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10---激光束发射器，11---激光束，20---喷嘴，21---混合粉末，22---混合粉末聚集点，30---熔覆层，31---熔池，40---工件，100---激光束发射器，110---激光束，210---合金粉末喷嘴，211---合金粉末束，212---合金粉末聚集点，220---WC颗粒喷嘴，221---WC颗粒束，222---WC颗粒聚集点，300---熔覆层，310---熔池，400---工件，500---双焦点聚焦镜，510---激光聚集区域。

具体实施方式

本发明的核心思想是将合金粉末和用于制备WC颗粒增强涂层的WC颗粒分开喷射，形成两个聚集点，分别是合金粉末的聚集点和WC增强颗粒的聚集点，两个聚集点都位于激光束的路径上并吸收激光能量；所不同的是，合金粉末的聚集点位于WC增强颗粒的聚集点的上方，这样激光束在传输过程中先接触到合金粉末，使得合金粉末吸收较多的激光能量，而WC增强颗粒由于合金粉末的阻挡而吸收较少的激光能量，由于WC增强颗粒易于吸收激光能量而烧损，本发明提供的超高速熔覆系统可以使得WC增强颗粒吸收较少的激光能量而避免过多的烧损；再者，如果将合金粉末和WC增强颗粒混合一起送粉，由于WC颗粒的粒子速度会明显低于合金粉末颗粒的粒子速度，从而吸收更多激光能量，不利于合金粉末的熔化。

为实现上述目的或者其他相关目的，本发明提供了一种超高速激光熔覆系统，用于制备WC颗粒增强涂层，其特征在于，包括激光束发射器、第一喷嘴组和第二喷嘴组；所述激光发射器用于沿着第一直线向工件表面发射激光，以用于局部熔化所述工件表面形成熔池；所述第一喷嘴组包括若干个第一喷射口，若干个所述第一喷射口用于向第一聚集点喷射第一粉末；所述第二喷嘴组包括若干个第二喷射口，若干个所述第二喷射口用于向第二聚集点喷射第二粉末；所述第一聚集点和所述第二聚集点均位于所述第一直线上并位于所述熔池上方，其中，所述第一聚集点位于所述第二聚集点和所述熔池之间。所述第一粉末包括合金粉末，所述第二粉末包括WC颗粒。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图3-4对本发明提出的超高速激光熔覆系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

参阅图3，本实施例的超高速激光熔覆系统包括两个合金粉末喷嘴210，两个WC颗粒喷嘴220，激光束发射器100和工件400，激光束发射器100发射的激光束110用于局部熔融工件400的表面形成熔池310和熔融合金粉末以及WC颗粒，熔融的合金粉末和WC颗粒进入熔池310混合作用形成熔覆层300，起到改善工件表面的作用；两个合金粉末喷嘴210同时向激光束110路径上的一个位置喷射合金粉末束211，合金粉末束211在激光束110路径上的一个位置交叉聚集形成合金粉末聚集点212；同理，两个WC颗粒喷嘴220向激光束110路径上另一个位置喷射WC颗粒束221，WC颗粒束221在激光束路径上另一位置交叉聚集形成WC颗粒聚集点222；其中，合金粉末聚集点212位于WC颗粒聚集点222上方。

本技术领域人员应当理解，本发明的合金粉末喷嘴和WC颗粒喷嘴并不局限于两个，或者说并不局限于这种形式，只要是能够使得喷射的合金粉末束和WC颗粒束能够产生交叉聚集然后形成在激光束路径上的聚集点即可。

具体实施时，先设定合金粉末喷嘴210和WC颗粒喷嘴220的喷射角度、喷射速度和送粉量，用指示红光定位需要激光束熔融的工件位置，然后开启合金粉末喷嘴210和WC颗粒喷嘴220开始送粉，最后设定激光束发射器100的功率，待粉流稳定之后开启激光束发射器100进行激光熔覆，制备WC颗粒增强涂层；合金粉末喷嘴210喷射的合金粉末束211在激光速110路径上形成合金粉末聚集点212，WC颗粒喷嘴220喷射的WC颗粒束221在激光束110路径上形成WC颗粒聚集点222；激光束110在工件表面形成熔池310；合金粉末聚集点212位于WC颗粒聚集点222的上方，WC颗粒聚集点222位于熔池310的上方；位于合金粉末聚集点212中的合金粉末比位于WC颗粒聚集点222的中WC颗粒先接触到激光束110并吸收较多的激光能量，WC颗粒聚集点222中的WC颗粒由于位于上方的合金粉末的阻挡，吸收较少的激光能量；聚集于合金粉末聚集点212的合金粉末和聚集于WC颗粒聚集点222的WC颗粒均吸收激光能量而熔融然后进入熔池，混合形成熔覆层300；并且可以通过多次试验中对于激光发射功率、喷射角度、喷射速度和送粉量的调整，获得最优的激光发射功率、喷射角度、喷射速度和送粉量的搭配，以及对于不同工件的最优搭配，增加本发明提供的超高速激光熔覆系统的通用性。

实施例二

与上述实施例不同的是，参阅图4，本实施例提供的超高速激光熔覆系统包括激光束发射器100，两个合金粉末喷嘴210，两个WC颗粒喷嘴220，双焦点聚焦镜500和工件400；激光束发射器100发射的激光束110用于局部熔融工件400的表面形成熔池310和熔融合金粉末以及WC颗粒，在激光束110的路径上增加一双焦点聚焦镜500，使得激光束110在通过双焦点聚焦镜500之后形成一激光聚集区域510，激光聚集区域510包含大量的激光能量；

具体实施时，设定两个合金粉末喷嘴210和两个WC颗粒喷嘴220的喷射角度，使得合金粉末喷嘴210喷射的合金粉末束211在激光聚集区域510中交叉聚集形成合金粉末聚集点212，吸收大量的激光能量，并使得WC颗粒喷嘴220喷射的WC颗粒束在激光聚集区域510的下方交叉聚集形成WC颗粒聚集点222，吸收少量的激光能量；本实施例提供的超高速激光熔覆系统更大的区分了合金粉末和WC颗粒吸收的激光能量，更有效的提升了合金粉末的熔融效率并降低WC颗粒的烧损；另外，双焦点聚焦镜500具有可替换性，可以根据不同的超高速激光熔覆系统选择不同的双焦点聚焦镜500，使得本实施例具有很强的通用性。

上述描述仅是对发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高速激光熔覆系统，用于制备WC颗粒增强涂层，其特征在于，包括激光束发射器、第一喷嘴组和第二喷嘴组；

所述激光发射器用于沿着第一直线向工件表面发射激光，以用于局部熔化所述工件表面形成熔池；

所述第一喷嘴组包括若干个第一喷射口，若干个所述第一喷射口用于向第一聚集点喷射第一粉末；

所述第二喷嘴组包括若干个第二喷射口，若干个所述第二喷射口用于向第二聚集点喷射第二粉末；

所述第一聚集点和所述第二聚集点均位于所述第一直线上并位于所述熔池上方，其中，所述第二聚集点位于所述第一聚集点和所述熔池之间且所述第二聚集点与所述第一聚集点间隔一定距离；

所述第一粉末包括合金粉末，所述第二粉末包括WC颗粒。

2.如权利要求1所述的超高速激光熔覆系统，其特征在于，所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组属于同一喷枪，所述第一喷嘴组为位于所述喷枪上的中央环形喷嘴，所述中央环形喷嘴为连续型环状喷射口结构，所述连续型环状喷射口结构以所述第一直线为中心轴环绕。

3.如权利要求1所述的超高速激光熔覆系统，其特征在于，所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组属于同一喷枪，所述第二喷嘴组为位于所述喷枪上的外围环形喷嘴或外围多点式喷嘴，所述外围环形喷嘴为连续型环状喷射口结构，所述连续型环状喷射口结构以所述第一直线为中心轴环绕，所述多点式喷嘴为多个点状喷射口结构，多个所述点状喷射口以所述第一直线为中心轴环绕排布。

4.如权利要求3所述的超高速激光熔覆系统，其特征在于，所述第二喷嘴组为外围三点式或四点式喷嘴，所述三点式或四点式喷嘴包括三个或四个点状喷射口并以所述第一直线为中心轴环绕排布。

5.如权利要求4所述的超高速激光熔覆系统，其特征在于，在所述第一直线的路径上设置一双焦点聚焦镜，所述双焦点聚焦镜镜面与所述工件平行，所述激光束通过所述双焦点聚焦镜射向所述第一聚集点，所述激光束通过所述双焦点聚焦镜形成两个激光焦点，上焦点和下焦点，所述下焦点为距离所述第一聚集点更近的点，所述上焦点与下焦点之间形成一激光聚集区域。

6.一种超高速激光熔覆方法，其特征在于，利用如权利要求1至5任一项所述的超高速激光熔覆系统进行激光熔覆，以用于制备WC颗粒增强涂层，包括如下步骤：

S1：设定所述第一喷嘴组和所述第二喷嘴组的喷射角度、喷射速度和送粉量；

S2：用指示红光定位激光束位置；

S3：打开所述第一喷嘴组和第二喷嘴组开始送粉；

S4：粉流稳定后，打开所述激光束发射器发射激光束开始熔覆，制备WC颗粒增强涂层。

7.如权利要求6所述的超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述激光束发射器发射的激光束与工件表面成一定角度。

8.如权利要求7所述的超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述第一聚集点位于所述激光聚集区域内，所述第二聚集点位于所述激光聚集区域与所述工件之间。

9.如权利要求8所述的超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述合金粉末和所述WC颗粒采用惰性气体载运。

10.如权利要求9所述的超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述惰性气体为氦、氩、氖、氪和氙中的一种或多种。

Images