CN111005017A - 一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法及冷喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法及冷喷涂装置，所述方法为：在冷喷涂钛合金粉末过程中同步耦合激光，通过激光调控使钛合金粉末颗粒表面微熔并与周围的高压氮气载气发生原位氮化反应产生薄层氮化膜，氮化膜在粉末颗粒高速碰撞后破碎并填充颗粒间孔隙，激光辐照不仅提高了粉末的塑性变形能力，也诱导了原位反应生成氮化膜，通过冶金结合和机械咬合来提高钛合金涂层致密性，促进颗粒间的结合，制备致密且高硬度的冷喷涂钛合金涂层或钛合金构件。本发明大大降低了冷喷涂制备钛合金中出现的孔隙，减少了制造工艺，节约了制造成本，改善了涂层的综合力学性能，促进了冷喷涂钛合金表面改性及增材制造的发展。

Description

一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法及冷喷涂装置
技术领域
本发明属于金属材料表面改性及增材制造领域，具体涉及一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法改善冷喷涂钛合金涂层或冷喷涂增材制造钛合金构件致密性及性能的方法。
背景技术
钛合金由于具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点被广泛应用于各个领域，钛合金零部件会由于其表面磨损、氧化以及其他原因而失效，对于失效的钛合金零部件，常用的表面修复和再制造技术包括激光熔覆、热喷涂、冷喷涂等。其中，基于材料塑性变形实现沉积的冷喷涂技术是一种不涉及材料熔化的低热输入方法，可以避免由于高温过程带来的氧化、相变、分解等热致不良影响，但该方法较适合于塑性变形能力好的材料(如Cu、Al、Zn等)，对于高强度、变形能力差的钛合金则优势不明显，会存在孔隙率高、结合力低等问题。
目前，降低冷喷涂制造钛合金涂层或构件孔隙率的方法主要包括提高粉末预热温度和载气气压、采用氦气替代氮气以及对冷喷涂后的试样进行热处理，如热等静压法。这些方法均存在一定的限制，如提高粉末预热温度和载气压力将对设备的要求进一步提升，用氦气替代氮气将大幅提高用气成本，而对冷喷涂试样进行后续热处理将增加整个工艺过程的复杂性和成本。
发明内容
针对上述的现有改善冷喷涂钛合金孔隙率方法的局限性，本发明的目的主要是提供一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法及冷喷涂装置，以此降低孔隙，克服冷喷涂制备钛合金涂层或冷喷涂增材制造钛合金构件时由于单一机械咬合不良而出现的孔隙率高的问题，极大提高钛合金涂层的综合力学性能。
本发明所述的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将基材进行喷砂、清洗等表面预处理；
2)将钛合金粉末进行喷涂前的烘干预处理；
3)将钛合金粉末装入送粉器，将基材水平放置在工作台上；
4)在冷喷涂设备控制面板中设置好冷喷涂参数，其中冷喷涂参数包括工作载气的种类、载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉器转速；
5)在激光器控制面板中设置好激光功率或激光加热温度；
6)将冷喷涂喷枪与激光头集成在机械手臂上，使得冷喷涂粉斑与激光光斑重合并照射至基材上，并通过机械手臂控制两者的同步运动轨迹；
7)校正冷喷涂粉斑和激光光斑的相对位置，激光焦点位置以及喷涂距离；
8)启动冷喷涂设备、激光设备、氮气供应设备，将粉末喷涂到基材的同时，同步耦合的激光瞬时加热钛合金粉末的颗粒，使颗粒表面微熔并与周围高压载气氮气产生原位氮化反应生成薄层的氮化膜，氮化膜被颗粒撞击后破碎并填充在塑性变形的钛合金颗粒间，从而获得钛合金涂层或增材制造构件。
进一步，步骤1)中，基材表面预处理按以下步骤进行：用24#白刚玉在0.8MPa空气压下进行喷砂处理，提高表面粗糙度的同时去除表面氧化皮，随后用99.5％的无水乙醇进行清洗，然后擦拭干燥。
进一步，所述基材为钛合金、不锈钢或碳钢。
进一步，步骤2)中，所述钛合金粉末为气雾化或者旋转电极法制备的球形颗粒，其颗粒粒径为5μm～50μm，其化学成分(质量分数，％)为C：0.01％～0.10％，Fe：0.01％～0.30％，N：0.01％～0.05％，H：0.01％～0.015％，O：0.01％～0.20％，Al：5.50～6.8％，V：3.50％～4.50％，余量：Ti。
进一步，步骤4)中，所述冷喷涂参数中的工作载气为氮气，载气压力为3～4MPa、载气流量为100～300Nm3/h、载气预热温度500～800℃、送粉器转速为1～5r/min；
进一步，步骤5中，所述激光器为光纤耦合半导体全固态激光器，采用控功率模式或者红外高温仪控温度模式，激光功率为500～1000W，激光加热温度为500～800℃；
进一步，冷喷涂喷枪与激光头共同集成在机械手臂上，冷喷涂喷枪与激光头排布在同一个垂直面，两者之间的夹角为10～80°，机器手臂移动速度为10～50mm/s。
进一步，冷喷涂粉斑和激光光斑位于同一水平面内，冷喷涂粉斑可等于、大于或小于激光光斑，两者之间可同心重合或偏心叠加；激光焦面与冷喷涂粉斑、激光光斑位于同一水平面，喷涂距离10～50mm。
根据本发明所述的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法构建的冷喷涂装置，其特征在于：包括移动设备、冷喷涂设备、激光设备以及氮气供应设备，所述移动设备的机械手臂悬于基材上方；所述冷喷涂设备包括送粉器和冷喷涂喷枪，所述送粉器的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口管路连通，所述激光设包括激光器和激光头，其中激光器通过光纤与激光头相连，所述冷喷涂设备的冷喷涂喷枪与激光设备的激光头集成在移动设备的机械手臂，并保持冷喷涂喷枪喷出的冷喷涂粉斑与激光头射出的激光光斑完全或部分重合后共同交汇于基材表面。
进一步，冷喷涂喷枪与激光头通过夹具共同集成在机械手臂的法兰盘上，并保持冷喷涂喷枪垂直于工件表面，冷喷涂喷枪与激光头排布在同一个垂直面。
本发明的原理是：在冷喷涂钛合金粉末过程中同步耦合激光，利用高能量密度的激光束来瞬时加热钛合金颗粒，通过调控激光功率和氮气压力及流量，使其颗粒表面微熔并与周围高压载气氮气产生原位氮化反应生成薄层氮化膜，在粉末颗粒撞击过程中氮化膜破碎并填充在塑性变形的钛合金颗粒间，颗粒通过激光辐照诱导的原位界面反应来实现冶金结合和机械咬合，激光辐照不仅提高了粉末的塑性变形能力，也诱导了喷涂粉末颗粒表面的原位氮化冶金反应，通过冶金结合和机械咬合，以此降低孔隙，克服冷喷涂制备钛合金涂层或冷喷涂增材制造钛合金构件时由于单一机械咬合不良而出现的孔隙率高的问题，极大提高钛合金涂层的综合力学性能。
与现有的技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
(1)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，在不提高载气预热温度和载气压力，甚至是有所降低的情况下，通过激光辐照使粉末界面微熔生成氮化膜，氮化膜在撞击过程中破碎填充孔隙的方法，不仅提高了粉末的塑性变形能力，也利用了挤压后的氮化膜破碎机理，大大降低了钛合金涂层的孔隙率，提高了涂层致密性和硬度等性能。
(2)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，在以氮气而非昂贵的氦气作为载气的情况下，实现了冷喷涂钛合金的致密性，达到了氦气作为载气时的效果；
(3)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，利用冷喷涂过程中激光诱导的粉末颗粒界面原位反应实现自致密化，剔除了后续热处理改善致密性的步骤。
附图说明
图1为本发明一个实施例在不同激光功率下制备钛合金涂层形貌；a为0W，500倍；b为0W，1万倍；c为500W，500倍；d为500W，1万倍；e为600W，500倍；f为600W，1万倍；g为700W，500倍；h为700W，1万倍；i为800W，500倍；j为800W，1万倍。
图2为本发明一个实施例的激光诱导粉末颗粒表面氮化模型。
图3为本发明一个实施例的粉末颗粒氮化结合过程示意图。
图4为本发明一个实施例的结合形貌图；a为光镜拍摄，b为电镜拍摄。
图5为本发明一个实施例在不同激光功率下制备钛合金涂层孔隙率；a为0W，b为500W，c为600W，d为700W，e为800W。
图6为本发明一个实施例的不同激光功率下制备钛合金涂层硬度。
图7为本发明的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法构建的冷喷涂装置简图
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
在具体实施过程中，本发明提供的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，首先将气雾化的Ti-6Al-4V合金粉末倒入粉桶，再通过冷喷涂系统将粉末喷涂到钛合金基体表面；在喷涂时，同步开启激光，使激光辐照在粉末颗粒上，粉末颗粒在激光加热作用下表面微熔并于周围的氮气载气作用，发生原位氮化反应，粉末高速撞击后，氮化膜破碎，强有力的塑性变形使得破碎后的氮化膜被挤压至两侧，填充在颗粒结合的间隙处，由此制备出高致密的钛合金涂层。
下面结合具体实施例对本发明所提供的激光复合冷喷涂原位氮化强化方法进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
取一块钛合金Ti-6Al-4V(150mm*50mm*10mm)作为基体材料，先进行表面处理，用24#白刚玉在空气压力为0.8MPa下进行喷砂处理，提高表面粗糙度的同时去除表面氧化皮，随后用99.5％的无水乙醇进行清洗，然后擦拭干燥。实验在喷涂载气(氮气)气压为5MPa、氮气流量150Nm3/h、粉末预热温度1000℃、送粉距离为30mm、送粉率为1.5r/min、机器手移动速度为15mm/s、不施加激光(0W)的环境下进行。最后对喷涂后的试样进行镶嵌、磨、抛、腐蚀，最后通过扫描电子显微镜(SEM,IGMA HV-01-043,Carl Zeiss)在放大倍数为500X和10kX下观察试样的涂层形貌。选取涂层中间位置观察钛合金涂层形貌如图1(a)(b)所示。涂层仍保持原始粉末形貌，如图2(a)所示；在腐蚀前通过光学显微镜(AXIOScope.A1)在放大倍数为200X下观察试样的涂层形貌，采用图像处理软件(Image-Pro Plus 6.0)对涂层孔隙率进行计算，孔隙率为8.31％，如图5(a)所示；并用维氏硬度计测试出的硬度值最低，平均值约为372HV0.3，如图6所示。
实施例2
参考实时例1，取一块钛合金Ti-6Al-4V(150mm*50mm*10mm)作为基体材料，先进行表面处理，用24#白刚玉在空气压力为0.8MPa下进行喷砂处理，提高表面粗糙度的同时去除表面氧化皮，随后用99.5％的无水乙醇进行清洗，然后擦拭干燥。实验在喷涂载气(氮气)气压为4MPa、氮气流量为200Nm3/h、粉末预热温度1000℃、送粉距离为40mm、送粉率为1.5r/min、机器手移动速度为10mm/s、施加700W激光功率的环境下进行，采用光纤耦合半导体激光器(LDF4000-100 VGP,Laserline)，最后对喷涂后的试样进行镶嵌、磨、抛，腐蚀，最后通过扫描电子显微镜(SEM,IGMA HV-01-043,Carl Zeiss)在放大倍数为500X和10kX下观察试样的涂层形貌。选取涂层中间位置观察钛合金涂层形貌如图1(g)(h)所示；涂层颗粒表面生成氮化钛薄膜，如图2(b)(c)和图3(b)所示；碰撞后薄膜破碎过程如图3所示；结合形貌图如图4所示；在腐蚀前通过光学显微镜(AXIOScope.A1)在放大倍数为200X下观察试样的涂层形貌，采用图像处理软件(Image-Pro Plus 6.0)对涂层孔隙率进行计算，孔隙率最低为0.67％,如图5(d)所示；并用维氏硬度计测试出的硬度值，平均值约为462HV0.3，如图6所示。
实施例3
参考实时例1,2，取一块钛合金Ti-6Al-4V(150mm*50mm*10mm)作为基体材料，先进行表面处理，用24#白刚玉在空气压力为0.8MPa下进行喷砂处理，提高表面粗糙度的同时去除表面氧化皮，随后用99.5％的无水乙醇进行清洗，然后擦拭干燥。实验在喷涂载气(氮气)气压为4MPa、氮气流量为200Nm3/h、粉末预热温度1000℃、送粉距离为40mm、送粉率为1.5r/min、机器手移动速度为10mm/s、施加800W激光功率的环境下进行，采用光纤耦合半导体激光器(LDF4000-100 VGP,Laserline)，最后对喷涂后的试样进行镶嵌、磨、抛，腐蚀，最后通过扫描电子显微镜(SEM,IGMA HV-01-043,Carl Zeiss)在放大倍数为500X和10kX下观察试样的涂层形貌。选取涂层中间位置观察钛合金涂层形貌如图1(i)(j)所示；涂层颗粒表面氮化钛薄膜增殖(图2(d))，形成较厚TiN层，TiN的硬度约为3000HV，熔点约为2950℃，是一种硬度大，熔点高的陶瓷相，颗粒难以发生塑性变形易产生裂纹，如图1(j)所示；在腐蚀前通过光学显微镜(AXIOScope.A1)在放大倍数为200X下观察试样的涂层形貌，采用图像处理软件(Image-Pro Plus 6.0)对涂层孔隙率进行计算，孔隙率为4.85％,如图5(e)所示；并用维氏硬度计测试出的硬度值，平均值约为552HV0.3，如图6所示。
实施例4
本实施例所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法构建的冷喷涂装置，包括移动设备1、冷喷涂设备2、激光设备3以及氮气供应设备4，所述移动设备1的机械手臂悬于工件5上方，所述冷喷涂设备包括送粉器7、冷喷涂喷枪和加热器6，所述送粉器的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口管路连通，所述激光设包括激光器和激光头，其中激光器通过光纤与激光头相连，所述冷喷涂设备2的冷喷涂喷枪与激光设备3的激光头集成在移动设备1的机械手臂，并保持冷喷涂喷枪喷出的冷喷涂粉斑与激光头射出的激光光斑完全或部分重合后共同交汇于工件表面。
冷喷涂喷枪与激光头通过夹具共同集成在机械手臂的法兰盘上，并保持冷喷涂喷枪垂直于工件表面，冷喷涂喷枪与激光头排布在同一个垂直面。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将基材进行喷砂、清洗等表面预处理；
2)将钛合金粉末进行喷涂前的烘干预处理；
3)将钛合金粉末装入送粉器，将基材水平放置在工作台上；
4)在冷喷涂设备控制面板中设置好冷喷涂参数，其中冷喷涂参数包括工作载气的种类、载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉器转速；
5)在激光器控制面板中设置好激光功率或激光加热温度；
6)将冷喷涂喷枪与激光头集成在机械手臂上，使得冷喷涂粉斑与激光光斑重合并照射至基材上，并通过机械手臂控制两者的同步运动轨迹；
7)校正冷喷涂粉斑和激光光斑的相对位置，激光焦点位置以及喷涂距离；
8)启动冷喷涂设备、激光设备、氮气供应设备，将粉末喷涂到基材的同时，同步耦合的激光瞬时加热钛合金粉末的颗粒，使颗粒表面微熔并与周围高压载气氮气产生原位氮化反应生成薄层的氮化膜，氮化膜被颗粒撞击后破碎并填充在塑性变形的钛合金颗粒间，从而获得钛合金涂层或增材制造构件。
2.如权利要求1所述的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：步骤1)中，基材表面预处理按以下步骤进行：用24#白刚玉在0.8MPa空气压下进行喷砂处理，提高表面粗糙度的同时去除表面氧化皮，随后用99.5％的无水乙醇进行清洗，然后擦拭干燥。
3.如权利要求2所述的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：所述基材为钛合金、不锈钢或碳钢。
4.如权利要求1所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：步骤2)中，所述钛合金粉末为气雾化或者旋转电极法制备的球形颗粒，其颗粒粒径为5μm～50μm，其化学成分(质量分数，％)为C：0.01％～0.10％，Fe：0.01％～0.30％，N：0.01％～0.05％，H：0.01％～0.015％，O：0.01％～0.20％，Al：5.50～6.8％，V：3.50％～4.50％，余量：Ti。
5.如权利要求1所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：步骤4)中，所述冷喷涂参数中的工作载气为氮气，载气压力为3～4MPa、载气流量为100～300Nm3/h、载气预热温度500～800℃、送粉器转速为1～5r/min。
6.如权利要求1所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：步骤5中，所述激光器为光纤耦合半导体全固态激光器，采用控功率模式或者红外高温仪控温度模式，激光功率为500～1000W，激光加热温度为500～800℃。
7.如权利要求1所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：冷喷涂喷枪与激光头共同集成在机械手臂上，冷喷涂喷枪与激光头排布在同一个垂直面，两者之间的夹角为10～80°，机器手臂移动速度为10～50mm/s。
8.如权利要求1所述一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法，其特征在于：冷喷涂粉斑和激光光斑位于同一水平面内，冷喷涂粉斑可等于、大于或小于激光光斑，两者之间可同心重合或偏心叠加；激光焦面与冷喷涂粉斑、激光光斑位于同一水平面，喷涂距离10～50mm。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种激光复合冷喷涂原位氮化强化方法构建的冷喷涂装置，其特征在于：包括移动设备、冷喷涂设备、激光设备和氮气供应设备，所述移动设备的机械手臂悬于基材上方；所述冷喷涂设备包括送粉器、加热器和冷喷涂喷枪，所述送粉器的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口管路连通，所述激光设包括激光器和激光头，其中激光器通过光纤与激光头相连，所述冷喷涂设备的冷喷涂喷枪与激光设备的激光头集成在移动设备的机械手臂，并保持冷喷涂喷枪喷出的冷喷涂粉斑与激光头射出的激光光斑完全或部分重合后共同交汇于基材表面。
10.根据权利要求9所述的冷喷涂装置，其特征在于：冷喷涂喷枪与激光头通过夹具共同集成在机械手臂的法兰盘上，并保持冷喷涂喷枪垂直于工件表面，冷喷涂喷枪与激光头排布在同一个垂直面。
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