CN111041473A - 一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高速激光熔覆技术，特指一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法。该方法将电磁辅助系统和超高速激光制造系统配合，利用脉冲磁场的力效应和热效应在超高速激光制造过程中提供复合能场使材料表面受到热力协同作用，利用高频磁场对金属工件基体实现深度可控的预加热层来进一步减小超高速激光制造过程中的温度梯度，从而消除熔覆层气孔、裂纹等缺陷；利用中频磁场对粉末流和熔池施加洛伦兹力，减少粉末飞溅，调控组织形貌和晶粒尺寸，获得均匀致密的高性能制造表面，并且显著提高粉末利用率。
Description
技术领域
本发明涉及超高速激光熔覆技术，特指一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法。
技术背景
超高速激光熔覆技术是通过同步送粉添料方式，利用高能密度束流使添加材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并施加超强动能将熔化粉末高速喷射送入基体熔池内，并快速凝固后形成稀释率(＜3％)极低，极薄的、与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工艺方法。和常规激光熔覆相比，超高速激光熔覆具有功率密度高、加工效率高，加工精度高、后续加工成本低(直接磨抛加工)，工件热输入量很小，工件变形小等优势。特别适合在轴类零件进行修复再制造，也能在平面和复杂曲面上进行加工，广泛应用于工程机械、航空航天行业、冶金，成为可替代传统电镀技术的一种绿色再制造工艺。
但是在超高速激光熔覆加工过程中不可避免的出现熔覆层裂纹等制造缺陷以及粉末利用率较低导致熔覆表面致密性差和生产成本提高的问题，并且相较于传统激光熔覆技术，超高速激光熔覆表面涂层硬度较低。并且由于超高速激光熔覆在加工过程中具有极高的线速度，因此普通激光熔覆低频磁场辅助的手段不再适用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，主要通过电磁辅助系统结合超高速激光熔覆加工系统，利用电磁辅助系统产生的高频磁场对基体实施深度可控的预热层来减小加工过程中的温度梯度，消除裂纹、气孔等制造缺陷；利用中频磁场对加工过程中的熔池进行电磁搅拌，达到调控组织和晶粒的作用，一定程度上优化超高速激光熔覆层的涂层表面质量和综合性能，同时对熔化状态的粉末施加额外电磁力，增加粉末利用率。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的：
一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，所述方法基于安装在超高速激光熔覆装备上的激磁线圈和电磁发生装置两个模块实现。其中激磁线圈安装在超高速激光熔覆头的正下方5-8mm处，线圈中心位于激光光束中心线上面，产生磁致热作用于基体表面和熔池中，电磁发生装置位于安装在超高速激光熔覆装备上的工件正下方，机床底座上面，产生磁致搅拌作用于熔池中。包括以下步骤：
(1)将待熔覆的金属工件打磨、抛光、酒精清洗、吹干备用；
(2)将熔覆的金属粉末进行筛粉、烘干处理后装入送粉器；
(3)将金属工件安装在超高速激光熔覆的加工设备上面，利用卡盘和顶针夹紧；
(4)调节激光光斑和粉末聚焦斑点在同一直线上，采用同轴送粉，调节送粉喷嘴，使超高速激光熔覆的熔覆头到工件表面的工作距离为10mm～15mm；
(5)打开电磁发生装置电源，调节电流大小为100-500A，输出频率为30-100kHz，输出磁场强度为10-100mT。
(6)打开激磁线圈的电源装置，调节电流大小为10-30A，输出频率为1-10kHz，磁场强度为10-40mT。
(6)开启超高速激光熔覆加工系统，通过机床控制金属工件的移动完成熔覆加工过程，其中加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池保护。
所述金属工件特指以轴类零件为主的回转体零件。
所述金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的一种，粉末的粒度范围为20～50μm，球形度≥90％。
所述同轴送粉器的送粉速度为30～150g/min，输送距离1.5～6m。
所述超高速激光熔覆的加工设备为四轴联动的数控机床，X轴最大工作行程为2000mm，移动速度0-10000mm/min，重复定位精度为0.025mm；C轴的主轴伺服转速0-300r/min，卡盘为手动三爪卡盘，卡盘直径为Ф630mm。
所述电磁发生装置使基体预热层深度可根据
可控，其中S为预热深度，T为预热温度，f为磁场频率。在后续加工过程中此高频磁场同时能对熔池提供额外热源使熔池凝固速率降低，促进电磁搅拌能够充分进行。
所述激磁线圈施加的中频磁场在超高速激光熔覆熔池中的集肤深度L根据公式
确定，其中L为集肤深度，α为基体表面熔池的电导率，μ为熔体的磁导率，f为磁场频率。在高频磁场的协同作用下对熔池施加热力复合作用。
所述超高速激光熔覆的工艺参数为：激光光斑直径为0.5～2mm，激光功率为1500～5000W，扫描速度为10～200m/min，搭接率为60～80％，氩气保护气流为10～15L/min。
本发明通过电磁发生装置获得两种频率的磁场辅助超高速激光熔覆过程，控制甚至消除熔覆层裂纹和气孔等制造缺陷，优化超高速激光熔覆层的涂层表面质量和综合性能。
本发明的有益效果为：
(1)本发明能够在基体形成表面深度可控的预热层，满足多种材料超高速激光熔覆的预热要求。
(2)本发明中应用的中频磁场能够在改善熔覆层组织性能的同时提高超高速激光熔覆过程中的粉末利用率。
(3)本发明通过磁场辅助在能够提高了超高速激光熔覆表面熔覆层的硬度耐磨性，减少制造缺陷，有效改善超高速激光熔覆表面熔覆层的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例中超高速激光熔覆示意图。
图2为熔池中粉末在中频磁场作用下的受力作用示意图。
图3为未施加磁场的超高速激光熔覆阀杆熔覆层表面形貌图。
图4为施加磁场的超高速激光熔覆阀杆熔覆层表面形貌图。
其中1为三爪卡盘，2为激磁线圈，3为阀杆零件，4为电磁发生装置，5为顶尖，6为顶尖座，7为激光束，8为熔覆层，9为粉末流，10为熔池，11为机床底座。
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明具体实施作进一步详述。
以一种阀杆表面制备超高速激光熔覆625镍基合金熔覆层为例。
(1)将直径d为100mm的阀杆打磨、除油、抛光、酒精清洗、吹干备用；
(2)将625镍基合金粉末筛粉后获得粒度范围为20～50μm的粉末放置于干燥箱80℃干燥8h，冷却后装入送粉器中，送粉速度设置为40g/min；
(3)将待加工阀杆安装在超高速激光熔覆的机床上，利用三爪卡盘和顶针夹紧,设定机床参数为：主轴转速为160r/min,工作距离为500mm，步进为25mm/min；
(4)调节激光光斑和粉末聚焦斑点在同一直线上，调节送粉喷嘴，使熔覆头到工件的光斑工作距离为12mm；
(5)调节电磁发生装置的电流为200A，频率为80kHz，磁场强度为50mT，预热温度设置为300℃，预热层深度为基体表面1mm；调节激磁线圈的电流为20A，磁场频率为2kHz，磁场强度设置为20mT。
(6)打开激光加工系统设定超高速激光熔覆的工艺参数为光斑直径为1.2mm，扫描速度为50m/min，激光功率为2000W，搭接率为70％，氩气保护气流为15L/min；通过机床控制金属工件的移动完成熔覆加工过程，其中加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池保护。
采用本发明所述一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法在阀杆上制备625镍基合金涂层，如图2所示，能够使熔池中的粉末受到洛伦兹力作用抵消熔覆过程中受到的阻力作用，从而让更多的熔融状态的粉末落到基体表面，减少飞溅等引起的粉末浪费情况，极大提高粉末利用率，并且在熔池中实施电磁搅拌，在热力复合作用下改善熔覆层的组织性能，提高涂层的表面质量。应用本发明的方法得到的超高速激光熔覆涂层表面形貌如图4所示，与图3相比较表面平整度更高，硬度也有小幅度提高，涂层质量更优，并且在实验结束后通过称重粉末结果显示粉末利用率在原有基础上提高了16％。
Claims (9)
1.一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述方法基于安装在超高速激光熔覆装备上的激磁线圈和电磁发生装置两个模块实现包括以下步骤：
(1)将待熔覆的金属工件打磨、抛光、酒精清洗、吹干备用；
(2)将熔覆的金属粉末进行筛粉、烘干处理后装入送粉器；
(3)将金属工件安装在超高速激光熔覆的加工设备上面，利用卡盘和顶针夹紧；
(4)调节激光光斑和粉末聚焦斑点在同一直线上，采用同轴送粉，调节送粉喷嘴，使超高速激光熔覆的熔覆头到工件表面的工作距离为10mm～15mm；
(5)打开电磁发生装置电源，调节电流大小为100-500A，输出频率为30-100kHz，输出磁场强度为10-100mT；
(6)打开激磁线圈的电源装置，调节电流大小为10-30A，输出频率为1-10kHz，磁场强度为10-40mT；
(6)开启超高速激光熔覆加工系统，通过机床控制金属工件的移动完成熔覆加工过程，其中加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池保护。
2.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，激磁线圈安装在超高速激光熔覆头的正下方5-8mm处，线圈中心位于激光光束中心线上面，产生磁致热作用于基体表面和熔池中；电磁发生装置位于安装在超高速激光熔覆装备上的工件正下方，机床底座上面，产生磁致搅拌作用于熔池中。
3.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述金属工件特指以轴类零件为主的回转体零件。
4.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的一种，粉末的粒度范围为20～50μm，球形度≥90％。
5.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述同轴送粉器的送粉速度为30～150g/min，输送距离1.5～6m。
6.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述超高速激光熔覆的加工设备为四轴联动的数控机床，X轴最大工作行程为2000mm，移动速度0-10000mm/min，重复定位精度为0.025mm；C轴的主轴伺服转速0-300r/min，卡盘为手动三爪卡盘，卡盘直径为Ф630mm。
7.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述电磁发生装置使基体预热层深度可根据S＝T/√f可控，其中S为预热深度，T为预热温度，f为磁场频率；在后续加工过程中此高频磁场同时能对熔池提供额外热源使熔池凝固速率降低，促进电磁搅拌能够充分进行。
8.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述激磁线圈施加的中频磁场在超高速激光熔覆熔池中的集肤深度L根据公式L＝√(1/αμf)确定，其中L为集肤深度，α为基体表面熔池的电导率，μ为熔体的磁导率，f为磁场频率；在高频磁场的协同作用下对熔池施加热力复合作用。
9.如权利要求1所述的一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其特征在于，所述超高速激光熔覆的工艺参数为：激光光斑直径为0.5～2mm，激光功率为1500～5000W，扫描速度为10～200m/min，搭接率为60～80％，氩气保护气流为10～15L/min。
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