CN111058036B - 双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法 - Google Patents

双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料的增材制造领域。公开一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，通过控制预热加工头和熔覆加工头分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行预热和熔覆，沿着熔覆方向同步移动，预热加工头产生的椭圆环形光斑的直径大于熔覆加工头产生的圆形光斑的直径，并且圆形光斑位于椭圆环形光斑内部，使得圆形光斑与椭圆环形光斑之间形成热源复合，通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，并通过椭圆环形光斑为待熔覆区域进行预热以及为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。通过本发明的上述多个位置均可实现对铝箔铜轧辊表面Ni16C+WC涂层的制备，并且熔覆表面光亮，不变形，在测试后无开裂、剥落的问题。

Description

双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的 方法
技术领域
本发明涉及金属材料的增材制造领域，尤其是关于有色金属表面增材制造技术和超高速激光熔覆技术，具体而言涉及一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法。
背景技术
超高速激光熔覆技术是通过同步送粉方式，利用高能密度的激光束使添加材料与以高速率运动的基体表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，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、抗氧化等工艺特性的工艺方法。
激光重熔技术是用激光束将工件表面熔化而不添加任何金属元素，以达到表面组织改善的目的。有些铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂，以及金属化合物及气孔等缺陷，如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性，用激光做表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化。
在当前铝箔的加工工艺中，处于轧制延伸中的轧辊是整个工艺流程中重要的一环，该轧辊的主要是由CuCoBe合金制作而成。此种合金拥有优良的热力学和机械加工性能，即使在高温下仍能维持不变形，但是经过长期的使用后，轧辊的表面磨损程度很高，会极大地影响铝箔的表面成形情况，而更换一根轧辊耗费大，耗时长。
发明内容
本发明目的在于提供一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，即利用机器人控制预热加工头和熔覆加工头形成特定角度以分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行加工，以在工件表面实现耐磨耐蚀温度敏感涂层材料的制备。
为实现上述目的，本发明提出一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，在制备过程中，控制预热加工头和熔覆加工头分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行预热和熔覆，在工件表面实现温度敏感涂层的制备；
其中，所述制备过程为复合工艺，预热加工头与熔覆加工头沿着熔覆方向同步移动，预热加工头产生的椭圆环形光斑的直径大于熔覆加工头产生的圆形光斑的直径，并且圆形光斑位于椭圆环形光斑内部，使得圆形光斑与椭圆环形光斑之间按照下述之一的方式协同实现熔覆加工：
圆形光斑与椭圆环形光斑形成热源复合；
通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，并通过椭圆环形光斑为待熔覆区域进行预热以及为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，熔覆加工头与工件法向成α角，预热加工头与工件法向成β角，其中，α角的范围是-5°～5°，β角的范围为30°～50°。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的后沿实现热源复合；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，在其后沿通过两光斑热源复合能场对涂层粉末进行熔覆。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的前沿实现热源复合；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿与圆形光斑进行双光斑复合能场熔覆，并通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，所述方法适用于在有色金属工件表面制备镍基类温度敏感涂层。
优选地，所述方法适用于铜轧辊的表面制备镍基类温度敏感涂层，其中所使用的涂层粉末为Ni16C+x％WC，其中，x为WC的质量百分比数；
Ni16C粉末的粒径为25～53μm，其质量百分比为：
C：0.52％，Cr：15.85％，Si：4.08％，B：3.62％，Fe：3.57，Cu：2.01，Mo：2.70％，余量为Ni；
WC粉末粒径为25～53μm。
优选地，当x＝10时，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的前沿；当x＝20时，圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置；当x＝30时，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的后沿。
优选地，在制备过程中，预热加工头激光功率为2900w，熔覆加工头激光功率为2600w，控制铜轧辊进行旋转的机床的转速为48r/min，步进速度为21.6mm/min，送粉速度为3.0r/min，氩气保护流量为40L/min，送粉载气量为6.7L/min，单道宽度为1.5mm，搭接率为75％。
由以上本发明的技术方案，Ni16C粉末在超高速激光熔覆时，所需要的能量高于WC在超高速激光熔覆时所需要的能量。在加入WC粉末后，Ni16C+WC混合粉末会对温度的敏感程度变高，具体表现是，随着WC在混合粉末内质量百分比的提高，基材所需的初始温度越高，即所需预热时间变长。利用超高速激光熔覆技术在轧辊的表面制备强化涂层的关键点就在于正确处理Ni16C+WC混合粉末对于温度的敏感性这一问题。对于不同用途的铜辊，其所需强化涂层的强化程度不同，所以我们往往采用添加不同含量WC的方法来满足各种情况下的实际需要。但是，在常温下直接在工件上进行熔覆会导致涂层的开裂、剥落等问题，无法达到预期效果。
因此在本发明中针对这一问题，提出通过双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的工艺，利于预热加工头和熔覆加工头形成特定角度以分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件表面，协同工作进行熔覆加工，以在工件表面实现耐磨耐蚀温度敏感涂层材料的制备。通过本发明的工艺制得的温度敏感涂层的表面光亮、粗糙度降低。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明提供的过双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的工艺过程中预热加工头与熔覆加工头的相互位置关系示意图；
图2是本发明提供的过双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的工艺过程中预热加工头产生的椭圆环形光斑与熔覆加工头产生的圆形光斑的相互位置关系示意图；
图3a-3b是双光斑为与如图2中A位置时的截面形貌和熔覆表面形貌示例；
图4a-4b是双光斑为与如图2中B位置时的截面形貌和熔覆表面形貌示例；
图5a-5b是双光斑为与如图2中C位置时的截面形貌和熔覆表面形貌示例。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图示，本发明示例性地提出一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，在制备过程中，通过机器人控制预热加工头100和熔覆加工头200分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件300的表面协同工作进行预热和熔覆，在工件表面实现温度敏感涂层的制备。
结合图2所示，本发明的制备过程为复合工艺，预热加工头与熔覆加工头沿着熔覆方向同步移动，预热加工头产生的椭圆环形光斑10的直径大于熔覆加工头产生的圆形光斑20的直径，并且圆形光斑位于椭圆环形光斑内部，使得圆形光斑与椭圆环形光斑之间按照下述之一的方式协同实现熔覆加工：1)圆形光斑与椭圆环形光斑形成热源复合；或者2)通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，并通过椭圆环形光斑为待熔覆区域进行预热以及为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，熔覆加工头与工件法向成α角，预热加工头与工件法向成β角，其中，α角的范围是-5°～5°，β角的范围为30°～50°。
在具体实施过程中，通过机器人控制预热加工头100和熔覆加工头200的角度，从而调节α角与β角使得两光斑的位置发生相对变化，实现不同的加工工艺。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的后沿实现热源复合；如图2所示的A位置，在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，在其后沿通过两光斑热源复合能场对涂层粉末进行熔覆。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置；如图2所示的B位置，在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的前沿实现热源复合；如图2所示的C位置，在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿与圆形光斑进行双光斑复合能场熔覆，并通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
优选地，上述方法适用于在有色金属工件表面制备镍基类温度敏感涂层。尤其是在铜轧辊的表面制备镍基类温度敏感涂层，其中所使用的涂层粉末为Ni16C+x％WC，其中，x为WC的质量百分比数；
Ni16C粉末的粒径为25～53μm，其质量百分比为：
C：0.52％，Cr：15.85％，Si：4.08％，B：3.62％，Fe：3.57，Cu：2.01，Mo：2.70％，余量为Ni；
WC粉末粒径为25～53μm。
结合图2所示，熔覆加工头产生的圆形光斑直径为1.5mm，圆形光斑位于椭圆环形光斑内部。椭圆环形激光光斑的尺寸满足至少包住圆形光斑即可。优选地，椭圆环形激光光斑的长轴优选地大于5mm，尤其可选地为5-15mm。短轴优选地大于3mm，尤其可选地为3-10mm。
优选地，当x＝10时，此时WC粉末所占质量百分比较低，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的前沿，位于C位置；当x＝20时，此时WC粉末所占质量百分比较高，圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置，位于图中的B位置；当x＝30时，此时WC粉末所占质量百分非常高，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的后沿，位于图中的A位置。
优选地，在制备过程中，预热加工头激光功率为2900w，熔覆加工头激光功率为2600w，控制铜轧辊进行旋转的机床的转速为48r/min，步进速度为21.6mm/min，送粉速度为3.0r/min，氩气保护流量为40L/min，送粉载气量为6.7L/min，单道宽度为1.5mm，搭接率为75％。
预热加工头可使用激光器型号为LDF10000-100，使用的光纤为1000μm；熔覆加工头所使用的激光器型号为LDF4000-60，使用的光纤为600μm，加工使用的平台为7M铸铁平台与60KUKA机器人组合，送粉管内径1.5mm，送粉高度为20mm。
下面以铝箔铜轧辊表面制备Ni16C+WC涂层为例，对本发明的上述实施过程进行更加具体的说明。
本发明基材采用的是铝箔铜轧辊，其主要材料为CuCoBe合金，基材直径为80mm，激光熔覆粉末采用Ni16C与WC粉末，它们的粒径都为：25～53μm。
Ni16C粉末的质量百分比组成为：C：0.52％，Cr：15.85％，Si：4.08％，B：3.62％，Fe：3.57，Cu：2.01，Mo：2.70％，余量为Ni。WC粉末为铸造。
(1)根据轧辊的类型和所需强化的程度，将轧辊编号为轧辊a，轧辊b，轧辊c；
(2)准备好足量的Ni16C粉末与WC粉末，按照比例进行混粉：
编号 Ni16C WC
1 900g 100g
2 800g 200g
3 700g 300g
配比完成后，采用混粉机将其搅拌均匀，同时将其置于真空干燥箱，干燥一小时；
(3)预先将轧辊a在超高速熔覆机床上固定并夹紧，使用酒精清洗轧辊表面，并等待其干燥；
(4)打开激光器，调至激光输出为指导红光，操作机器人将熔覆激光头所对应的α角调至5°，预热激光头所对应的β角调至40°，即使得两光斑相对位置为附图2的A位置上，；
(5)将预先干燥好的3号混合粉末加入至送粉器中；
(6)输入加工参数如下：预热加工头功率为2900w，熔覆加工头功率为2600w，机床转速为48r/min，步进速度为21.6mm/min，送粉速度为3.0r/min,氩气保护流量为40L/min，送粉载气量为6.7L/min，单道宽度为1.5mm，搭接率为75％
(7)上述设置完成后，打开送粉器，送粉速度调至3.0r/min，送粉载气量调至6.7L/min。
启动激光器与机床，沿预设的程序进行超高速激光熔覆；
(8)待完成轧辊a的超高速激光熔覆后，取下轧辊，安装上轧辊b，使用酒精清洗轧辊表面，并等待其干燥；
(9)调至激光输出为指导红光，操作机器人将熔覆激光头所对应的α角调至0°，即使得两光斑相对位置为附图2的B位置上；
(10)将送粉器中剩余3号混粉清理干净后加入2号混粉，重复上述步骤进行轧辊b的超高速激光熔覆；
(11)待完成轧辊a的超高速激光熔覆后，取下轧辊，安装上轧辊c，使用酒精清洗轧辊表面，并等待其干燥；
(12)调至激光输出为指导红光，操作机器人将熔覆激光头所对应的α角调至-5°，即使得两光斑相对位置为附图2的C位置上；
(13)将送粉器中剩余2号混粉清理干净后加入1号混粉，重复上述步骤进行轧辊c的超高速激光熔覆；
(14)整个加工过程结束。
结合图3a-3b、4a-4b以及5a-5c所示的进行不同位置时进行熔覆加工的结果，其中在A位置时截面形貌可见Cu熔化比例大，熔覆表面形貌良好，粉末熔化充分。在B位置时，截面形貌可见Cu熔化比例小，熔覆表面形貌良好，表面少量未熔粉末附着；在C位置时，截面形貌可见Cu熔化比例稍小，熔覆表面光亮、粗糙度降低。由此可见，通过本发明的上述多个位置均可实现对铝箔铜轧辊表面Ni16C+WC涂层的制备，并且熔覆表面良好，不变形，在测试后无开裂、剥落的问题。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，在制备过程中，控制预热加工头和熔覆加工头分别提供椭圆环形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行预热和熔覆，在工件表面实现温度敏感涂层的制备；
其中，所述制备过程为复合工艺，预热加工头与熔覆加工头沿着熔覆方向同步移动，预热加工头产生的椭圆环形光斑的直径大于熔覆加工头产生的圆形光斑的直径，并且圆形光斑位于椭圆环形光斑内部，使得圆形光斑与椭圆环形光斑之间按照下述之一的方式协同实现熔覆加工：
圆形光斑与椭圆环形光斑形成热源复合；
通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，并通过椭圆环形光斑为待熔覆区域进行预热以及为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理；
其中，所述方法适用于铜轧辊的表面制备镍基类温度敏感涂层，其中所使用的涂层粉末为Ni16C+x%WC，其中，x为WC的质量百分比数；
Ni16C粉末的粒径为25~53μm，其质量百分比为：
C：0.52%，Cr：15.85%，Si：4.08%，B：3.62%，Fe：3.57，Cu：2.01，Mo：2.70%，余量为Ni ；
WC粉末粒径为25~53μm；
当x =10时，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的前沿；当x =20时，圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置；当x =30时，两光斑的热源复合位置位于椭圆环形光斑的沿着熔覆方向的后沿。
2.根据权利要求1所述的双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，熔覆加工头与工件法向成α角，预热加工头与工件法向成β角，其中，α角的范围是-5°~5°，β角的范围为30°~50°。
3.根据权利要求1所述的双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的后沿实现热源复合；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，在其后沿通过两光斑热源复合能场对涂层粉末进行熔覆。
4.根据权利要求1所述的双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、位于椭圆环形光斑的空白中心位置；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿为待熔覆区域进行预热处理，通过圆形光斑对涂层粉末进行熔覆，通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
5.根据权利要求1所述的双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，调节所述熔覆加工头、预热加工头与工件的角度，使得圆形光斑在沿着熔覆方向上、与椭圆环形光斑的前沿实现热源复合；在熔覆加工过程中，沿着熔覆方向，通过椭圆环形光斑的前沿与圆形光斑进行双光斑复合能场熔覆，并通过椭圆环形光斑的后沿为已熔覆区域进行激光重熔抛光处理。
6.根据权利要求1所述的双激光协同超高速激光熔覆制备耐磨耐蚀温度敏感涂层的方法，其特征在于，在制备过程中，预热加工头激光功率为2900w，熔覆加工头激光功率为2600w，控制铜轧辊进行旋转的机床的转速为48r/min，步进速度为21.6mm/min，送粉速度为3.0r/min，氩气保护流量为40L/min，送粉载气量为6.7L/min，单道宽度为1.5mm，搭接率为75%。
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