CN111286733B - 一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，将超高速激光熔覆技术与超声冲击微锻造技术集成一体复合使用，工件除油除锈，安装定位；非晶金属粉末烘干，装入送粉器中；设定激光功率、光斑直径、行走速度、送粉速率，开启超高激光熔覆设备；设定超声功率、超声频率，开启超声冲击装备，超声冲击头作用于已凝固涂层的特定区域；熔覆加工完毕，非晶涂层自然冷却至室温；用无水乙醇清洗非晶涂层，清洗后晾干；本发明充分利用了超高速激光熔覆技术的“快速凝固”和超声冲击微锻造技术的“控制凝固”、“应力消除”、“微观缺陷消除”等原理，实现非晶涂层的高效率、高质量制造。

Description

一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，属于非晶涂层激光熔覆制造技术领域。
背景技术
非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序短程有序的亚稳态结构特征，固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。与传统的晶态合金相比非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、高耐腐蚀和耐磨性等。非晶合金的制备需要快速凝固工艺，对工艺条件要求苛刻，因此大块体非晶合金的制备技术难度大；非晶合金的室温脆性断裂等缺点也限制了其工业应用。但是以快速制备技术得到的非晶涂层不仅克服了块体非晶合金的缺点，也使非晶合金优异的耐蚀、耐磨性能得到了保证，使其在工业上大范围的应用非晶合金成为可能。与常规的激光熔覆技术不同，超高速熔覆技术通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料与高速运动的基体材料表面同时熔化，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，因此该技术具有凝固时间极短、熔覆效率高的特点，特别适合非晶涂层制备。
采用超高速激光熔覆技术虽可以大幅提高非晶涂层中的非晶相的比例、确保非晶涂层性能，但该技术熔化沉积非晶金属的时间极短，骤冷产生的高残余应力以及与基体的热膨胀系数差异较大等原因易导致非晶涂层开裂，“高非晶含量”和“无裂纹”这两个相对性能间的矛盾始终无法得到有效解决。为解决裂纹问题，目前多采用提高热输入、添加硬质强化相、预热基板等方法，但这些方法均不利于非晶相的产生及其含量的提高，而且还带来了高性能、高成本、工艺复杂、过程繁琐、制备效率低的缺点，因此如何提高非晶合金中的非晶比例、消除非晶涂层中裂纹的方法是目前制约非晶合金涂层技术推广应用的技术瓶颈。
发明内容
本发明提出一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，用于实现快速制备非晶涂层，解决非晶涂层难以大面积制备，制备效率低，非晶涂层中非晶相含量不高、涂层致密度不高、易产生裂纹等问题。
本发明是这样实现的：
一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，将超高速激光熔覆技术与超声冲击微锻造技术集成一体复合使用，具体包括如下步骤：
步骤一，工件除油除锈，安装定位；
步骤二，非晶金属粉末烘干，装入送粉器中；
步骤三，设定激光功率、光斑直径、行走速度、送粉速率，开启超高激光熔覆设备；
步骤四，设定超声功率、超声频率，开启超声冲击装备，超声冲击头作用于已凝固涂层的特定区域；
步骤五，熔覆加工完毕，非晶涂层自然冷却至室温；
步骤六，用无水乙醇清洗非晶涂层，清洗后晾干得到超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层。
本发明还包括其他技术特征：
所述非晶金属粉末包括铁基非晶、镍基非晶、锆基非晶、铝基非晶、铜基非晶和钛基非晶；
所述步骤四中特定区域的温度介于度玻璃转化温度与晶化温度之间；
所述超高激光熔覆设备采用激光光内同步送粉添料方式，利用高能密度的激光束使非晶金属粉末与高速运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固成型。
本发明有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：与现有的常规激光熔覆制备非晶涂层技术相比，采用该技术制备的非晶涂层厚度可降低到50μm大幅降低材料成本；激光线扫描速度可以达到200m/min，面扫描可以达到500cm2/min，是常规激光熔覆效率的10-50倍；涂层的稀释率可以降低到1％以下，涂层的非晶相含量可以提高到90％以上，涂层耐腐蚀性能显著提高；涂层中的气孔和夹渣缺陷降低到1％以下，并消除贯穿性裂纹缺陷；
本发明充分利用了超高速激光熔覆技术的“快速凝固”和超声冲击微锻造技术的“控制凝固”、“应力消除”、“微观缺陷消除”等原理，实现非晶涂层的高效率、高质量制造。
附图说明
图1为超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法原理示意图；其中1为基材、2为已凝固涂层、3为超声冲击头、4为激光熔覆头、5为送粉管、6为激光束、7为保护气体、8为保护气流、9为粉末流、10为超声波；
图2为超高速激光熔覆制备的非晶涂层的金相照片；
图3为超声冲击辅助超高速激光熔覆制备的非晶涂层金相照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施案例，对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，将超高速激光熔覆技术与超声冲击微锻造技术集成一体、复合使用；这种创新设计充分利用了超高速激光熔覆技术的“快速凝固”和超声冲击微锻造技术的“控制凝固”、“应力消除”、“微观缺陷消除”等原理，实现非晶涂层的高效率、高质量制造。
所述超高速激光熔覆技术，其特征在于，通过激光光内同步送粉添料方式，利用高能密度的激光束使添加材料与高速运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固成型，基于该技术制备涂层，释率极低，冷却速度极快，极大提高熔覆速率同时，大大提高促进了涂层中非晶形成，降低晶相比例。
所述超声冲击冲击微锻造技术，其特征在于：将超声冲击头作用于已凝固的金属沉积层的特定区域(温度处于玻璃转化温度与晶化温度之间的区域)，同时将放大后的超声波能场传递到金属沉积层以及金属熔池，超声冲击对已凝固的金属沉积层冲击微锻造，超声能场与熔池金属凝固过程的耦合作用，控制改善凝固过程。
所述超声冲击冲击微锻造技术，可以用于控制非晶涂层的凝固过程，其特征在于，通过超声能场在熔融的金属中产生空化现象，降低了微区熔体的瞬时温度，提高了凝固速率，降低了晶化的可能性；超声能场物理可以改变熔融金属在快速凝固过程中原子位形结构，实现由非稳态向亚稳平衡态或平衡态的转变，降低了激光热效应对晶化行为的消极影响，进而提高涂层中的非晶相比例。
所述超声冲击冲击微锻造技术，可用于消除非晶涂层中因残余应力导致的裂纹，其特征在于，超声冲击冲击微锻造技术可以消除非晶涂层中残余应力、以及改变涂层的应力状态，将残余拉应力转变为压应力。
所述超声冲击冲击微锻造技术可以消除非晶涂层中残余应力，其原理为：超高速激光熔覆制备非晶涂层的特点是“快速凝固”；而且通常情况下，低温下(室温与玻璃转化温度之间)非晶合金热膨胀系数远小于晶体合金；这种材料物理性质参数的差异和快速冷却条件造成了非晶合金涂层存在高的残余拉应力，高的残余拉应力是非晶涂层中裂纹产生的力学原因。超声冲击作用区域选在非晶涂层处于过冷液相区(玻璃转化温度与晶化温度之间)内，在这个温度下非晶合金有良好的塑性变形能力，超声冲击头的机械作用和超声能场的耦合作用可以加速非晶涂层的延展，这可以降低凝固过程中由于涂层材料和基体热膨胀系数差异引起的残余拉应力，而且会产生压应力，这些残余压应力可以用于补偿后续冷却过程中产生的拉应力。
所述超声冲击冲击微锻造技术，可用于消除非晶涂层的宏观裂纹，其特征在于，超声冲击冲击微锻造技术消除非晶涂层中的气孔和夹渣等因冶金缺陷产生的裂纹源。
所述超声冲击冲击微锻造技术消除非晶涂层中的气孔和夹渣等冶金缺陷，其原理为：超高速激光熔覆制备非晶涂层的特点是“熔化-沉积-凝固-冷却”，在这一过程中，非晶涂层中会存在气孔、夹渣等内部缺陷以及表面粗糙等外部缺陷，这种缺陷的位置往往是裂纹产生的位置(裂纹源)。超声冲击作用区域选在非晶涂层处于过冷液相区(玻璃转化温度与晶化温度之间)内，超声冲击头的机械作用和超声能场的耦合作用可以加速非晶涂层的延展，可以减少涂层内部的气孔、夹渣等内部缺陷以及降低表面粗糙度，减少裂纹源。
所述的超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征在于，所述超高速激光熔覆技术为激光送粉增材制造领域，采用的激光光内送料技术。所述光内送料技术与传统的光外送料技术具有下列优势：(1)粉末的运动轨迹为直线状与重力、气载压力、惯性力的作用方向一致，发散角小，粉末输送过程中不与光束发生干涉，显著提高材料利用率；(2)光束包裹着金属粉末，减少了合金与空气及其他杂质的接触的几率，可有效防止粉末氧化；(3)粉末在光束作用中可充分吸收能量，提高加热效率；(4)减少液滴、粉末和粉尘等的飞溅，有利于改善增材制造工作舱内的环境，提高非接触光学在线监测系统的测量精度。
所述的超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征在于，所述非晶涂层能为任何种类的非晶涂层，包括铁基非晶、镍基非晶、锆基非晶、铝基非晶、铜基非晶、钛基非晶以及易产生裂纹的高熵合金涂层。
所述的超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征在于，所述金属材料的形状可以为粉体，以及用于沉积成形工艺的其他可流动金属形态。
下面结合附图，以制备一种铁基非晶涂层为例，进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，超声冲击辅助制备铁基非晶涂层的工艺流程如下：
步骤1，工件除油除锈，安装定位；
步骤2，铁基非晶金属粉末烘干，装入送粉器中；
步骤3，设定激光功率、光斑直径、行走速度、送粉速率，开启超高激光熔覆设备，运行方向如图1所示；
步骤4，设定超声功率、超声频率，开启超声冲击装备，冲击头作用区域如图1所示，该区域温介于度玻璃转化温度与晶化温度之间；
步骤5，熔覆加工完毕，铁基非晶涂层自然冷却至室温；
步骤6，用无水乙醇清洗非晶涂层，清洗后晾干。
图2和图3分别给出了现有传统超高速激光熔覆制备的非晶合金涂层的金相组织和超声冲击辅助超高速激光熔覆制备的非晶涂层的金相组织。由图2可见，由于残余应力的作用，涂层中产生了贯穿性的裂纹；而在图3中，由于超声能场的作用效果，消除了涂层中的脆性裂纹，得到了高性能的非晶合金涂层。

Claims (3)

1.一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征是，将超高速激光熔覆技术与超声冲击微锻造技术集成一体复合使用，具体包括如下步骤：
步骤一，工件除油除锈，安装定位；
步骤二，非晶金属粉末烘干，装入送粉器中；
步骤三，设定激光功率、光斑直径、行走速度、送粉速率，开启超高激光熔覆设备；
步骤四，设定超声功率、超声频率，开启超声冲击装备，超声冲击头作用于已凝固涂层的特定区域，所述特定区域为温度处于玻璃转化温度与晶化温度之间的区域；超声冲击区在激光融化区的后面；
步骤五，熔覆加工完毕，非晶涂层自然冷却至室温；
步骤六，用无水乙醇清洗非晶涂层，清洗后晾干得到超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层。
2.根据权利要求1所述超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征是，所述非晶金属粉末包括铁基非晶、镍基非晶、锆基非晶、铝基非晶、铜基非晶和钛基非晶。
3.根据权利要求1或2所述超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的方法，其特征是，所述超高激光熔覆设备采用激光光内同步送粉添料方式，利用高能密度的激光束使非晶金属粉末与高速运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固成型。
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