CN111485235B - 激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法，通过对待改性材料涂覆隔热层、预热、使用负离焦工艺参数等方式，控制激光冲击熔注过程中注入熔池的微细颗粒温度与熔池温度的比值，从而促进微细颗粒在激光冲击熔注过程中实现晶内分布，同时促进了激光冲击效应的形成，使微细颗粒注入率得到提高，且具有简便易行的特点。

Description

激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法
技术领域
本发明属于激光表面处理技术领域，涉及激光冲击熔注微细颗粒技术，具体地说是一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法。
背景技术
激光冲击熔注微细颗粒技术(中国专利201710713879.8)，是一项能够实现微细颗粒改性的激光表面处理新技术。该技术的核心思想是，在待改性材料表面涂覆含微细颗粒的可透光预置层，并在可透光预置层上覆盖约束层，当激光束辐照预置层时，一部分激光会透过约束层和预置层加热基体使基体表面形成熔池，一部分激光透过约束层诱导可透光预置层中的粘结剂气化并在约束层约束下形成冲击效应，从而以冲击功为微细颗粒的熔注力将微细颗粒注入基体熔池，所注入的微细颗粒来不及熔化在熔池凝固过程中被“冻结”，从而在材料表面形成微细颗粒增强的改性层。
微细颗粒是一种优良的改性材料，其在颗粒增强的金属基复合材料(改性层)中一般以三种形式分布，即晶内型、晶界型和混合型。不同微细颗粒的分布类型，对改性后的最终性能有着很大的影响。其中，晶内型主要起细晶强化的作用，而晶界型则主要起第二相强化的作用，混合型则微细颗粒既有在晶内分布也有在晶界分布。根据申请人大量实验研究表明，激光冲击熔注微细颗粒其微细颗粒分布属于混合型，而且分布在晶界上的比例较大。众所周知，细晶强化相对于第二相强化等，其不仅强度、硬度提高而且塑性韧性也同时得到改善。换言之，若能够在激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布，微细颗粒则可望发挥更好的改性作用。
通过对国内外相关文献的检索，据申请人所知，目前尚未发现一种可以在激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法可供使用，一定程度上制约了微细颗粒改性作用的充分发挥。
发明内容
本发明的目的是针对激光冲击熔注微细颗粒改性层中微细颗粒在晶界上分布比例较大而造成微细颗粒改性作用发挥不够充分的问题，发明一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法。
本发明的技术方案是：
一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法，其特征是：在激光冲击熔注微细颗粒时，首先在待改性材料表面先涂覆隔热层，再涂覆可透光含微细颗粒预置层，并覆盖好约束层；然后，将涂覆好隔热层、预置层并覆盖好约束层的待改性材料预热至200～350℃；随后，调节激光器焦点处于待改性材料与隔热层结合处的下方1～3mm处后，开始进行激光冲击熔注；从而，保证激光冲击熔注过程中注入熔池的微细颗粒的温度与熔池的温度比值范围在0.8～0.95，避免由于微细颗粒温度高于熔池温度而起到“反向加热”作用，从而促进微细颗粒在激光冲击熔注过程中实现晶内分布。
所述隔热层是指将隔热层材料分散或溶解于醇水混合物中制成浆料或溶液，然后涂覆在待改性材料表面并烘干，隔热层材料最好采用制备可透光含微细颗粒预置层时所使用的粘结剂。
所述隔热层的涂覆厚度为30μm～50μm，烘干后气孔率控制在50％～60％，从而保证其具有足够粘附力的同时能够拥有良好的隔热能力。
所述将待改性材料预热，可以是使用感应线圈加热装置预热后再放置在工作台上进行激光冲击熔注，也可以是在工作台上增加一个感应线圈加热装置对待改性材料进行预热，加热时间控制在5～8s，且最好在预热结束后不超过10s时间内进行激光冲击熔注。
所述待改性材料为金属，微细颗粒以及粘结剂为导电性差的非金属材料，从而保证预热待改性材料仅加热金属材料。
所述预置层厚度为300～500μm。所述待改性材料为钛合金。所述的微细颗粒为陶瓷颗粒。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述方法，通过对待改性材料涂覆隔热层、预热、使用负离焦工艺参数等方式，控制激光冲击熔注过程中注入熔池的微细颗粒温度与熔池温度的比值，从而促进微细颗粒在激光冲击熔注过程中实现晶内分布。
(2)本发明所述方法中对待改性材料实施的预热，提高了待改性材料温度促使其表面更易形成熔池以及增加熔池的流动性，同时促进了激光冲击效应的形成使微细颗粒注入率得到提高，而对注入熔池的微细颗粒的温度几乎不产生影响。
(3)本发明方法简便易行，可促使微细颗粒在激光冲击熔注过程中在晶内分布比例的大幅提升。
附图说明
图1是采用本发明所述方法在TC11钛合金表面激光冲击熔注微细WC颗粒改性层高倍SEM形貌图。
图2是采用常规方法在TC11钛合金表面激光冲击熔注微细WC颗粒改性层高倍SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但这不能用于对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
如图1-2所示。
一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法，它包括以下步骤：
首先，在待改性材料表面先涂覆隔热层，再涂覆可透光含微细颗粒预置层，并覆盖好约束层；所述隔热层是指将隔热层材料分散(或溶解)于醇水混合物中制成浆料(或溶液)，然后涂覆在待改性材料表面并烘干，隔热层材料最好采用制备可透光含微细颗粒预置层时所使用的粘结剂。所述隔热层的涂覆厚度为30μm～50μm，烘干后气孔率控制在50％～60％，从而保证其具有足够粘附力的同时能够拥有良好的隔热能力。待改性材料为金属(如钛合金等)，微细颗粒以及使用的粘结剂为导电性差的非金属材料(陶瓷或塑料)，从而保证预热待改性材料仅加热金属材料。所述预置层厚度为300～500μm。
然后，将涂覆好隔热层、预置层并覆盖好约束层的待改性材料预热至200～350℃；所述将待改性材料预热，可以是使用感应线圈加热装置预热后再放置在工作台上进行激光冲击熔注，也可以是在工作台上增加一个感应线圈加热装置对待改性材料进行预热，加热时间控制在5～8s；
随后，调节激光器焦点处于待改性材料与隔热层结合处的下方1～3mm处后，开始进行激光冲击熔注；且最好在预热结束后不超过10s时间内进行激光冲击熔注。从而，保证激光冲击熔注过程中注入熔池的微细颗粒的温度与熔池的温度比值范围在0.8～0.95，避免由于微细颗粒温度高于熔池温度而起到“反向加热”作用，从而促进微细颗粒在激光冲击熔注过程中实现晶内分布。
实例一：待改性材料为TC11钛合金，粘结剂为NaCl，微细颗粒为平均粒径为1μm的WC颗粒。先将NaCl饱和溶液涂覆在TC11表面并烘干，隔热层厚度为40μm，隔热层气孔率约为55％；然后，涂覆NaCl与WC的混合浆料并烘干，预置层厚度为400μm。
使用感应线圈加热装置对涂覆好的试样进行预热。加热时用红外测温仪对试样侧面温度进行测量，温度达到300℃时立即停止加热。加热温度约为6s。加热完成后，迅速将试样放入特定夹具，并覆盖经镀膜处理后石英玻璃，这一过程控制在10s之内。
对预热后的试样使用连续光纤激光器进行激光冲击熔注加工。激光工艺参数为，光斑直径3mm，激光功400W，激光扫描速度60mm·min-1，离焦量为-1mm(待改性材料与隔热层结合处的下方1mm，离焦量最大为-3mm)。
激光束扫描作用后，在TC11钛合金表面形成了微细WC颗粒改性层。对改性层中部区域进行高倍状态下的形貌观察(图1)可以发现，WC颗粒分布于晶内偏多，晶界分布较少。由于流动性的提高，以及激光冲击效应的加强，WC颗粒分布均匀，而且注入率较高。同时，WC颗粒温度较低没有在其表面看到典型的熔化特征。
对比例：待改性材料、粘结剂、微细颗粒采用实施例中相同材料。除表面无隔热层、离焦量为+1mm之外，其他参数也均与实施例相同。
激光束扫描作用后，在TC11钛合金表面形成了微细WC颗粒改性层。对改性层中部区域进行高倍状态下的形貌观察(图2)可以发现，WC颗粒大多分布于晶界处，只有少量颗粒分布于晶内，并且注入率较低，部分WC颗粒之间存在表层发生了熔化后造成的聚集性粘连的特征。
实例二：待改性材料为TC11钛合金，粘结剂为NaCl，微细颗粒为平均粒径为1μm的WC颗粒。先将NaCl饱和溶液涂覆在TC11表面并烘干，隔热层厚度为30μm，隔热层气孔率约为50％；然后，涂覆NaCl与WC的混合浆料并烘干，预置层厚度为500μm。
使用感应线圈加热装置对涂覆好的试样进行预热。加热时用红外测温仪对试样侧面温度进行测量，温度达到200℃时立即停止加热。加热温度约为5s。加热完成后，迅速将试样放入特定夹具，并覆盖经镀膜处理后石英玻璃，这一过程控制在8s之内。
对预热后的试样使用连续光纤激光器进行激光冲击熔注加工。激光工艺参数为，光斑直径3mm，激光功400W，激光扫描速度60mm·min-1，离焦量为-3mm(待改性材料与隔热层结合处的下方3mm)。
激光束扫描作用后，在TC11钛合金表面形成了微细WC颗粒改性层。对改性层中部区域进行高倍状态下的形貌观察与图1相似，WC颗粒分布于晶内偏多，晶界分布较少。由于流动性的提高，以及激光冲击效应的加强，WC颗粒分布均匀，而且注入率较高。同时，WC颗粒温度较低没有在其表面看到典型的熔化特征。
实例三：待改性材料为TC11钛合金，粘结剂为NaCl，微细颗粒为平均粒径为0.5μm的WC颗粒。先将NaCl饱和溶液涂覆在TC11表面并烘干，隔热层厚度为50μm，隔热层气孔率约为60％；然后，涂覆NaCl与WC的混合浆料并烘干，预置层厚度为300μm。
使用感应线圈加热装置对涂覆好的试样进行预热。加热时用红外测温仪对试样侧面温度进行测量，温度达到350℃时立即停止加热。加热温度约为8s。加热完成后，迅速将试样放入特定夹具，并覆盖经镀膜处理后石英玻璃，这一过程控制在9s之内。
对预热后的试样使用连续光纤激光器进行激光冲击熔注加工。激光工艺参数为，光斑直径3mm，激光功400W，激光扫描速度60mm·min-1，离焦量为-2mm(待改性材料与隔热层结合处的下方2mm)。
激光束扫描作用后，在TC11钛合金表面形成了微细WC颗粒改性层。对改性层中部区域进行高倍状态下的形貌观察与图1类似，WC颗粒分布于晶内偏多，晶界分布较少。由于流动性的提高，以及激光冲击效应的加强，WC颗粒分布均匀，而且注入率较高。同时，WC颗粒温度较低没有在其表面看到典型的熔化特征。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种激光冲击熔注过程中促进微细颗粒实现晶内分布的方法，其特征是：在激光冲击熔注微细颗粒时，首先在待改性材料表面先涂覆隔热层，再涂覆可透光含微细颗粒预置层，并覆盖好约束层；然后，将涂覆好隔热层、预置层并覆盖好约束层的待改性材料预热至200~350℃；随后，调节激光器焦点处于待改性材料与隔热层结合处的下方1~3mm处后，开始进行激光冲击熔注；并保证激光冲击熔注过程中注入熔池的微细颗粒的温度与熔池的温度比值范围在0.8~0.95，避免由于微细颗粒温度高于熔池温度而起到“反向加热”作用，从而促进微细颗粒在激光冲击熔注过程中实现晶内分布；制备隔热层时先将隔热层材料分散或溶解于醇水混合物中制成浆料或溶液，然后涂覆在待改性材料表面并烘干；隔热层材料采用制备可透光含微细颗粒预置层时所使用的粘结剂；所述隔热层的涂覆厚度为30μm~50μm，烘干后气孔率控制在50%~60%，从而保证其具有足够粘附力的同时能够拥有良好的隔热能力；所述将待改性材料预热时使用感应线圈加热装置预热后再放置在工作台上进行激光冲击熔注，或在工作台上增加一个感应线圈加热装置对待改性材料进行预热，加热时间控制在5~8s，且在预热结束后不超过10s时间内进行激光冲击熔注；所述待改性材料为金属，微细颗粒以及粘结剂为导电性差的非金属材料，从而保证预热待改性材料仅加热金属材料；所述待改性材料为钛合金；所述的微细颗粒为陶瓷颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述预置层厚度为300~500μm。
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