CN111501038A - 一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高速激光熔覆技术，特指一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法。该方法首先在工件表面超高速激光熔覆一层铁基涂层，然后关闭送粉器并调整激光功率、扫描速度和激光头焦点位置，往回对涂层进行一次激光扫描实现二次熔化和再结晶，如此往复直至加工到需要的涂层厚度。本发明通过激光二次扫描使涂层熔化和再结晶，解决超高速激光熔覆层表面颗粒附着问题和多层超高速激光熔覆层间缺陷问题，改善铁基涂层的组织和综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及超高速激光熔覆技术，特指一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法。
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，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈现冶金结合的熔覆层，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。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，在工程机械、航空航天行业、冶金领域具有广泛的应用前景，成为可替代传统电镀技术的一种绿色再制造工艺。
回转类零件例如轴类零件、液压支架、轧辊、立柱以及海洋平台管道等，对外表面或内表面均有耐磨性或耐蚀性等要求，是表面处理行业中的一个主要应用领域。铁基合金粉末具有良好的硬度、致密性和结合强度等优点广泛应用于激光熔覆制造中。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、气孔等制造缺陷以及涂层表面出现半熔化和未熔化颗粒附着等问题，使得表面粗糙度较大，由此增加了后续二次加工的工作量，严重增加企业的生产成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的：
一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：
(1)将待加工的金属工件打磨、抛光，并用酒精清洗备用；
(2)将所需的铁基粉末进行筛粉、烘干，处理后的铁基粉末装入送粉器；
(3)将待加工的金属工件安装在超高速激光熔覆的加工机床上面，利用卡盘和顶针夹紧；
(4)调节超高速激光熔覆的加工头，使激光焦点位置位于工件正上方1-5mm处，调节送粉装置的喷嘴使粉末焦点与激光焦点重合；
(5)设置加工参数，打开送粉器，开启超高速激光熔覆加工系统，沿着金属工件的轴向方向完成第一层铁基涂层的熔覆。
(6)将超高速激光熔覆的加工头向上抬2mm，依次将步骤(5)中的超高速激光熔覆的激光功率下调5-15％，扫描速度下调20-50％，不打开送粉器并调整加工程序中X轴的移动方向为步骤(5)中的工件轴向的逆方向，移动距离相同；开启超高速激光熔覆加工系统，保持其他超高速激光熔覆的参数不变，对步骤(5)中已加工的第一层铁基涂层进行激光二次扫描熔化和再结晶。
(7)测量经过步骤(5)和(6)加工后的铁基涂层厚度，将超高速激光熔覆的加工头向上抬与铁基涂层厚度等值的高度进行第二层的激光熔覆加工和激光二次扫描熔化和再结晶，激光熔覆加工和激光二次扫描熔化和再结晶的激光工艺参数分别与步骤(5)、(6)相同，如此往复直至加工到所需厚度的铁基涂层。
2.步骤(1)中，所述金属工件特指包括轴、阀在内的回转类零件。
3.步骤(2)所述铁基粉末能够用铁基陶瓷混合粉末替代，粉末粒度均为15-53μm。
4.步骤(3)所述超高速激光熔覆的加工机床为三轴联动的数控机床，X轴的最大工作行程为3500mm，移动速度为0-10000mm/min；Y轴的最大工作行程为350mm，移动速度为0-10000mm/min，Z轴的最大工作行程为350mm，移动速度为0-3000mm/min，主轴伺服转速0-300r/min，手动三爪卡盘直径为Ф640mm。
5.步骤(4)所述送粉装置为超高速激光熔覆专用的双筒同轴送粉器，送粉速度为30～150g/min，输送距离1.5～6m。
6.步骤(5)所述超高速激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为0.5～3mm，激光功率为1500-8000W，扫描速度为10～200m/min，搭接率为60～80％，氩气保护气流为10～15L/min。
本发明公开一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层，旨在已有的超高速激光熔覆制备铁基涂层的基础上，通过对涂层表面进行激光二次输入实现铁基涂层熔化和再结晶，提高铁基涂层的组织和综合性能。
本发明的有益效果为：
(1)对于单层铁基涂层，本发明可以有效改善表面的未熔化和半熔化粉末附着问题，减少后续二次加工工作量，极大提高工作效率并节约企业生产成本。
(2)对于有厚度要求的铁基涂层的制备，解决多层超高速激光熔覆过程中层间未熔颗粒、裂纹和气孔等缺陷问题，改善铁基涂层的组织和综合性能。
附图说明
图1为本发明提供的方法制备的铁基涂层的示意图，1为步骤(6)得到的二次熔化和再结晶层，2为步骤(5)得到的超高速激光熔覆层，3为金属工件。
图2为本发明实施例截面显微图，(a)为超高速激光熔覆铁基涂层的截面显微图，(b)为激光复合超高速激光熔覆铁基涂层的截面显微图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施作进一步详述，但本发明不仅限于实施例。
以一种管件表面制备超高速激光熔覆铁基合金熔覆层为例。
(1)将待加工的金属管件打磨、抛光、并用酒精清洗烘干备用，其中管件的直径为200mm，壁厚为8mm，长度为500mm；
(2)将所需的铁基合金粉末进行筛粉、烘干处理后装入送粉器，铁基合金粉末的主要元素和质量比为：0.1％C，16.72％Cr，1.0％Si，0.41％Mn，4.39％Ni，1.73％Mo，余量为Fe，粉末粒度为15-53μm；
(3)将待加工的金属管件安装在超高速激光熔覆的加工机床上面，利用卡盘和顶针夹紧并调整和矫正待加工金属管件与卡盘的同轴度误差在0.1mm之内；
(4)调节超高速激光熔覆的加工头，使激光焦点位置位于工件正上方2.4mm处，调节送粉喷嘴使粉末焦点与激光焦点重合；
(5)设置加工参数，超高速激光熔覆的激光光斑直径为1.2mm，激光功率为3800W，扫描速度为40m/min，搭接率为75％，氩气保护气流为12L/min，打开送粉器，设置送粉速度为50g/min，开启超高速激光熔覆加工系统，沿着金属工件的轴向方向完成300mm长度(200mm为夹持部分)的第一层铁基涂层的熔覆。
(6)将超高速激光熔覆的加工头向上抬2mm，依次将超高速激光熔覆的激光功率下调至3400W，扫描速度下调至24m/min，不打开送粉器并调整加工程序中X轴的移动距离为-300mm，保持其他激光熔覆工艺参数不变，开启超高速激光熔覆加工系统，对步骤(5)中已加工的第一层铁基图层进行激光二次扫描熔化和再结晶。
附2图(b)显示了应用本发明的方法实现的超高速激光熔覆层的截面显微图，与未采用二次激光扫描熔化和再结晶过程得到的熔覆层横截面的显微图(a)相比较，层间气孔和未熔颗粒明显改善，表面也不存在未熔颗粒附着现象，显著提高表面的平整度，减少二次加工的工作量。
Claims (6)
1.一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将待加工的金属工件打磨、抛光，并用酒精清洗备用；
(2)将所需的铁基粉末进行筛粉、烘干，处理后的铁基粉末装入送粉器；
(3)将待加工的金属工件安装在超高速激光熔覆的加工机床上面，利用卡盘和顶针夹紧；
(4)调节超高速激光熔覆的加工头，使激光焦点位置位于工件正上方1-5mm处，调节送粉装置的喷嘴使粉末焦点与激光焦点重合；
(5)设置加工参数，打开送粉器，开启超高速激光熔覆加工系统，沿着金属工件的轴向方向完成第一层铁基涂层的熔覆；
(6)将超高速激光熔覆的加工头向上抬2mm，依次将步骤(5)中的超高速激光熔覆的激光功率下调5-15％，扫描速度下调20-50％，不打开送粉器并调整加工程序中X轴的移动方向为步骤(5)中的工件轴向的逆方向，移动距离相同；开启超高速激光熔覆加工系统，保持其他超高速激光熔覆的参数不变，对步骤(5)中已加工的第一层铁基涂层进行激光二次扫描熔化和再结晶；
(7)测量经过步骤(5)和(6)加工后的铁基涂层厚度，将超高速激光熔覆的加工头向上抬与铁基涂层厚度等值的高度进行第二层的激光熔覆加工和激光二次扫描熔化和再结晶，激光熔覆加工和激光二次扫描熔化和再结晶的激光工艺参数分别与步骤(5)、(6)相同，如此往复直至加工到所需厚度的铁基涂层。
2.如权利要求1所述的一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属工件特指包括轴、阀在内的回转类零件。
3.如权利要求1所述的一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，步骤(2)所述铁基粉末能够用铁基陶瓷混合粉末替代，粉末粒度均为15-53μm。
4.如权利要求1所述的一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，步骤(3)所述超高速激光熔覆的加工机床为三轴联动的数控机床，X轴的最大工作行程为3500mm，移动速度为0-10000mm/min；Y轴的最大工作行程为350mm，移动速度为0-10000mm/min，Z轴的最大工作行程为350mm，移动速度为0-3000mm/min，主轴伺服转速0-300r/min，手动三爪卡盘直径为Ф640mm。
5.如权利要求1所述的一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，步骤(4)所述送粉装置为超高速激光熔覆专用的双筒同轴送粉器，送粉速度为30～150g/min，输送距离1.5～6m。
6.如权利要求1所述的一种激光复合超高速激光熔覆制备高性能铁基涂层的方法，其特征在于，步骤(5)所述超高速激光熔覆的工艺参数为：光斑直径为0.5～3mm，激光功率为1500-8000W，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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