CN111519182A - 交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置 - Google Patents

交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置。该装置包括：横向直流磁场发生装置、纵向交流磁场发生装置与位置移动机构，发明方法为把基材放置于带夹具的上支撑板上，通过控制器分别开启交直流电源器的交/直流电源模块对矩形励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ供电，同步产生纵向交流磁场和横向稳恒直流磁场；同时控制器控制位置移动机构和机器人，让移动螺母带着交流磁场发生装置实现与激光熔覆头随动，确保方形硅钢的上端部始终对应于激光熔池，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用。本发明通过交流磁场与直流磁场的协同作用对激光熔覆高熵合金涂层中的微观组织形态与溶质分布进行有效调控，可获得组织分布均匀，成分偏析得到显著改善的高性能高熵合金涂层。

Description

交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法与装置
技术领域
本发明涉及高熵合金涂层制备技术领域，具体涉及交流磁场与直流磁场协同调控激光熔覆高熵合金涂层组织与成分的方法。
背景技术
高熵合金(High-entropy alloy(HEA))是由5种以上元素组元以等原子比或近等原子比组成的多组元。与传统合金相比，高熵合金具有高硬度、高强度、高耐蚀、高耐磨、高温稳定性等优异特性。对高熵合金的制备主要集中在块体、薄膜和涂层。其中块体和薄膜高熵合金由于存在制备成本高、易产生冶金缺陷、难以制备大尺寸、复杂结构的构件与薄膜厚度低、结合强度不高等不足，使其工业应用存在一定的局限性。鉴于许多零部件的使用性能取决于其表面性能，因而采用表面涂层技术在零部件表面制备高熵合金涂层是充分利用高熵合金优异性能、提高零部件使用寿命的最有效途径。激光熔覆具有稀释率小、与工件结合强度高、凝固组织致密、热影响区和变形小、易于实现自动化生产、适用材料体系广泛等优势，已成为当前研究最为活跃的表面涂层制备工艺。
但由于高熵合金粉末中合金元素众多且不同种类金属元素之间的热物理性能存在较大差异，并且由于激光熔覆技术即热骤冷特点，较大的温度梯度易导致熔覆层存在严重成分偏析及凝固组织可控性差等诸多问题，因而激光熔覆难以得到成分均匀的高熵合金涂层，这严重限制了该技术在高性能高熵合金涂层制备领域的进一步发展与应用。
激光熔覆过程中熔池内存在的对流、传热与传质直接影响熔池中合金元素的分布、组织的生长与缺陷的形成，通过施加热场、振动场、电磁场等特种能场调控熔池凝固过程进而减少熔覆层内部的冶金缺陷是近几年发展起来辅助制备熔覆涂层的新技术。相较于外加热场和振动场，利用电磁场辅助激光制造可以将能量输入到熔体中诱发无接触的洛伦兹力间接地改变凝固过程中传热与传质，并最终影响凝固组织及其性能。电磁场以其调控形式多样、装置简单、调控效果好等优点，已经在工业生产过程中得到应用。
而将磁场应用于激光熔覆高熵合金涂层制备甚少，目前磁场主要应用于高熵合金块体材料的制备如申请号为“201910367596 .1”的“利用磁场提高AlCoCrCuFeNi高熵合金力磁性能的方法”和“201910367594 .2”的“利用磁场提高CrCoNi中熵合金力学性能的方法”，并且主要为单一磁场辅助为主，而将交/直流复合磁场应用于高熵合金块体制备甚少，并且尚未发现交/直流复合磁场协同辅助激光熔覆制备高熵合金涂层，根据激光熔覆高熵合金涂层及单一磁场的工艺特点，直流磁场对熔池的作用主要体现为弱磁场下的热电磁对流效应，可对成分偏析进行有效改善；而交流磁场虽搅拌力较大，能较好的破碎枝晶，但是熔池存在时间极短，因而无法实现元素的全面均匀搅拌。
综上所述，鉴于单一磁场在各自领域应用中存在的不足，将两者进行复合形成交/直流磁场辅助激光熔覆制备高熵合金涂层是一种不错的思路。
发明内容
本发明的目的是针对现有高熵合金涂层激光熔覆制备中元素众多导致的成分偏析和巨大温度梯度导致的组织分布不均匀等问题，发明一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高性能高熵合金涂层的方法，同时提供一种相应的装置，它通过交流磁场与直流磁场的协同作用对激光熔覆高熵合金涂层中的微观组织形态与溶质分布进行有效调控，进而获得组织分布均匀，成分偏析等到显著改善的高性能高熵合金涂层。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于它包括如下步骤：
A. 将基材用砂纸打磨并用酒精清洗吹干后放置于带夹具的上支撑板上；将配比好的高熵合金粉末在球磨机里球磨，将经球磨好后的高熵合金粉末由筛粉机筛出粒度范围为200～300目的粉末作为激光熔覆用粉末；
B. 通过控制器控制交直流电源器，开启直流电源模块对励磁线圈Ⅱ供电，产生横向稳恒直流磁场；
C. 同步开启交流电源模块对矩形励磁线圈Ⅰ供电，产生纵向交流磁场，并通过方形硅钢增大在线圈上端部的磁场强度；
D. 控制器发出信号，打开激光器进行交/直流磁场协同辅助激光熔覆加工，主要工艺参数区间为：激光功率1200~1800w，扫描速度为12~15mm/s，送粉速率为8-12g/min，光斑直径1-3mm，氩气流量15～25L/min；
E. 同时控制器控制位置移动机构和机器人，让移动螺母带着交流磁场发生装置实现与激光熔覆头随动，确保方形硅钢的上端部始终对应于激光熔池，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用，实现对激光熔池的充分搅拌；
F. 重复步骤A-E，直至完成整个基材表面的单层多道激光熔覆涂层制备。
进一步的，所述基材为镍基高温合金，所用高熵合金粉末为AlCoCrFeNiHf高熵合金粉末，各组分的质量百分比为：22%～26% 的 Al，20%～24%的Co，15～18%的Cr，12%～14%的Fe，20%～25%的Ni，0%～2%的Hf，各个组分纯度均大于等于99%。
进一步的，产生横向稳恒直流磁场强度为0.1mT~500mT；所需稳恒直流磁场的强度大小依据哈脱曼数来确定，通过合理控制哈脱曼数可实现热电磁流体效应在熔池凝固过程中占主导作用。
进一步的，纵向交流磁场强度为0.1mT~200mT；
此外本发明还提供一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，它包括：
横向直流磁场发生装置和可移动纵向交流磁场发生装置，所述横向直流磁场发生装置包括励磁线圈Ⅱ(10)为亥姆霍兹线圈、交直流电源器(15)，所述励磁线圈Ⅱ(10)为亥姆霍兹线圈左右对称放置在带夹具的带夹具的上支撑板（9）上；所述励磁线圈Ⅱ(10)与交直流电源器（15）的直流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制直流电源模块产生所需的稳恒磁场强度参数；所述可移动交流磁场发生装置，包括纵向交流磁场发生装置与位置移动机构，所述纵向交流磁场发生装置包括矩形励磁线圈Ⅰ（7），方形硅钢（8），交直流电源器(15)，所述方形硅钢（8）嵌入矩形励磁线圈Ⅰ（7）中并且整体放置于移动螺母（6）的中心位置处，所述方形硅钢（8）的厚度为1cm，所述方形硅钢（8）端部超出矩形励磁线圈Ⅰ（7）1cm，所述方形硅钢（8）距离带夹具的上支撑板0.5cm间隙；所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）与交直流电源器（15）的交流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制交流电源模块产生所需的交流磁场强度，所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）的宽度大于基材（11）宽度，左右各超出0.5cm，用于确保交流磁场均匀全覆盖于激光熔覆加工区域；所述位置移动机构包括移动螺母（6），丝杠（5），下支撑板（3），支撑杆（4），所述移动螺母（6）与丝杠（5）构成螺旋传动，所述移动螺母（6）带着交流磁场发生装置沿着下支撑板（3）的凹槽左右移动，所述下支撑板（3）内凹槽的宽度大于移动螺母的宽度0.5cm，保证间隙配合，所述丝杠（5）与支撑杆（4）通过轴承连接；所述交流磁场发生装置的运动轨迹通过控制器控制位置移动机构和机器人实现与激光熔覆头随动，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用，实现对激光熔池的充分搅拌。
本发明的有益效果：本发明根据激光熔覆高熵合金涂层的工艺特点，针对单一直流磁场下的热电磁对流效应，虽可改善激光熔池内部成分偏析但组织细化效果较差，与单一交流磁场下的电磁搅拌力虽能较好的破碎枝晶但很难实现组分元素的全面均匀搅拌等不足，将两者进行复合形成交/直流磁场辅助激光熔覆，即在进行交流磁场辅助的同时施加直流磁场，弥补交流磁场元素均化效果较差的不足；同时在直流磁场中引入交流磁场可以弥补组织细化效果不显著的问题，获得组织分布均匀、成分偏析得到明显改善的高性能高熵合金涂层。
附图说明
图1是本发明的交/直流磁场协同辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置示意图。
图2 是本发明的矩形励磁线圈与方形硅钢截面示意图；
图3是本发明实施例中获得的AlCoCrFeNiHf高熵合金涂层截面形貌图；
图4是本发明实施例中获得的AlCoCrFeNiHf高熵合金涂层显微组织图。
图中：1. 固定工作台；2. 机器人；3. 下支撑板；4. 支撑杆；5. 丝杠；6. 移动螺母；7.矩形励磁线圈Ⅰ；8. 方形硅钢；9. 带夹具的上支撑板；10. 励磁线圈Ⅱ；11. 基材；12. 激光熔覆头；13. 涂层；14.电机；15. 交直流电源器；16. 控制器。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例 1
在本实施例中，参见图1，一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，它包括如下步骤：
A. 将40mm*40mm*6mm的IN718镍基高温合金用800#砂纸打磨并用酒精清洗吹干后放置于带夹具的上支撑板上；将配比好的AlCoCrFeNiHf高熵合金粉末在球磨机里球磨3小时，将经球磨好后的高熵合金粉末由筛粉机筛出粒度范围为200～300目的粉末作为激光熔覆用粉末；
B. 通过控制器控制交直流电源器，开启直流电源模块对励磁线圈Ⅱ供电，供电电流20A，产生100mT的横向稳恒直流磁场；
C. 同步开启交流电源模块对矩形励磁线圈Ⅰ供电，交流电流为10A，产生35mT的纵向交流磁场，并通过方形硅钢增大在线圈上端部的磁场强度，经HT100高斯计实际测量作用基材上面的交流磁场强度为45mT；
D. 控制器发出信号，打开激光器进行交/直流磁场协同辅助激光熔覆加工，主要工艺参数区间为：激光功率1600w，扫描速度为12mm/s，送粉速率为10g/min，光斑直径5mm，氩气流量20L/min；
E. 同时控制器控制位置移动机构和机器人，让移动螺母带着交流磁场发生装置实现与激光熔覆头随动，确保方形硅钢的上端部始终对应于激光熔池，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用，实现对激光熔池的充分搅拌；
F. 重复步骤A-E，直至完成整个基材表面的单层多道激光熔覆涂层制备。
1. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述AlCoCrFeNiHf高熵合金粉末的各组分质量百分比为：25% 的 Al，20%的Co，18%的Cr，12%的Fe，24%的Ni，1%的Hf，各个组分纯度均大于等于99%。
在本实施例中，参见图 1和图2，一种交/直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，包括横向直流磁场发生装置、纵向交流磁场发生装置和位置移动机构，所述横向直流磁场发生装置包括励磁线圈Ⅱ(10)、交直流电源器(15)，所述励磁线圈Ⅱ(10)左右对称放置在带夹具的带夹具的上支撑板（9）上；所述励磁线圈Ⅱ(10)与交直流电源器（15）的直流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制直流电源模块产生所需的稳恒磁场强度参数；所述纵向交流磁场发生装置包括矩形励磁线圈Ⅰ（7），方形硅钢（8），交直流电源器(15)，所述方形硅钢（8）嵌入矩形励磁线圈Ⅰ（7）中并且整体放置于移动螺母（6）的中心位置处，所述方形硅钢（8）的厚度为1cm，所述方形硅钢（8）端部超出矩形励磁线圈Ⅰ（7）1cm，所述方形硅钢（8）距离带夹具的上支撑板0.5cm间隙；所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）与交直流电源器（15）的交流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制交流电源模块产生所需的交流磁场强度，所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）的宽度为50mm，左右各超出0.5cm，用于确保交流磁场均匀全覆盖于激光熔覆加工区域；所述位置移动机构包括移动螺母（6），丝杠（5），下支撑板（3），支撑杆（4），所述移动螺母（6）与丝杠（5）构成螺旋传动，所述移动螺母（6）带着交流磁场发生装置沿着下支撑板（3）的凹槽左右移动，所述下支撑板（3）内凹槽的宽度大于移动螺母的宽度0.5cm，保证间隙配合，所述丝杠（5）与支撑杆（4）通过轴承连接；所述交流磁场发生装置的运动轨迹通过控制器控制位置移动机构和机器人实现与激光熔覆头随动，让每一时刻的熔池均受到等强度的交/直流磁场协同作用，实现对激光熔池的充分搅拌。
实施例2
此实施例中获得的AlCoCrFeNiHf高熵合金涂层截面形貌与显微组织如图3和4所示，可知涂层与基材的交界处无孔隙与裂纹等缺陷，已实现良好冶金结合，同时显微组织均已形成细小的等轴晶组织形态，组织分布更加均匀。各合金元素微观偏析度相较于无复合磁场辅助的高熵合金涂层均下降30%以上，偏析比更加接近于1。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，其特征在于，它包括：
横向直流磁场发生装置、纵向交流磁场发生装置和位置移动机构，所述横向直流磁场发生装置包括励磁线圈Ⅱ(10)、交直流电源器(15)，所述励磁线圈Ⅱ(10)左右对称放置在带夹具的带夹具的上支撑板（9）上；所述励磁线圈Ⅱ(10)与交直流电源器（15）的直流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制直流电源模块产生所需的稳恒磁场强度参数；所述纵向交流磁场发生装置包括矩形励磁线圈Ⅰ（7），方形硅钢（8），交直流电源器(15)，所述方形硅钢（8）嵌入矩形励磁线圈Ⅰ（7）中并且整体放置于移动螺母（6）的中心位置处；所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）与交直流电源器（15）的交流电源模块相连，所述交直流电源器(15)与控制器(16)相连，控制器(16)通过控制交流电源模块产生所需的交流磁场强度；所述位置移动机构包括移动螺母（6），丝杠（5），下支撑板（3），支撑杆（4），所述移动螺母（6）与丝杠（5）构成螺旋传动，所述移动螺母（6）带着交流磁场发生装置沿着下支撑板（3）的凹槽左右移动，所述丝杠（5）与支撑杆（4）通过轴承连接；所述交流磁场发生装置的运动轨迹通过控制器控制位置移动机构和机器人实现与激光熔覆头随动，让熔池受到等强度的交/直流磁场协同作用。
2.根据权利要求1所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，其特征在于，所述方形硅钢（8）端部超出矩形励磁线圈Ⅰ（7）1cm，所述方形硅钢（8）距离带夹具的上支撑板0.5cm间隙。
3.根据权利要求1所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，其特征在于，所述矩形励磁线圈Ⅰ（7）的宽度大于基材（11）宽度，左右各超出0.5cm。
4.根据权利要求1所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，其特征在于，所述下支撑板（3）内凹槽的宽度大于移动螺母的宽度0.5cm，间隙配合。
5.交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于，使用权利要求1至4任何之一的交/直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的装置，包括如下步骤：
A.将基材放置于带夹具的上支撑板上；准备好激光熔覆用粉末；
B.控制交直流电源器，开启直流电源模块对励磁线圈Ⅱ供电，产生横向稳恒直流磁场；
C.同步开启交流电源模块对矩形励磁线圈Ⅰ供电，产生纵向交流磁场，并通过方形硅钢增大在线圈上端部的磁场强度；
D.打开激光器进行交/直流磁场协同辅助激光熔覆加工，主要工艺参数区间为：激光功率1200~1800w，扫描速度为12~15mm/s，送粉速率为8-12g/min，光斑直径1-3mm，氩气流量15～25L/min；
E.控制位置移动机构和机器人，让移动螺母带着交流磁场发生装置实现与激光熔覆头随动，确保方形硅钢的上端部始终对应于激光熔池，让激光熔池受到等强度的交/直流磁场协同作用，实现对激光熔池的充分搅拌；
重复步骤A-E，直至完成整个基材表面的单层多道激光熔覆涂层制备。
6.根据权利要求5所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于，所述基材为镍基高温合金，所用高熵合金粉末为AlCoCrFeNiHf高熵合金粉末，各组分的质量百分比为：22%～26%的 Al，20%～24%的Co，15～18%的Cr，12%～14%的Fe，20%～25%的Ni，0%～2%的Hf，各个组分纯度均大于等于99%。
7.根据权利要求5所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于，产生横向稳恒直流磁场强度为0.1mT~500mT；所需稳恒直流磁场的强度大小依据哈脱曼数来确定，通过合理控制哈脱曼数可实现热电磁流体效应在熔池凝固过程中占主导作用。
8.根据权利要求5所述交直流复合磁场辅助激光熔覆高熵合金涂层的方法，其特征在于，纵向交流磁场强度为0.1mT~200mT。
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