CN112635188B - 一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法及设备，涉及永磁材料制作技术领域，主要用于解决现有的钕铁硼永磁材料表面涂敷重稀土元素的方法工艺复杂、重稀土元素分布不均的问题。包括以下步骤：S1、钕铁硼永磁材料预处理；S2、导入真空腔室、过渡腔室；S3、导入涂敷腔室，激光涂敷含重稀土元素的丝材；S4、冷却。其结构包括：传送带，沿其传送带依次设置的酸化池、等静压腔室、真空腔室、过渡腔室、涂敷腔室以及冷却腔室。本发明提供的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法及设备，使用激光涂敷的方法，能将重稀土元素均匀涂敷于钕铁硼永磁材料表面，同时也简化了制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及永磁材料制作技术领域，尤其涉及一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法及设备。
背景技术
钕铁硼永磁材料是当下综合磁性能最佳的一种永磁材料。衡量钕铁硼永磁材料性能的一个重要指标是矫顽力，而目前比较常见的提高矫顽力的方法是在钕铁硼永磁材料中掺杂重稀土元素，如镝(Tb)、铽(Dy)和钬(Ho)。但重稀土元素提取困难、易污染环境、成本高，即使掺杂的重稀土元素的用量很少，也占据了生产成本的很大部分。因此，如何在保证性能的前提下降低重稀土的使用量也是目前研究的一大热点。
使用晶界渗透技术可以有效的减少重稀土元素的使用量。常用的晶界渗透添加重稀土元素的方法包括气相沉积、双合金粉末、热喷涂、浸泡涂敷等。这些方法都是将重稀土元素碾碎成粉末后配置浆料，再将浆料涂敷于钕铁硼永磁材料表面，之后再热处理使重稀土元素渗透进钕铁硼基体。但是，这些方法无法保证粉末具有同样的颗粒度，也无法保证在单位空间内的粉末数量，因此存在重稀土元素分布不均，结合性能差，进而导致重稀土涂敷层易从钕铁硼永磁材料基体脱落的问题。同时，现有的方法还存在工艺复杂的缺陷。另外，现有的钕铁硼永磁材料涂层方法均不能对不规则、表面缺陷多的钕铁硼永磁材料进行涂敷。
发明内容
本发明的目的是提供一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，使用激光涂敷的方法，能将重稀土元素均匀涂敷于钕铁硼永磁材料表面，同时也简化了制备工艺。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种能实现上述方法的设备。
本发明解决前一技术问题的技术方案是：一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，包括以下步骤：
S1、对钕铁硼永磁材料进行预处理；
S2、将钕铁硼永磁材料依次导入真空腔室、过渡腔室；
S3、将钕铁硼永磁材料导入涂敷腔室，利用激光涂敷喷头加热融化含重稀土元素的丝材，并将其熔融体涂敷于钕铁硼永磁材料表面；
S4、将经过激光涂敷处理后的钕铁硼永磁材料导入冷却腔室进行冷却。
作为本发明的更进一步改进，步骤S4后还包括以下步骤：
S5、对冷却后的表面已激光涂敷重稀土元素的钕铁硼永磁材料进行表面抛光和电镀处理。
作为本发明的更进一步改进，所述丝材中至少包含有Tb、Dy、Ho中的任一一种重稀土元素。
作为本发明的更进一步改进，步骤S1中的预处理包括使用硝酸溶液进行酸化处理和等静压处理。
本发明解决第二个技术问题的技术方案是：一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，包括水平设置的传送带，所述传送带上沿其送料方向依次设有酸化池、等静压腔室、真空腔室、过渡腔室、涂敷腔室以及冷却腔室，其中，所述真空腔室、过渡腔室、涂敷腔室为一体式结构；所述涂敷腔室内水平设有能够上下移动的升降平台，所述升降平台上方设有能够水平向匀速移动的激光涂敷喷头。
作为本发明的更进一步改进，所述升降平台上方水平设有沿传送带送料方向布置的第一导向轨道，所述第一导向轨道下部水平设有能沿其延伸方向往复匀速移动的第二导向轨道，所述第一导向轨道与第二导向轨道之间的夹角为90°；所述第二导向轨道下部设有能沿其延伸方向往复匀速移动的喷头安装装置，所述喷头安装装置上设有定位传感器和正对升降平台设置的激光涂敷喷头。
作为本发明的更进一步改进，所述升降平台的两侧竖直设有与其螺纹配合且能轴向转动的丝杆。
作为本发明的更进一步改进，所述激光涂敷喷头包括涂敷喷嘴，所述涂敷喷嘴的上方连接有与其连通的激光腔室，所述激光涂敷喷头还包括包裹设置在涂敷喷嘴和激光腔室外部的的喷头外壳；
所述喷头外壳内壁与涂敷喷嘴、激光腔室之间设有气体通过腔，所述喷头外壳下端设有与涂敷喷嘴的出口同轴设置的喷口，所述喷头外壳上端还设有用于向激光腔室供送丝材和用于向气流通过腔供送导流气体的输入管。
作为本发明的更进一步改进，所述激光腔室内部设有激光发生器，所述涂敷喷嘴内部设有沿其轴线设置且上端与激光腔室连通的绝热管道，所述绝热管道下端正对喷口设置。
作为本发明的更进一步改进，所述涂敷喷嘴的下部外壁为与水平面呈50°夹角设置的漏斗状结构，所述喷头外壳在喷口周围设有内壁与涂敷喷嘴的下部外壁平行设置的导流部。
技术效果
与现有技术相比，本发明的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法及设备的优点为：
1、该方法中，先将重稀土元素材料制成丝材，然后使用激光涂敷的方法将重稀土元素丝材融化成熔融体，并均匀涂敷于钕铁硼永磁材料基体表面，形成一层重稀土元素富集区域。其中，相比于现有的将重稀土元素碾碎成粉末后配置浆料，再将浆料涂敷于钕铁硼永磁材料表面并热处理的方法，激光的高温度、高能量能将丝材融化成重稀土元素均匀分布的熔融体，熔融体涂敷于钕铁硼永磁材料基体表面，能保证重稀土元素均匀分布。这就提高了重稀土涂层与钕铁硼永磁材料基体表面的结合性能，避免了重稀土涂层易从钕铁硼永磁材料基体脱落的问题。同时，由于激光的高温度、高能量能先将丝材融化成重稀土元素均匀分布的熔融体，也免去了后续的热处理的工序，进而能在提高重稀土元素利用率、降低重稀土元素用量的前提下简化制备工艺。
2、步骤S1中的预处理包括使用硝酸溶液进行酸化处理和等静压处理。其中，酸化处理的目的在于去除钕铁硼永磁材料的表面杂质，等静压处理的目的在于将钕铁硼永磁材料的表面平整化。通过如此设置的钕铁硼永磁材料表面能做到光滑平整，进而也就解决了不规则、表面缺陷多的钕铁硼永磁材料无法涂敷重稀土元素的缺陷。
3、该装置中，利用酸化池和等静压腔室对钕铁硼永磁材料进行酸化处理和等静压处理，使钕铁硼永磁材料表面能做到光滑平整，进而也就解决了不规则、表面缺陷多的钕铁硼永磁材料无法涂敷重稀土元素的缺陷。同时，由于真空腔室、过渡腔室、涂敷腔室为一体式结构，能保证激光涂敷喷头处于真空状态中，进而避免了涂敷过程中将其它杂质带入到涂敷层中，保证了涂层质量。另外，由于升降平台能带动钕铁硼永磁材料上下移动，配合能够水平向匀速移动的激光涂敷喷头，可以自由选择涂敷的位置和厚度，更有利于提高重稀土元素的利用率和降低重稀土元素的使用成本。而且，还可以通过改变涂敷次数满足对涂敷的重稀土元素丝材的特定厚度的要求。
4、通过第一导向轨道、第二导向轨道以及丝杆，配合定位传感器，可以准确定位重稀土元素丝材被涂敷在钕铁硼永磁材料表面的具体位置，进而使激光涂敷喷头实现X、Y、Z三轴联动，可控性与精度都大大提高。
5、喷头外壳内壁与涂敷喷嘴、激光腔室之间设有气体通过腔。喷头外壳下端设有与涂敷喷嘴的出口同轴设置的喷口。喷头外壳上端还设有用于向激光腔室供送丝材和用于向气流通过腔供送导流气体的输入管。由于丝材被激光加热融化呈熔融体，为了避免熔融体从涂敷喷嘴处自由滴落，涂敷喷嘴的出口理所应当会设置为很小——微米甚至纳米级，利用熔融体本身的张力防止其自由滴落。此时，为了引导熔融体涂敷到钕铁硼永磁材料表面，设计气流通过腔，利用从喷口处喷出的惰性的导流气体，在喷口出形成气流，进而在喷口和涂敷喷嘴出口间形成压力差，将熔融体吸出并涂敷到钕铁硼永磁材料。并且，工作人员还可以通过控制气体流速，调整压力差大小，控制单位时间内熔融体的喷出量，进而达到控制涂敷层厚度的目的。
6、涂敷喷嘴的下部外壁为与水平面呈50°夹角设置的漏斗状结构，喷头外壳在喷口周围设有内壁与涂敷喷嘴的下部外壁平行设置的导流部。导流部与漏斗状的涂敷喷嘴下部外壁配合，能引导气体流向，保持熔融体的喷出方向垂直于钕铁硼永磁材料基体表面，进而保证了涂敷效果。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为本发明的涂敷设备的结构示意图；
图3为本发明中的激光涂敷喷头的结构示意图。
其中：1-传送带；2-酸化池；3-等静压腔室；31-等静压机；4-真空腔室；41-真空发生器；5-过渡腔室；6-涂敷腔室；61-升降平台；611-丝杆；62-第一导向轨道；63-第二导向轨道；64-喷头安装装置；7-激光涂敷喷头；71-涂敷喷嘴；711-绝热管道；72-激光腔室；721-激光发生器；73-喷头外壳；731-输入管；732-气体通过腔；733-喷口；734-导流部；8-冷却腔室；81-冷却水槽；82-风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现在参考附图描述本发明的实施例。
实施例
如图1所示，本发明公开了一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，包括以下步骤：
S1、对钕铁硼永磁材料进行预处理；
S2、将钕铁硼永磁材料依次导入真空腔室4、过渡腔室5，完成从空气环境平稳过渡到真空环境的过程；
S3、将钕铁硼永磁材料导入涂敷腔室6，利用激光涂敷喷头7加热融化含重稀土元素的丝材，并将其熔融体涂敷于钕铁硼永磁材料表面，激光涂敷喷头7与钕铁硼永磁材料之间的距离约为1～2mm，熔融体与钕铁硼永磁材料基材的润湿角保持在在30°～75°区间；
S4、将经过激光涂敷处理后的钕铁硼永磁材料导入冷却腔室8，使加热融化后的重稀土元素丝材冷却，保证重稀土元素丝材在涂覆过程前后分别有从空气过渡到真空、真空过渡到空气的过程；
S5、对冷却后的表面已激光涂敷重稀土元素的钕铁硼永磁材料进行表面抛光和电镀处理。具体的，表面抛光需要先后使用280、500、800、1200、1500、2000、3000、5000目数的打磨砂纸进行打磨，打磨时保证被打磨材料与砂纸平行且均匀受力，在每个目数的砂纸上打磨时需至少打磨两次，每次打磨完成后将被打磨材料进行90°旋转后进行第二次打磨。
该方法中，先将重稀土元素材料制成丝材，然后使用激光涂敷的方法将重稀土元素丝材融化成熔融体，并均匀涂敷于钕铁硼永磁材料基体表面，形成一层重稀土元素富集区域。其中，相比于现有的将重稀土元素碾碎成粉末后配置浆料，再将浆料涂敷于钕铁硼永磁材料表面并热处理的方法，激光的高温度高能量能将丝材融化成重稀土元素均匀分布的熔融体，熔融体涂敷于钕铁硼永磁材料基体表面，能保证重稀土元素均匀分布。这就提高了重稀土涂层与钕铁硼永磁材料基体表面的结合性能，避免了重稀土涂层易从钕铁硼永磁材料基体脱落的问题。同时，由于激光的高温度高能量能先将丝材融化成重稀土元素均匀分布的熔融体，也免去了后续的热处理的工序，进而能在提高重稀土元素利用率、降低重稀土元素用量的前提下简化制备工艺。
本实施例中，丝材中至少包含有Tb、Dy、Ho中的任一一种重稀土元素。且丝材应厚度均匀，具有一定延展性和柔性，易于制成丝状。
其中，步骤S1中的预处理包括使用硝酸溶液进行酸化处理和等静压处理。将钕铁硼材料浸泡于硝酸溶液中可以使所述钕铁硼材料处于酸性环境并去除杂质离子，硝酸根在后续处理中易于去除，并使钕铁硼材料处于不易于氧化的状态。使用等静压机31压制可以使得钕铁硼材料的最外表层颗粒处于同一平面，便于后续熔融沉积过程中定位传感器可以准确定位激光涂敷喷头7和钕铁硼材料的相对空间位置。同时，等静压压制可以使得所述钕铁硼材料内部颗粒结合更加紧密。通过如此设置的钕铁硼永磁材料表面能做到光滑平整，进而也就解决了不规则、表面缺陷多的钕铁硼永磁材料无法涂敷重稀土元素的缺陷。
关于涂覆设备的具体结构，如图2-3所示，本发明公开了一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，包括水平设置的传送带1。传送带1上沿其送料方向依次设有酸化池2、等静压腔室3、真空腔室4、过渡腔室5、涂敷腔室6以及冷却腔室8。其中，真空腔室4、过渡腔室5、涂敷腔室6为一体式结构。等静压腔室3内设有等静压机31；真空腔室4内设有真空发生器41；冷却腔室8包括冷却水槽81和风机82。涂敷腔室6内水平设有能够上下移动的升降平台61，升降平台61上方设有能够水平向匀速移动的激光涂敷喷头7。
利用酸化池2和等静压腔室3对钕铁硼永磁材料进行酸化处理和等静压处理，使钕铁硼永磁材料表面能做到光滑平整，进而也就解决了不规则、表面缺陷多的钕铁硼永磁材料无法涂敷重稀土元素的缺陷。同时，由于真空腔室4、过渡腔室5、涂敷腔室6为一体式结构，能保证激光涂敷喷头7处于真空状态中，进而避免了涂敷过程中将其它杂质带入到涂敷层中，保证了涂层质量。另外，由于升降平台61能带动钕铁硼永磁材料上下移动，配合能够水平向匀速移动的激光涂敷喷头7，可以自由选择涂敷的位置和厚度，更有利于提高重稀土元素的利用率和降低重稀土元素的使用成本。而且，还可以通过改变涂敷次数满足对涂敷的重稀土元素丝材的特定厚度的要求。
其中，升降平台61上方水平设有沿传送带1送料方向布置的第一导向轨道62。第一导向轨道62下部水平设有能沿其延伸方向往复匀速移动的第二导向轨道63。第一导向轨道62与第二导向轨道63之间的夹角为90°。第二导向轨道63下部设有能沿其延伸方向往复匀速移动的喷头安装装置64，喷头安装装置64上设有定位传感器和正对升降平台61设置的激光涂敷喷头7。升降平台61的两侧竖直设有与其螺纹配合且能轴向转动的丝杆611。通过第一导向轨道62、第二导向轨道63以及丝杆611，配合定位传感器，可以准确定位重稀土元素丝材被涂敷在钕铁硼永磁材料表面的具体位置，进而使激光涂敷喷头7实现X、Y、Z三轴联动，可控性与精度都大大提高。
并且，激光涂敷喷头7包括涂敷喷嘴71。涂敷喷嘴71的上方连接有与其连通的激光腔室72。激光涂敷喷头7还包括包裹设置在涂敷喷嘴71和激光腔室72外部的的喷头外壳73。喷头外壳73内壁与涂敷喷嘴71、激光腔室72之间设有气体通过腔732。喷头外壳73下端设有与涂敷喷嘴71的出口同轴设置的喷口733。喷头外壳73上端还设有用于向激光腔室72供送丝材和用于向气流通过腔732供送导流气体的输入管731。
本实施例中，如图3所示，输入管731同时用于输送丝材和导流气体，因此，丝材外壁与输入管731内壁之间为间隙配合，间隙供导流气体通过。其中，输入管731的主管道与丝材供应装置的输出端连接，同时，输入管731上还连接有用于输入导流气体的支管。
由于丝材被激光加热融化呈熔融体，为了避免熔融体从涂敷喷嘴71处自由滴落，涂敷喷嘴71的出口理所应当会设置为很小——微米甚至纳米级，利用熔融体本身的张力防止其自由滴落。此时，为了引导熔融体涂敷到钕铁硼永磁材料表面，设计气流通过腔732，利用从喷口733处喷出的惰性的导流气体，如氩气，在喷口733出形成气流，进而在喷口733和涂敷喷嘴71出口间形成压力差，将熔融体吸出并涂敷到钕铁硼永磁材料。并且，工作人员还可以通过控制气体流速，调整压力差大小，控制单位时间内熔融体的喷出量，进而达到控制涂敷层厚度的目的。本实施例中，气体流量为15～45L/min。
另外，激光腔室72内部设有激光发生器721。涂敷喷嘴71内部设有沿其轴线设置且上端与激光腔室72连通的绝热管道711。绝热管道711下端正对喷口733设置。涂敷喷嘴71的下部外壁为与水平面呈50°夹角设置的漏斗状结构，喷头外壳73在喷口733周围设有内壁与涂敷喷嘴71的下部外壁平行设置的导流部734。导流部734与漏斗状的涂敷喷嘴71下部外壁配合，能引导气体流向，保持熔融体的喷出方向垂直于钕铁硼永磁材料基体表面，进而保证了涂敷效果。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (8)
1.一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对钕铁硼永磁材料进行预处理；
S2、将钕铁硼永磁材料依次导入真空腔室（4）、过渡腔室（5）；
S3、将钕铁硼永磁材料导入涂敷腔室（6），利用激光涂敷喷头（7）加热融化含重稀土元素的丝材，并将其熔融体涂敷于钕铁硼永磁材料表面；
S4、将经过激光涂敷处理后的钕铁硼永磁材料导入冷却腔室（8）进行冷却；
步骤S1中的预处理包括使用硝酸溶液进行酸化处理和等静压处理。
2.根据权利要求1所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，其特征在于，步骤S4后还包括以下步骤：
S5、对冷却后的表面已激光涂敷重稀土元素的钕铁硼永磁材料进行表面抛光和电镀处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的方法，其特征在于，所述丝材中至少包含有Tb、Dy、Ho中的任一一种重稀土元素。
4.一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，其特征在于，包括水平设置的传送带（1），所述传送带（1）上沿其送料方向依次设有酸化池（2）、等静压腔室（3）、真空腔室（4）、过渡腔室（5）、涂敷腔室（6）以及冷却腔室（8），其中，所述真空腔室（4）、过渡腔室（5）、涂敷腔室（6）为一体式结构；所述涂敷腔室（6）内水平设有能够上下移动的升降平台（61），所述升降平台（61）上方设有能够水平向匀速移动的激光涂敷喷头（7）；
所述激光涂敷喷头（7）包括涂敷喷嘴（71），所述涂敷喷嘴（71）的上方连接有与其连通的激光腔室（72），所述激光涂敷喷头（7）还包括包裹设置在涂敷喷嘴（71）和激光腔室（72）外部的的喷头外壳（73）；所述喷头外壳（73）内壁与涂敷喷嘴（71）、激光腔室（72）之间设有气体通过腔（732），所述喷头外壳（73）下端设有与涂敷喷嘴（71）的出口同轴设置的喷口（733），所述喷头外壳（73）上端还设有用于向激光腔室（72）供送丝材和用于向气流通过腔（732）供送导流气体的输入管（731）。
5.根据权利要求4所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，其特征在于，所述升降平台（61）上方水平设有沿传送带（1）送料方向布置的第一导向轨道（62），所述第一导向轨道（62）下部水平设有能沿其延伸方向往复匀速移动的第二导向轨道（63），所述第一导向轨道（62）与第二导向轨道（63）之间的夹角为90°；所述第二导向轨道（63）下部设有能沿其延伸方向往复匀速移动的喷头安装装置（64），所述喷头安装装置（64）上设有定位传感器和正对升降平台（61）设置的激光涂敷喷头（7）。
6.根据权利要求5所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，其特征在于，所述升降平台（61）的两侧竖直设有与其螺纹配合且能轴向转动的丝杆（611）。
7.根据权利要求4所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，其特征在于，所述激光腔室（72）内部设有激光发生器（721），所述涂敷喷嘴（71）内部设有沿其轴线设置且上端与激光腔室（72）连通的绝热管道（711），所述绝热管道（711）下端正对喷口（733）设置。
8.根据权利要求7所述的一种钕铁硼表面激光熔敷重稀土丝材的设备，其特征在于，所述涂敷喷嘴（71）的下部外壁为与水平面呈50°夹角设置的漏斗状结构，所述喷头外壳（73）在喷口（733）周围设有内壁与涂敷喷嘴（71）的下部外壁平行设置的导流部（734）。
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