CN113699522A

CN113699522A - 一种有色金属激光熔覆方法

Info

Publication number: CN113699522A
Application number: CN202111116838.3A
Authority: CN
Inventors: 石拓; 程梦颖; 傅戈雁; 张荣伟; 王宇; 蔡家轩
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2021-11-26

Abstract

本发明涉及一种有色金属激光熔覆方法，该包括以下步骤：取需要进行表面改性的铁基材料零部件，将其进行表面研磨与玻璃珠喷砂处理；将有色金属材料通过气雾化制粉技术制备为球形粉末；将铁基材料零部件预热，并基于气氛室保护环形光激光熔覆技术，进行表面激光熔覆有色金属的改性处理，形成成形件。该方法可实现在铁基材料表面熔覆有色金属，如铅青铜，从而改善铁基材料的性能，且在熔覆的过程中又可防止色金属氧化失效。

Description

一种有色金属激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种有色金属激光熔覆方法。

背景技术

铜合金是一种具有众多优良综合力学性能的有色金属材料，激光熔覆技术作为一种新型的表面成型改性技术，广泛应用于航空航天领域、生物医用领域、国防科技领域等。铅青铜是一种很有价值的耐磨材料，由于软的铅质点在摩擦受力时起润滑作用,所以铅青铜具有很小的摩擦系数和很高的耐磨性能。激光熔覆技术是利用激光束辐射作用作为热源将合金粉末和基材合金表面部分熔化，形成良好冶金结合的的熔覆层。由于其操作灵活，价格低廉，具有优异的熔覆层性能，环保性能，且中空送粉的激光喷头增加了熔覆均匀性，在增材制造领域有很大的应用前景。

由于铜铅合金易发生偏析，为解决铅偏析这技术难题，一般采用加第三种元素的办法如Sn,Ni。镍能无限溶于α固溶体内，促使铅呈树枝状晶体发展，阻止铅的集聚，有利于得到均匀的金相组织。但镍是稀缺元素如非特别需要一般不用。而Sn使铅相球化和α相合金化，Sb与Sn对组织的影响相同，因此一般选择Sn。

上述由于有色金属性质较为容易与空气中的氧、氮、氢等气体容易发反应，会严重影响熔覆性能。因此需要在惰性气氛中进行增材制造。中国专利第2016103844415号公开了微腔室激光加工系统和使用局部化的工艺气体气氛的方法。采用真空移除工艺气体和帘气体的方法，利用较轻的惰性气体填充代替下部的氧气，并不形成完全密封，使惰性利用率较低，易受环境变化的影响，不能完全隔绝氧气，域惰性气帘的稳定性较差，易造成有色金属氧化失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在熔覆过程中可防止有色金属氧化失效的有色金属激光熔覆方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种有色金属激光熔覆方法，包括以下步骤：

取需要进行表面改性的铁基材料零部件，将其进行表面研磨与玻璃珠喷砂处理；

将有色金属材料通过气雾化制粉技术制备为球形粉末；

将铁基材料零部件预热，并基于气氛室保护环形光激光熔覆技术，进行表面激光熔覆有色金属的改性处理，形成成形件。

进一步地，将所述成形件在真空热处理炉内进行回火热处理。

进一步地，所述方法用于高适应性防氧化激光熔覆装置，其中，所述高适应性防氧化激光熔覆装置包括保护罩和至少部分设置在所述气氛罩内的激光喷头，所述保护罩具有罩体和封闭所述罩体底部的底板，所述罩体的顶部设置有供所述激光喷头伸入至所述罩体内的激光入口，所述底板与罩体之间通过连接件连接，所述底板以连接件为旋转轴线可相对所述罩体沿所述罩体的轴线方向转动以打开所述罩体的底部，所述底板与罩体之间为可拆卸连接；

所述方法包括：

根据所述铁基材料零部件的大小判定是否打开或者拆卸底板；

若拆卸所述底板，则将所述铁基材料零部件中需熔覆或修复的部分由所述罩体的底部伸入至所述罩体内；

若所述铁基材料零部件小于所述保护罩的罩体腔，则将所述铁基材料零部件放置在所述底板上。

进一步地，所述罩体底部形成有安装部，所述底板由所述连接件与所述安装部连接，所述安装部上设置有可吸附所述铁基材料零部件的磁性件；

所述方法还包括：所述安装部夹持所述铁基材料零部件，所述磁性件吸附所述铁基材料零部件。

进一步地，所述高适应性防氧化激光熔覆装置包括用以检测罩体内温度的温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器靠近所述激光入口设置，所述湿度传感器靠近所述底板设置。

进一步地，所述罩体内布置有用以降低罩体腔内的温度的降温通道，所述降温通道包括设置在所述罩体上的降温介质出口和降温介质入口，所述降温通道靠近所述罩体的底部布置。

进一步地，所述罩体上开设有若干保护气体入口，所述罩体内设置有空气泄压通道，所述空气泄压通道靠近所述罩体的底部布置，所述空气泄压通道配置有气体流速测速器，所述空气泄压通道的轴线与其中一个所述保护气体入口的轴线平行设置，所述空气泄压通道的轴线垂直所述罩体的轴线。

进一步地，所述激光喷头为中空送粉激光喷嘴。

进一步地，所述有色金属为铅青铜。

进一步地，所述铅青铜中的铜、铅、锡的比例为：8:1:1。

本发明的有益效果在于：该方法可实现在铁基材料表面熔覆有色金属，如铅青铜，从而改善铁基材料的性能，且在熔覆的过程中又可防止色金属氧化失效。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1图本发明的有色金属激光熔覆方法的流程图。

图2是用于本发明的有色金属激光熔覆方法的一实施例所示的高适应性防氧化激光熔覆装置的内部切割正三轴侧图；

图3是图2所示的高适应性防氧化激光熔覆装置的结构示意图；

图4是图2所示的部分结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

请参见图1，本申请一较佳实施例所示的有色金属激光熔覆方法包括以下步骤：

将有色金属材料通过气雾化制粉技术制备为球形粉末；

而了消除残余应力，提高结合强度，该方法还包括：将所述成形件在真空热处理炉内进行回火热处理，从而得到表面激光熔覆了有色金属的铁基材料零部件，其界面剪切强度约为160～210MPa。

在本实施例中，所述有色金属为铅青铜，所述铅青铜中的铜、铅、锡的比例为：8:1:1。

请参见图2至图4用于上述方法的高适应性防氧化激光熔覆装置，该高适应性防氧化激光熔覆装置包括保护罩和至少部分设置在所述气氛罩内的激光喷头1。所述保护罩具有罩体和封闭所述罩体底部的底板，所述罩体的顶部设置有供所述激光喷头1伸入至所述罩体内的激光入口，所述底板与罩体之间通过连接件15连接，所述底板以连接件15为旋转轴线可相对所述罩体沿所述罩体的轴线方向转动以打开所述罩体的底部。所述激光喷头1为中空送粉激光喷嘴，所述中空送粉激光喷嘴结构为现有技术，在此不对其进行详细描述。所述激光入口内设置有固定圆盘2，所述激光喷头1安装在所述固定圆盘2上，所述激光喷头1与固定圆盘2之间设置有密封件3，所述密封件3为环形装置，具体为密封环。该密封件3的大小与激光头的固定圆盘2相契合，四周均匀分布有八个固定孔4用来夹紧和固定。

在本实施例中，所述罩体包括底座罩体7和设置在所述底座罩体上的柔性罩体6，所述底板安装在所述底座罩体7上。罩体围设形成罩体腔(未标号)，激光喷头1部分深入至该罩体腔内，以在罩体腔内对零件进行修复。所述柔性罩体6可根据环境和实验要求进行形状和大小的设计，可以为钟罩型、圆筒型、长方体型等。为了便于固定该底板，所述罩体的底部形成有安装部11，具体的，所述罩体底部包括安装部11和卡固在安装部11上的连接部(未标号)，所述连接部具有卡持在所述安装部11外边缘上的卡持部(未标号)和自所述卡持部向上延伸以与柔性罩体6连接的弧形过渡部(未标号)。该卡持部上均匀分布有固定孔8，通过该固定孔8安装外部环境的固定装置上。该安装部11为中部具有开口(未标号)的板状结构。该开口为菱形开口。

所述底板由包括两扇扇门12。每扇所述扇门12通过一所述连接件15与所述安装部11连接。两扇所述扇门12的活动侧搭接固定，且两扇扇门12搭接后形成菱形形状，即底板为对应菱形开口的菱形形状。在本实施例中，每扇扇门12与安装部11之间为可拆卸连接，具体的，连接件15为销轴15，扇门12与安装部11之间设置有供该销轴15插入的销轴孔。两扇扇门12的活动侧的搭接固定方式如下：每扇扇门12的活动侧上设置有固定孔17，两扇扇门12之间通过紧固件(未图示)分别穿过固定孔17连接，从而使两扇扇门12封闭罩体的开口。通过关上扇门12形成密封空间，可进行针对有色金属的激光熔覆工作；打开或拆卸扇门12则可根据环境将需要进行熔覆或者修复。

需要说明的是，在本实施例中，为了便于安装地板，所述底板为大致菱形形状，其菱形的相对两个端角为平角，即，扇门12的固定侧为通过销轴15与安装部11的连接侧，该固定侧的侧边线与活动侧的侧边线平行。每个所述扇门包由固定侧形成的短边、由活动侧形成的自由边及连接所述短边和自由边的连接边，其中两个连接边分别用以连接短边的两个端点和自由边的两个端点，该两个连接边为扇门12的两侧面的边线，连接边的长度大于短边的长度，对应的，所述安装部11由对应短边的短边对接部14和对应长边的长边对接部13组成，即开口由两两相对的短边对接部14和长边对接部13围设形成。该短边对接部14和长边对接部13由柔性弹性材料制成，从而可以进行适当的变形以适应不同环境的装夹。所述安装部11上设置有可吸附被加工工件的磁性件(未图示)，该磁性件安装布置在短边对接部14和长边对接部13上，其可以嵌入在短边对接部14内和长边对接部13内。

所述高适应性防氧化激光熔覆装置包括用以检测罩体内温度的温度传感器5和湿度传感器18，该温度传感器5用于测量实时的气氛室内温度。该湿度传感器18用于测量湿度情况，采集湿度数据。所述温度传感器5靠近所述激光入口设置，所述湿度传感器18靠近所述底板设置。本实施例中，温度传感器5安装在固定圆盘2上，湿度传感器18安装在底座罩体7的内侧壁上。

所述罩体内布置有降温通道16，所述降温通道16包括设置在所述保护罩上的降温介质出口20和降温介质入口19，所述降温通道16靠近所述保护罩的底部布置，具体的，该降温通道16形成在所述连接部内，降温介质出口20和降温介质入口19开设有连接部的外表面上。

所述保护罩上开设有若干保护气体入口9，所述保护罩内设置有空气泄压通道10，所述空气泄压通道10靠近所述保护罩的底部布置，所述空气泄压通道10配置有气体流速测速器(未图示)，所述空气泄压通道10的轴线与其中一个所述保护气体入口9的轴线平行设置，所述空气泄压通道10的轴线垂直所述保护罩的轴线。

在上述方法中，通过该高适应性防氧化激光熔覆装置，其还包括：

所述安装部夹持所述铁基材料零部件，所述磁性件吸附所述铁基材料零部件。

该高适应性防氧化激光熔覆装置具有用于该方法时的工作方式如下：

实施例1：利用高适应性防氧化激光熔覆装置进行激光增材有色金属的工作过程为：首先连接水冷管道，打开激光喷头1，接通惰性气体保护管道，连续地通入高纯度的氩气或者氮气保护气体，惰性气体先从激光喷头1的第一保护气体通道进入，再从保护气体入口9通入，共同形成气帘，通过测试空气泄压通道10的氧气含量来判断空气是否排除干净；其次等待1～2min待环境气氛稳定；其次，进行局部气氛激光增材工作，调节送粉速度，测试清洁功能，在惰性气氛中根据程序指令进行激光增材有色金属。

实施例2：利用高适应性防氧化激光熔覆装置进行激光增材有色金属的工作过程为：首先进行装置，判断环境要求打开或者拆卸扇门12，将需要进行局部修复或者有色金属熔覆的部分放进开口，再根据环境要求将保护罩转动以适应性变形，最后进行密封操作，将磁性件贴合到工件表面形成密封空间，若无法完全贴合可以利用惰性气体形成的气帘先排除空气再移至工件表面，再通2～3min的惰性气体，形成保护气体氛围，再进行具体的修复或者激光熔覆工作。

该高适应性防氧化激光熔覆装置具有如下优点：(1)关闭扇门12可以实现一个针对有色金属在小范围内进行熔覆；打开或者拆卸扇门12则可以对大型零件进行局部修复，或者在特定环境下进行激光熔覆；(2)当打开扇门12进行局部熔覆工作时，可以利用安装部11的柔性，调节剩余地盘面使其适应熔覆环境，再进行装夹与密封。使得该气氛装置应用范围广泛，适应性强；(3)由于保护罩与扇门12的移动属性使其装配简单，无需购买昂贵的大体积的固定惰性气体舱室，节省很多费用，且具有很强的灵活性；(4)设置有均匀的惰性气体的保护气体入口9，不仅加强惰性气体的气氛均匀，且气体涉及范围包括了整个下部气罩保证了视野清晰可见，设计连贯，能够有效改善技术背景中提到的问题和缺陷；(5)在激光喷头1的固定圆盘2上设置有温度传感器5，可以及时反馈环境温度数据，及时调节环境温度防止出现有色金属热效应过大的情况；在底座罩体7上设置有湿度传感器18，及时反馈温度的环境参数；(6)该激光熔覆铅青铜的有效耐摩方法大大提高了铁基材料表面减摩效果，同时实现了铅青铜熔覆层与铁基材料两种异质材料的良好结合。界面元素成分与材料性能过渡平滑，界面结合强度高。硬度高、防腐性好，减摩效果好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种有色金属激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

将有色金属材料通过气雾化制粉技术制备为球形粉末；

2.如权利要求1所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，还包括：

将所述成形件在真空热处理炉内进行回火热处理。

3.如权利要求1所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述方法用于高适应性防氧化激光熔覆装置，其中，所述高适应性防氧化激光熔覆装置包括保护罩和至少部分设置在所述气氛罩内的激光喷头，所述保护罩具有罩体和封闭所述罩体底部的底板，所述罩体的顶部设置有供所述激光喷头伸入至所述罩体内的激光入口，所述底板与罩体之间通过连接件连接，所述底板以连接件为旋转轴线可相对所述罩体沿所述罩体的轴线方向转动以打开所述罩体的底部，所述底板与罩体之间为可拆卸连接；

所述方法包括：

4.如权利要求3所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述罩体底部形成有安装部，所述底板由所述连接件与所述安装部连接，所述安装部上设置有可吸附所述铁基材料零部件的磁性件；

5.如权利要求3所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述高适应性防氧化激光熔覆装置包括用以检测罩体内温度的温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器靠近所述激光入口设置，所述湿度传感器靠近所述底板设置。

6.如权利要求3所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述罩体内布置有用以降低罩体腔内的温度的降温通道，所述降温通道包括设置在所述罩体上的降温介质出口和降温介质入口，所述降温通道靠近所述罩体的底部布置。

7.如权利要求3所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述罩体上开设有若干保护气体入口，所述罩体内设置有空气泄压通道，所述空气泄压通道靠近所述罩体的底部布置，所述空气泄压通道配置有气体流速测速器，所述空气泄压通道的轴线与其中一个所述保护气体入口的轴线平行设置，所述空气泄压通道的轴线垂直所述罩体的轴线。

8.如权利要求3所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述激光喷头为中空送粉激光喷嘴。

9.如权利要求1至8项中任一项所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述有色金属为铅青铜。

10.如权利要求9所述的有色金属激光熔覆方法，其特征在于，所述铅青铜中的铜、铅、锡的比例为：8:1:1。