CN114855162B - 一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，包括如下步骤：调整激光加工头，激光焦点聚焦在待加工工件表面上方；激光光束在第i‑1沉积层表面起始点沿“S”路径形成第一粉末沉积层，当激光光束到达“S”路径终止点后，激光光束向一侧偏移后，按照反向的“S”路径形成第二粉末沉积层，使第一粉末沉积层与第二粉末沉积层交叉覆盖在第i‑1沉积层表面；激光光束按照第一粉末沉积层的路径和第二粉末沉积层的反向路径再次扫描，使沉积层重熔再结晶；所述第一粉末沉积层与第二粉末沉积层构成第i‑1沉积层表面的第i沉积层；激光光束加工第i+1沉积层，直至i+1＝N。本发明通过两者不同材料的粉末的混合交叉编织沉积，提高涂层整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及多材料混合沉积的技术领域，特别涉及一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法。
背景技术
激光同轴送粉沉积成形技术作为大型关键金属构件高质量直接沉积制造不可或缺的主流工艺方法，金属粉末在送粉器中的保护气体作用下，通过送粉管道直接送入激光作用区，粉末到达熔区前先经过光束，被加热到红热状态，落入熔区后随即熔化，随基材的移动和粉末的连续送入，与基体形成良好冶金结合的沉积层。制造过程涉及复杂的多因素、多流场之间的相互耦合，深刻理解该工艺涉及到的关键工艺过程并加以控制，是优化和促进该技术进一步发展的基础，在工程机械、航空航天行业、冶金领域具有广泛的应用前景。
平板类零件例如支撑支架、工作台以及海洋平台等，对表面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。同步送粉方式的合金材料可以选用合金线材或者金属粉末，送粉方式有同步侧向送粉和同轴送粉两种。同步侧向送粉结构简单，价格较低，但粉末利用率不高，沉积质量相对较差，可适用于平面、轴类的激光沉积。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，通过两者不同材料的粉末的混合交叉编织沉积，提高涂层整体性能。同时，为保证每层沉积层之间的冶金结合以及缺陷等问题，特意在每层沉积层编织完成后增加重熔工序，使整个沉积层更加致密。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，包括如下步骤：
将两种粉末分别放置在激光加工头中对称的送粉管道中；
调整激光加工头，使送粉管道的送粉焦点与激光焦点重合，激光焦点聚焦在待加工工件表面上方；
第i层沉积层加工：激光光束在第i-1沉积层表面起始点沿“S”路径形成第一粉末沉积层，当激光光束到达“S”路径终止点后，激光光束向一侧偏移后，按照反向的“S”路径形成第二粉末沉积层，使第一粉末沉积层与第二粉末沉积层交叉覆盖在第i-1沉积层表面；停止送粉，调节激光光束的移动速度、焦点位置和激光功率；激光光束依次按照第一粉末沉积层的“S”路径和第二粉末沉积层的反向“S”路径再次扫描，使沉积层重熔再结晶；所述第一粉末沉积层与第二粉末沉积层构成第i-1沉积层表面的第i沉积层；i为自然数，且当i＝1时，第i-1沉积层表面为待加工工件表面；
重新设定送粉焦点与激光焦点，激光光束加工第i+1沉积层，直至i+1＝N，N为最大沉积层数。
进一步，所述第i层沉积层中的第一粉末沉积层与第二粉末沉积层的扫描方向与所述第i+1层沉积层中的第一粉末沉积层与第二粉末沉积层的扫描方向相互交叉。
进一步，所述第i层沉积层中的第一粉末沉积层的扫描方向与第i+1层沉积层中的第一粉末沉积层的扫描方向之间呈锐角。
进一步，所述锐角为30～70°。
进一步，所述第一粉末材料的强度大于第二粉末材料的强度，第一粉末材料的韧性小于第二粉末材料的韧性。
进一步，所述第一粉末沉积层包括若干平行的第一粉末沉积段，所述第二粉末沉积层包括若干平行的第二粉末沉积段，所述第二粉末沉积段位于相邻所述第一粉末沉积段之间；相邻所述第一粉末沉积段之间间隙不大于1mm。
进一步，超高速激光沉积的工艺参数为：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。
进一步，所述激光加工头中设有4个的送粉通道，在2个第一粉末的送粉通道之间为第二粉末的送粉通道。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，对于平板类零件，采用超高速激光同轴送粉沉积成形技术，粉末利用率高，沉积质量较优，同时粉末经过预热，通用性强。
2.本发明所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，使用两种粉末，两种粉末具有不同的性能，利用交叉编织方法沉积，提高合金整体性能。
3.本发明所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，在每层沉积层编织完成后增加重熔工序，确保每层沉积层之间的冶金结合以及降低层间缺陷等问题，使整个沉积层更加致密。
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，下面描述中的附图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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述激光加工头结构图。
图2为本发明所述激光加工头底部出粉口位置图。
图3为第一层激光扫描第一粉末路径图；
图4为第一层激光扫描第二粉末路径图；
图5为第二层激光扫描路径图；
图6为本发明实施例截面示意图；
图中：
1-第一送粉通道；2-第二送粉通道；3-第三送粉通道；4-第四送粉通道；5-激光通过管道。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，包括如下特征：
S01：先将待加工工件表面用SiC砂纸进行打磨，目数为180至2500，然后使用金刚石抛光膏进行抛光，结束后使用酒精充分清洗；
S02：如图1和图2所示，激光加工头中设有4个的送粉通道和1个激光通过管道5，所述激光通过管道5位于激光加工头中心，第一送粉通道1、第二送粉通道2、第三送粉通道3和第四送粉通道4均布在激光通过管道5周边，第一送粉通道1和第三送粉通道3为第一粉末的送粉通道，第二送粉通道2和第四送粉通道4为第二粉末的送粉通道；第一粉末和第二粉末分别烘干处理后在粉末盘中分别进行充分震动，再分别装入管道中，第一粉末和第二粉末颗粒大概在15-50μm。所述第一粉末材料的强度大于第二粉末材料的强度，第一粉末材料的韧性小于第二粉末材料的韧性。
S03：将待加工工件利用卡盘固定安装在超高速激光沉积机床上；
S04：调节激光加工头，使其四束送粉管道的送粉焦点与激光焦点重合；调节激光头位置，使其激光焦点聚焦在工件表面上方2.4mm位置；
S05：设置相应激光加工工艺参数，激光光斑直径为1.2mm，激光功率为3800W，扫描速度为20m/min，搭接率为60％，氩气保护气流为12L/min，设置送粉速度为50g/min。激光沉积加工前设定坐标轴方向，一般长度方向为X轴，宽度方向为Y轴。打开第一粉末的第一送粉通道1和第三送粉通道3，激光光束在待加工工件表面起始点沿“S”路径形成第一粉末沉积层，如图3所示；具体为：激光加工头向X轴移动，激光光束使用第一粉末沉积形成第一道沉积段，到达指定长度后关闭送粉器，激光加工头向Y轴偏移1mm后再打开送粉器，与上一道沉积段方向相反的路径(-X)进行沉积，待第二道沉积段完成后，激光加工头重复上述操作，直至整个工件表面第一粉末所沉积路径呈现“S”形；所述第一粉末沉积层包括若干平行的第一粉末沉积段，相邻所述第一粉末沉积段之间间隙为1mm。
S06：在第一粉最后一道沉积层完成后，激光加工头已到达加工工件表面最低位置，即Y轴方向最远处，Y轴方向上的宽度达到加工要求；
S07：激光加工头沿-Y轴偏移0.5mm，打开第二粉末的第二送粉通道2和第四送粉通道4，反向的“S”路径形成第二粉末沉积层，使第一粉末沉积层与第二粉末沉积层交叉覆盖在第i-1沉积层表面，如图4所示；具体为：激光光束使用第二粉末沉积形成第一道沉积段，在到达规定长度后，关闭送粉器，待激光加工头沿Y轴方向偏移1mm后再打开送粉器，X轴方向上再次反向，使第二粉末的第二道沉积段填充在相邻所述第一粉末沉积段之间空隙中。所述第二粉末沉积层包括若干平行的第二粉末沉积段。
S08：将激光加工头向上抬高2mm，依次将超高速激光沉积的激光功率下调至3400W，扫描速度下调至10m/min，使激光加工头按步骤S05～S07所走路径再次扫描，使其涂层重熔再结晶；所述第一粉末沉积层与第二粉末沉积层构成待加工工件表面的第一沉积层。
S09：测量涂层厚度，将激光加工头向上抬高已加工涂层等高的厚度，此时调整激光加工头行进路线，在待加工工件表面的“S”路径旋转67°形成第二层沉积层的扫描路径，如图5所示；重复S05～S08完成第二沉积层加工，第三层沉积层及以上层依次间隔旋转67°扫描路径，反复加工直至确保整个涂层厚度达到所需要求，如图6所示。
此外，送粉器为盘式气载送粉器经过可视化设计，可以随时观察工作状态，转速范围0.2-12转/分(rpm)，连续可调，转速精度可达±0.08％。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将两种不同粉末分别放置在激光加工头中对称的送粉管道中；
调整激光加工头，使送粉管道的送粉焦点与激光焦点重合，激光焦点聚焦在待加工工件表面上方；
第i层沉积层加工：激光光束在第i-1沉积层表面起始点沿“S”路径形成第一粉末沉积层，当激光光束到达“S”路径终止点后，激光光束向一侧偏移后，按照反向的“S”路径形成第二粉末沉积层，使第一粉末沉积层与第二粉末沉积层交叉覆盖在第i-1沉积层表面；停止送粉，调节激光光束的移动速度、焦点位置和激光功率；激光光束依次按照第一粉末沉积层的“S”路径和第二粉末沉积层的反向“S”路径再次扫描，使沉积层重熔再结晶；所述第一粉末沉积层与第二粉末沉积层构成第i-1沉积层表面的第i沉积层；i为自然数，且当i=1时，第i-1沉积层表面为待加工工件表面；其中：所述第一粉末沉积层包括若干平行的第一粉末沉积段，所述第二粉末沉积层包括若干平行的第二粉末沉积段，所述第二粉末沉积段位于相邻所述第一粉末沉积段之间；所述第i层沉积层中的第一粉末沉积层与第二粉末沉积层的扫描方向与所述第i-1层沉积层中的第一粉末沉积层与第二粉末沉积层的扫描方向相互交叉；
重新设定送粉焦点与激光焦点，激光光束加工第i+1沉积层，直至i+1=N，N为最大沉积层数。
2.根据权利要求1所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，所述第i层沉积层中的第一粉末沉积层的扫描方向与第i+1层沉积层中的第一粉末沉积层的扫描方向之间呈锐角。
3.根据权利要求2所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，所述锐角为30~70°。
4.根据权利要求1所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，所述第一粉末材料的强度大于第二粉末材料的强度，第一粉末材料的韧性小于第二粉末材料的韧性。
5.根据权利要求1所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，相邻所述第一粉末沉积段之间间隙不大于1mm。
6.根据权利要求1所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，超高速激光沉积的工艺参数为：光斑直径为0.5-3mm，激光功率为1500-8000W，扫描速度为10-200 m/min，搭接率为60-80％，氩气保护气流为10-15 L/min。
7.根据权利要求1所述的超高速激光沉积成形高性能交叉编织合金的方法，其特征在于，所述激光加工头中设有4个的送粉通道，在2个第一粉末的送粉通道之间为第二粉末的送粉通道。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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