[发明专利]激光感应复合熔覆制备材料涂层的方法及装置有效
申请号: | 200710052458.1 | 申请日: | 2007-06-13 |
公开(公告)号: | CN101070595A | 公开(公告)日: | 2007-11-14 |
发明(设计)人: | 曾晓雁;胡乾午;周圣丰;黄永俊 | 申请(专利权)人: | 华中科技大学 |
主分类号: | C23C24/10 | 分类号: | C23C24/10;B23K26/34 |
代理公司: | 华中科技大学专利中心 | 代理人: | 曹葆青 |
地址: | 430074湖北*** | 国省代码: | 湖北;42 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 激光 感应 复合 制备 材料 涂层 方法 装置 | ||
技术领域
本发明属于激光加工技术领域,具体涉及一种激光感应复合熔覆制备材料涂层的方法及装置。
背景技术
激光熔覆技术是采用高能量密度的激光束在工件表面熔覆一层特殊性能的材料,以改善其表面性能的工艺。与传统的堆焊与热喷涂工艺相比,激光熔覆技术具有如下优点:(1)激光束光斑小且能量密度高,在熔覆过程中可以将工件的热影响区与热变形降低到最小程度;(2)通过调节工艺参数,可以获得稀释率小于10%的熔覆层;(3)熔覆层与基材为冶金结合,结合强度高,不易剥落;(4)通过专门设计的激光导光装置,可以对深孔、内孔和凹槽等部位进行激光熔覆处理,结合多道多层技术可以获得满足不同尺寸要求的熔覆涂层;(5)激光熔覆技术对环境无污染,自动化程度高。因此,在汽车、冶金、航空航天、船舶、轨道运输等领域具有十分广阔的应用前景。
然而,到目前为止,激光熔覆技术在工业中的应用程度并未达到早期预想的目标,主要原因包括:(1)高功率激光加工设备的一次性投资较大,且维护费用昂贵;(2)激光熔覆效率远低于传统工艺,如堆焊与热喷涂,因此单位面积涂层的制造成本偏高;(3)虽然可以将激光与热喷涂结合起来实现激光热喷涂复合熔覆技术(J.Suutala,J.Tuominen,P.Vuoristo.Laser-assisted spraying and laser treatment of thermally sprayedcoatings,Surface & coatings Technology,201(2006):1981-1987),使激光熔覆效率提高,但由于激光熔覆过程的快速加热与快速冷却凝固、热应力大的特点,在大块材料表面进行激光熔覆时,熔覆层极易产生裂纹。特别是在可焊性差的基材表面,裂纹问题一直是激光熔覆层难以逾越的障碍之一,制约了该技术的工业化应用。
对基材进行预热处理,降低熔覆层的冷却速度及与基材间的温度梯度,被认为是消除裂纹的最有利方法。Yoshiwara与Kawaname(Method forsurface alloying metal with a high density energy beam and an alloysteel,United States,United States Patent,4750947,1988)采用加热炉或氧乙炔火焰将工件预热到600-800℃,在激光熔覆速度达5.4米/分钟的条件下,获得了无裂纹的熔覆层。这种采用预热的激光熔覆技术与单纯的激光熔覆技术相比较,在相同工艺参数条件下熔覆效率提高了225%。但是,对于形状复杂与尺寸大的工件,预热时需要复杂的加热炉,而且长时间的保温在工件表面会产生氧化皮,严重影响激光熔覆层的质量。此外,经过预热之后在高温的环境中装卸与夹持工件也很不方便,不但工作效率低,还容易灼伤操作人员。而采用氧乙炔火焰进行预热,工件的受热过程慢,热影响区较大,导致基材组织粗大,机械性能恶化。此外,采用上述两种方法只能够对外观简单的零部件进行激光熔覆加工,无法对复杂零部件或者空心部件的内壁进行激光熔覆处理。而且在激光熔覆处理的同时无法对难焊接或大型工件进行后热缓冷处理,因此,其装置的通用性不强。
近年来,操作方便的感应加热熔覆技术,引起了人们的广泛兴趣。感应熔覆加工技术可以获得大面积的熔覆层,生产成本低,效率高。该技术的不足之处在于:(1)待熔覆材料需要预涂于基材表面,熔覆准备工作量较大;(2)熔化必须控制在液-固两相之间,易出现熔覆层流失,因而熔覆层的致密性稍差;(3)感应熔覆过程中,所能够达到的最高温度有限,因此对于一些高熔点的合金层难以实现熔覆加工;(4)单纯感应熔覆所需要消耗的能量大,易产生基体过热,产品质量不易控制。
发明内容
本发明的目的在于提供激光感应复合熔覆制备材料涂层的方法,该方法的熔覆效率高,熔覆层产生气孔与裂纹的几率大幅度下降,整体质量全面提高;本发明还提供了实现该方法的装置,该装置通用性较强,可以对实心部件的表面及空心部件的内外表面进行激光熔覆处理。
本发明提供的激光感应复合熔覆制备材料涂层的方法,其步骤包括:
①在已进行过喷砂处理的待加工工件表面喷涂一层厚度为0.1-3.0毫米的涂层,涂层材料为合金粉末,或者合金粉末与陶瓷相颗粒形成的金属陶瓷复合粉末,其中陶瓷相颗粒的质量百分含量小于等于70%;
②将待加工工件表面的涂层与感应加热线圈之间的距离控制在1-10毫米范围内,利用高频感应加热器往感应加热线圈内通入电流,使工件表面的温度为500-1200℃,并通入保护气体;
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