[发明专利]一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法

说明书

技术领域：

本发明属于表面工程领域，具体涉及一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，适用于对硬度和耐磨性能要求较高的工件表面强化处理。

背景技术：

激光熔覆作为表面工程技术领域的一种新兴技术，是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置选定的涂层材料，经高能激光束加热使之与基体表面一薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性等的工艺。采用激光熔覆技术在成本低廉的基体表面制备金属陶瓷涂层，是提高基体表面硬度及使用性能的重要途径。但是由于基础粉末与金属陶瓷之间的润湿性和热膨胀系数相差较大，在激光快速加热熔化和冷却凝固过程中，将在熔覆层内产生不利组织及裂纹，严重恶化熔覆层的使用性能。激光熔覆层内金属陶瓷含量越高，硬度越高，同时也越容易出现裂纹及陶瓷颗粒偏聚的现象。

近年来，虽然有文献报道了激光熔覆高硬度、无裂纹且耐磨的涂层的方法，但仍然存在诸多问题。例如，通过预热的方式消除裂纹，预热温度太高时，会使晶粒粗大，硬度和耐磨性得不到保证。此外，还有报道通过外加或原位合成金属陶瓷提高熔覆层硬度和耐磨性，结果发现，增加金属陶瓷含量虽可提高涂层硬度，但同时会带来金属陶瓷颗粒偏聚和开裂的问题。总之，硬度与金属陶瓷分布的均匀性、抗裂敏感性存在较大矛盾。

专利(201010294577.X)内容涉及轴类零件表面制备低裂纹率涂层的激光熔覆—旋压法，具体是将激光熔覆设备与旋压设备近邻放置，使激光光斑始终照射在旋压设备的旋论即将旋压到的轴类零件表面。本发明方法适用于轴类零件的表面熔覆，熔敷层在旋轮的旋转压力下发生塑性变形，内部残余应力得以消除，降低了裂纹敏感性。但是其对于熔敷层材料和过渡层材料的塑形有较高的要求，选材范围窄；设备过于庞大，调节校准困难；只能适用于轴类及旋转零件，使用受到限制。

专利(200310108499.X)内容涉及激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，使用过渡层来增强熔敷层与基体的结合强度，利用纳米微粒熔点低、易扩散的特点来提高熔敷层的致密度，从而防止裂纹产生。但制备纳米微粒，会大大提高熔覆成本，不利于工业化生产。

专利(201010616580.9)使用处理过的网丝紧敷于打磨后的待熔覆表面，通过细小的网格来限制裂纹的扩展。但是对网格的制造和处理过程繁琐，并且要对试样表面进行打磨处理，增加工作量，效率低。

专利(CN103305828A)内容涉及激光熔覆处理后采用超声冲击强化熔覆层，在熔覆层内形成一定深度的塑性变形层，并植入压应力，抵消激光熔覆层中的拉应力，从而消除激光熔覆层内的残余应力。但多层多道熔覆时，激光熔覆和超声冲击交替出现，工序较复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆层方法，具体方案是在熔覆Ni基金属陶瓷涂层过程中同步引入超声振动，采用这种方式可以改善液态金属的流动性，组织分布更加均匀，在凝固过程中，可以将正在长大的枝晶网打碎，并使其分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，防止金属陶瓷发生偏聚，从而保证在获得超高硬度的同时熔覆层不发生开裂；设备简单，利于校准安装，耗能小，工作环境好，所获得的涂层金属陶瓷颗粒分布均匀、硬度高且耐磨性好。

本发明的具体技术方案如下：

将待处理工件表面进行去油污、铁锈处理，通过螺栓固定在超声换能器端部；将激光发生器发出的激光束通过导光系统传输到待处理工件表面，聚焦成矩形光斑，采用连续搭接的方式，实现激光熔覆过程中同步施加超声振动以获得金属陶瓷分布均匀、超高硬度、耐磨且无裂纹的熔覆层。

更为具体的工艺步骤如下：

(1)对待处理的基体试样表面进行预处理；

(2)将熔覆粉末采用预置法平铺于待处理试样表面，厚度1mm；

(3)将待处理基体试样通过螺栓固定于超声振动装置端部；

(4)对基体试样表面进行激光熔覆处理，同步施加超声振动，直至熔覆完成；

其中所述的基体试样为平板试样；

所述步骤(1)中预处理工艺为：先采用砂纸对基体试样表面进行去铁锈处理，再用丙酮擦拭待处理表面去油污；

所述步骤(2)所述的熔覆粉末置于保温炉中加热200℃～350℃，保温1h；