[发明专利]一种超声滚压强化激光熔覆层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化领域，特指一种超声滚压强化激光熔覆层的方法。

背景技术

激光熔覆技术是利用高能密度激光束使粉末与基材同时快速熔化凝固并实现良好冶金结合的工艺方法，当前已在材料表面改性、再制造工程与增材制造等领域得到广泛应用。但由于激光能量分布不均匀、粉末与基材热物性相差较大、熔覆材料熔化凝固速率快等因素，导致熔覆层与基材之间温度梯度大，致使凝固组织不均匀、材料收缩不一致，容易形成残余拉应力。熔覆层中残余拉应力的存在和由于多道熔覆而残留的搭接痕迹位置易诱发裂纹的生成及易使零件变形，使得零件服役性能、使用寿命和可靠性降低。因此，均化熔覆层组织、降低熔覆层中残余拉应力及改善应力分布状态，使激光熔覆层得到进一步强化具有重要研究意义。

针对上述的问题，已有相关学者提出进一步降低熔覆层残余应力和细化表层组织的调控方法。专利号为201310214376.8的专利申请提出了一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及方法，利用超声冲击减小激光熔覆层残余拉应力，细化激光熔覆层组织，使得熔覆层的综合力学性能得到进一步强化。申请号为201610991838.0的专利公开了一种机械表面喷丸提高再制造激光熔覆修复层的整体抗疲劳性能的方法，提出采用干式+湿式复合喷丸工艺细化表层组织并引入残余压应力。专利号为200810155785.4的专利公开了一种激光喷丸强化激光熔覆层的表面改性方法，通过引入激光喷丸工艺改变熔覆层内残余应力的分布状态，同时对熔覆层底部枝晶形态进行改变，从而抑制了裂纹的萌生和扩展，改善了熔覆层质量。但是无论超声冲击、机械喷丸还是激光喷丸强化，虽都能降低熔覆层残余拉应力，提高熔覆层性能，但所获得的熔覆层强化面粗糙度大且残余压应力分布不均匀，需要通过后续的磨削精抛机加工处理，从而增加了工艺的复杂性和成本。

超声滚压技术是一种新型的超声辅助表面强化技术，它可以在材料表层实现晶粒纳米化，并且可以显著降低表面粗糙度。申请号为201610717398.X的专利公开了一种超声滚压复合激光重熔提高焊接接头疲劳性能的方法，针对激光重熔产生较高粗糙度与多道重熔痕迹位置易形成疲劳裂纹源的问题，采用超声滚压技术消除激光重熔带来的不利影响，并且实现表面纳米化，从而进一步提高表面疲劳性能。申请号为201610352680.2的专利公开了一种低温辅助超声表面滚压强化装置和方法，利用低温加热使材料软化的同时施加超声滚压，在细化工件表层材料晶粒的同时获得更大的表面残余应力。大量研究表明，超声滚压工艺可以显著降低材料表层粗糙度，获得分布更加均匀的残余压应力，并且实现表面晶粒纳米化，进一步提高材料的抗疲劳性能。

本发明提出，采用超声滚压工艺对熔覆层表面进行强化，获得分布均匀的残余压应力，晶粒更加细化的表层组织和更低的表面粗糙度值，以及消除多道激光熔覆搭接痕迹和减小后续加工工序与成本，从而进一步提高熔覆层的耐磨耐蚀及抗氧化抗疲劳性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，通过在熔覆层表面施加超声滚压工艺，达到改变熔覆层内残余应力分布状态，细化均化熔覆层显微组织，显著降低熔覆层表面粗糙度，消除多道激光熔覆搭接痕迹，减小后续加工工序与成本，进一步提高熔覆层的耐磨耐蚀与抗氧化抗疲劳的性能。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，采用激光熔覆与超声滚压相结合的复合方法强化金属材料表面，具体包括以下步骤：

A)将经打磨、清洗和吹干后的金属基材在夹具上安装固定好；

B)通过激光熔覆技术制备高性能、无缺陷熔覆层：开启激光器，移动激光同轴送粉喷嘴至熔覆起点，进行同轴送粉激光熔覆加工，选取激光熔覆工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径和送粉量；

C)对熔覆层表面采用铣削加工方式进行铣削，获得表面平整、光洁度好的表面层；

D)对表面光整的熔覆层利用超声滚压处理对其表面进行机械强化，获得表层晶粒更加细化，使残余压应力分布更加均匀，降低熔覆层表面粗糙度。

进一步地，所述金属材料为镁合金、钛合金、铝合金、轴承钢、模具钢或铸铁。

进一步地，所述步骤B)的熔覆粉末为铁、镍、钴粉末，或掺入WC、TiC或SiC陶瓷颗粒的铁基、镍基、钴基金属陶瓷粉末。

进一步地，所述步骤B)中激光熔覆加工参数范围为：激光功率600-2000W，光斑直径2-5mm，扫描速度500-1500mm/min，送粉量10-25g/min，搭接率30％-60％。