一种复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法与流程 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明涉及超高速激光熔覆技术领域，具体地，涉及一种复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法。背景技术：2.激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的功能涂层，能够有效地改善和增强基体的表面特性，使零件表面硬度、耐磨性和耐蚀性等性能全面提升，具有广阔的应用前景。3.煤机行业中的液压支架、海洋平台立柱等轴类构件长期服役于恶劣的工况环境，工件表面在腐蚀环境的作用下容易遭受腐蚀破坏，导致整个轴类构件的报废失效，极大地浪费了材料，增加了生产成本。工业生产中，为了节约成本以及提高零件的工作时间，通常采用表面改性的方式提高零件的服役性能。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆、电镀以及热喷涂三种方式。其中激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，该工艺无废液或其他有害物质产生，可以大幅降低对环境的污染。4.超高速激光熔覆作为一项新兴的表面改性技术，其超高的熔覆线速度导致涂层制备过程中的冷却速度、涂层组织结构都明显区别于传统激光熔覆技术。超高速激光熔覆技术的熔覆线速度可以达到15～200m/min，远高于传统激光熔覆0.1～7m/min的熔覆线速度。在超高的熔覆线速度基础上，让激光在零件表面上方直接加热粉末，使得粉末在空间熔化后再落入零件表面上，涂层的热输入可以低至2.2j/mm，涂层的制备效率可以高达1.2m2/min以上。其加工效率比常规激光熔覆技术提高2～3倍，同时粉末的利用率大大提升，达到90％以上。由于粉末吸收了激光的大部分能量，基体获得的能量较少，在保证形成浅而薄熔池的同时，也使得超高速激光熔覆涂层的稀释率极小，仅为不到1％。因此，采用超高速激光熔覆技术可以制备超薄且质量很高的保护涂层。通过调节熔覆线速度、送粉速度等工艺参数，超高速激光熔覆涂层的厚度基本可以控制在25～200μm之间，并且涂层表面具有很好的光洁度(rz《10)。在实际应用时，仅需要简单的磨削与抛光即可投入使用。目前，超高速激光熔覆被认为使电镀工艺的最佳替代技术而受到广泛关注。但是，超高速熔覆产生的超薄熔覆层易产生搭接痕以及容易产生气孔、裂纹的问题，因此，有必要对超高速激光熔覆的加工方法进行进一步地改进。技术实现要素：5.针对超高速熔覆产生的超薄熔覆层易产生搭接痕以及容易产生气孔、裂纹的问题，本发明的目的是提供一种复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法，能够有效提升超高速激光熔覆制备熔覆层性能与精度。6.根据本发明的一个方面，提供一种复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法，包括：7.提供待熔覆的金属工件；8.将熔覆的金属粉末装入送粉器；9.将所述金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上并固定；10.打开横向磁场产生装置，产生垂直于激光束轴向的横向磁场；11.打开纵向磁场产生装置，产生沿激光束轴向的纵向磁场；12.开启超高速激光熔覆加工设备，在所述横向磁场和所述纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程。13.进一步地，所述金属工件为旋转体。14.进一步地，所述将熔覆的金属粉末装入送粉器，其中，所述金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的任意一种；所述金属粉末的粒度为20～50μm，球形度不小于90％。15.进一步地，所述将所述金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上并固定，其中，所述超高速激光熔覆加工设备包括四轴联动的数控机床，所述金属工件固定于所述数控机床上，所述数控机床能够按预设的方向和速度带动所述金属工件移动。16.进一步地，所述打开横向磁场产生装置，产生垂直于激光束轴向的横向磁场，包括：调节电流大小为100-500a，输出频率为30-100khz，输出磁场强度为10-100mt。17.进一步地，所述打开纵向磁场产生装置，产生沿激光束轴向的纵向磁场，包括：调节电流大小为10-30a，输出频率为1-10khz，磁场强度为10-40mt。18.进一步地，所述在所述横向磁场和所述纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程，包括：19.设置所述金属工件的自转线速度为30～300m/min；20.开启激光器和送粉器，沿所述金属工件的轴向方向移动激光束和粉末流，激光束熔化金属工件基体表面以及用于填充的金属粉末，对金属工件表面进行熔覆。21.进一步地，所述在所述横向磁场和所述纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程，包括：采用同轴送粉方式，调节激光束的焦点距所述金属工件表面的上方1-10mm，调节送粉器的送粉喷嘴距所述金属工件表面的上方1-2mm。22.进一步地，所述在所述横向磁场和所述纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程，包括：送粉器的送粉速度为20～160g/min，输送距离1.5～6m。23.进一步地，所述在所述横向磁场和所述纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程，包括：在熔覆加工过程中采用送气喷嘴输送惰性气体对熔池保护。24.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：25.本发明通过电磁辅助系统和超高速激光制造系统的配合，利用磁场的力效应和热效应在超高速激光制造过程中提供复合能场使材料表面受到热力协同作用，利用纵向磁场调控组织形貌和晶粒尺寸，从而消除熔覆层气孔、裂纹等缺陷，获得均匀致密的高性能制造表面；利用横向磁场对粉末流和熔融金属施加洛伦兹力，控制粉末和液态金属的飞溅，同时对金属工件基体实现预加热来进一步减小超高速激光制造过程中的温度梯度，并且显著提高粉末利用率。附图说明26.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：27.图1为本发明实施例的复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法的示意图；28.图2为本发明实施例的熔覆层表面形貌对比示意图，(a)代表未施加磁场，(b)代表施加纵向磁场；29.图3为本发明实施例的熔覆层微观组织对比示意图，(a)代表未施加磁场，(b)代表施加纵向磁场；30.图4为本发明实施例的力学性能对比示意图；31.图5为本发明实施例的交变磁场形式和频率辅助熔积单道形成5层试样各层晶粒形貌示意图，(a)代表第1层，无外加磁场普通熔积；(b)代表第2层，200hz纵向交变磁场辅助熔积；(c)代表第3层，10hz纵向交变磁场辅助熔积；(d)代表第4层，40hz纵向交变磁场辅助熔积；(e)代表第5层，40hz横向交变磁场辅助熔积。32.图中：1为激光束，2为粉末流，3为熔池，4为熔覆涂层，5为金属工件工作表面，6为横向磁场产生装置，7为纵向磁场产生装置。具体实施方式33.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。34.本发明实施例提供一种复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法，参照图1，该方法包括：35.s1、提供待熔覆的金属工件。36.在一些具体的实施方式中，金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上。由于旋转体具有较大的线速度，可以快速、均匀的形成薄薄的熔覆层。37.s2、将熔覆的金属粉末装入送粉器。38.在一些具体的实施方式中，将熔覆的金属粉末装入送粉器，其中，金属粉末的材质成分、球形度、颗粒度、松装密度等确定，优选地，金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的任意一种；由于超高速熔覆技术对粉末特性要求很高，粒度不合适对熔覆质量会产生影响，球形度差易产生熔覆层气孔与夹杂，优选地，金属粉末的粒度为20～50μm，球形度不小于90％。39.s3、将金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上并利用卡盘固定。40.在一些具体的实施方式中，将金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上并固定，其中，超高速激光熔覆加工设备包括四轴联动的数控机床，金属工件利用手动三爪卡盘固定于数控机床上，数控机床能够按预设的方向和速度带动金属工件移动。41.s4、打开横向磁场产生装置，产生垂直于激光束轴向的横向磁场。42.在一些具体的实施方式中，横向磁场产生装置可以采用线圈，打开横向磁场产生装置，产生垂直于激光束轴向的横向磁场，包括：调节电流大小为100-500a，输出频率为30-100khz，输出磁场强度为10-100mt。43.s5、打开纵向磁场产生装置，产生沿激光束轴向的纵向磁场。44.在一些具体的实施方式中，纵向磁场产生装置可以采用线圈，打开纵向磁场产生装置，产生沿激光束轴向的纵向磁场，包括：调节电流大小为10-30a，输出频率为1-10khz，磁场强度为10-40mt。45.s6、开启超高速激光熔覆加工设备，在横向磁场和纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程。46.继续参照图1，在一些具体的实施方式中，在横向磁场产生装置6产生的横向磁场和纵向磁场产生装置7产生的纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程，具体包括：设置金属工件的自转线速度为30～300m/min，以提供较高的表面移动速度，形成均匀超薄的熔覆层；开启激光器和送粉器，沿金属工件的轴向方向移动激光束1和粉末流2，激光束1熔化金属工件基体表面(工作表面5)以及用于填充的金属粉末，在金属工件工作表面5形成熔池3，对金属工件表面进行熔覆，形成熔覆涂层4。为提高熔覆效果，采用同轴送粉方式，调节激光束1的焦点距金属工件表面的上方1-10mm，调节送粉器的送粉喷嘴距金属工件表面的上方1-2mm。送粉速度决定熔覆效率和质量，输送距离决定焦点位置，也决定熔覆质量，优选地，送粉器的送粉速度为20～160g/min，输送距离1.5～6m。另外，在熔覆加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池保护。当然，在其他一些实施方式中，还可以其他种类的惰性气体如氦气、氖气等对熔池保护，本发明实施例对此不做具体限定。47.本发明实施例在进行超高速熔覆加工时，施加纵向(沿激光束轴向)和横向(垂直于激光束轴向)磁场相互协同实现超高速熔覆过程，通过电磁发生装置获得两种不同方向和频率的磁场辅助超高速激光熔覆过程，能够控制甚至消除熔覆层裂纹和气孔等制造缺陷，从而优化超高速激光熔覆层的涂层表面质量和综合性能。48.以一具体实施例对本发明实施例中的复合磁场辅助超高速激光熔覆的加工方法进行更加详细地说明。49.s1、将待熔覆的金属工件打磨、抛光、酒精清洗、吹干备用，金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上；50.s2、将熔覆的金属粉末进行筛粉、烘干处理后装入送粉器，金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的一种，金属粉末的粒度范围为20～50μm，球形度≥90％；51.s3、将金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上，利用卡盘和顶针夹紧；超高速激光熔覆加工设备包括四轴联动的数控机床，x轴最大工作行程为2000mm，移动速度0-10000mm/min，重复定位精度为0.025mm；c轴的主轴伺服转速0-300r/min，卡盘为手动三爪卡盘，卡盘直径为ф600mm；52.s4、打开横向磁场线圈的电源，调节电流大小为100-500a，输出频率为30-100khz，输出磁场强度为10-100mt；53.s5、打开纵向磁场线圈的电源，调节电流大小为10-30a，输出频率为1-10khz，磁场强度为10-40mt；54.s6、开启超高速激光熔覆加工设备，通过数控机床控制金属工件的移动，在横向磁场和纵向磁场的协同下完成熔覆加工过程；其中加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池保护；采用同轴送粉方式，同轴送粉器的送粉速度为20～160g/min，输送距离1.5～6m，调节激光束焦点在金属工件表面上方1-10mm，调节送粉喷嘴在金属工件表面上方1-2mm；设置金属工件自转线速度为30～300m/min，开启激光器和送粉器，沿金属工件轴向方向移动激光束和粉末流，激光束熔化金属工件基体表面以及填充粉末，对金属工件表面进行熔覆。55.本发明实施例使用不同方向的复合交变磁场辅助制备超高速激光熔覆层，将电磁辅助系统和超高速激光制造系统配合，利用磁场的力效应和热效应在超高速激光制造过程中提供复合能场使材料表面受到热力协同作用，利用纵向磁场调控组织形貌和晶粒尺寸，从而消除熔覆层气孔、裂纹等缺陷，获得均匀致密的高性能制造表面；利用横向磁场对粉末流和熔融金属施加洛伦兹力，控制粉末和液态金属的飞溅，同时对金属工件基体实现预加热来进一步减小超高速激光制造过程中的温度梯度，并且显著提高粉末利用率。56.横向稳态电磁发生装置产生的高频磁场可以产生与平面垂直方向的电磁力，因此施加与纸面垂直向外或向里方向的稳态磁场可以产生指向熔覆层方向或背离熔覆层方向的电磁力从而“拉动”液态熔融金属向后方飞行，使得激光直接照射在工件上的前端区域，产生预热效果。同时，有助于熔融金属向后输运，并更直接地冲刷之前形成的熔覆层的固液结晶面，增大枝晶前端成分过冷。57.磁力线圈施加的纵向磁场在超高速激光熔覆过程中，如图2所示的熔覆层表面形貌对比实验结果表明，纵向稳态磁场有助于提高搭接精度以及整体熔覆层表面精度。如图3所示的微观组织对比表明，纵向稳态磁场辅助熔覆具有一定的晶粒细化作用，相比普通熔覆晶粒均匀性和一致性更好，同时可以减少焊道中的冶金缺陷。如图4所示的力学性能对比表明，纵向稳态磁场辅助熔积有助于提高成形样件的力学性能、减小各向异性。58.如图5所示的纵向和横向交变磁场辅助熔积成形试样的微观组织显示，较小频率的交变磁场有利于细化晶粒，特别是横向交变磁场直接冲刷结晶面，晶粒细化效果更好，过大的磁场频率反而使晶粒粗化。外加磁场可实现对超高速激光熔覆过程的有效控制，合理的工艺参数和磁场参数匹配可以作为超高速激光熔覆性能控制的有效手段。59.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。









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