专利名称：复合聚焦高能密度光束熔覆设备及熔覆方法
技术领域：
本发明属于材料加工技术领域，特别涉及材料表面改性所采用的熔覆设备和工艺方法。
材料的破坏往往从表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化、疲劳断裂等。因此，根据服役工况而采取合理的表面改性技术可赋予本体材料难以甚至无法获得的表面性能，从而有效延长材料的使用寿命，节约资源，减少环境污染，提高生产力。在众多的表面改性技术中，以激光熔覆为代表的高能密度表面熔覆技术由于熔覆层精度高、熔覆过程可控制性好等特点在国内外获得了迅速发展。但激光设备一次投资大、运行成本高、能量转换效率低(10％以下)，严重制约着其在工业生产中的推广应用。氙灯辐射聚焦光束设备成本仅为同功率激光设备的1/3，能量转换效率高达50％，设备运行过程不消耗He等昂贵气体，因此，聚焦光束熔覆技术受到了工业发达国家如德国、日本、俄罗斯等的高度重视。
国外现有的聚焦光束熔覆设备均采用椭球面反光镜一次聚焦获得圆形光斑，焦点处的最高功率密度都在103W/cm2的范围内，因此，不仅熔覆效率低、工艺复杂、浪费能源，而且会影响到熔覆层的组织和性能。如德国报道的聚焦光束熔覆设备采用6.5kW风冷式氙灯做光源，采用椭球面反光镜一次聚焦后的功率密度为1×103W/cm2，熔覆过程只能借助真空仓实现。日本采用5kW风冷氙灯经短焦距椭球面反光镜聚焦后，熔覆过程可在大气中实现，但每道熔覆层需经光束3~4次扫描方能完成，效率很低。前苏联所报道的熔覆设备的主要特点是采用水冷式氙灯为光源，单光源功率达10kW，但水冷氙灯的致命弱点是能量转换效率远低于风冷氙灯，为弥补能量转换效率低而带来的功率密度不足的弱点，常采用多光源方法，这势必造成能源浪费和成本提高，其光束聚焦同样借助椭球面反光镜，熔覆过程在保护气氛工作仓中进行，工艺灵活性差，不易在生产中推广应用。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种复合聚焦高能密度光束熔覆设备及熔覆方法，能在大气中借助动态保护气体实现材料表面改性，不仅熔覆设备成本低，熔覆工艺简单，熔覆效率高，具有低成本、低消耗、无污染特点，而且通过能量密度的提高显著地改善了熔覆层的组织和性能，如熔覆层稀释率的降低、细化晶粒以及强化相的获得等。
本发明所提出的一种复合聚焦高能密度光束熔覆设备，包括组装在一壳体中的5kW风冷式氙灯及其触发系统、冷却系统，光学聚焦单元，以及通过电缆与氙灯及其触发系统相连的稳流电源，和置于该壳体下方的水平移动工件台；其特征在于，所说的光学聚焦单元采用由椭球面反光镜和凸透镜组成的二级聚焦系统，所说的氙灯、反光镜和透镜的光轴重合且光轴垂直于工件台，所说的氙灯置于一级聚焦系统反光镜的近焦点处，所说的凸透镜置于一水冷套中，还包括设置在所说的凸透镜水冷套下端的双层气流熔覆喷嘴，该双层气流熔覆喷嘴由一中空圆柱及气泵构成，该圆柱壁内设置有相互独立的两个环行的水平气体通道和垂直气体通道，该两个气体通道的进气口与所说的气泵相连，该两个气体通道的出气口分别开置在圆柱内壁上和圆柱的底面上。
本发明采用的熔覆材料为铁基、铜基、镍基或钴基等合金粉末，其熔覆工艺方法包括以下步骤1)将待熔覆工件置于移动工件台上，将熔覆粉末材料与有机粘结剂混合均匀后涂覆在待熔覆零件表面，涂层厚度为0.1~3.0mm，宽度为4.0~6.0mm。
2)将待熔覆工件置于光束的焦面上，光束功率为3~5kW，工件随工件台的移动速度为0.1~2.0mm/s，经光束一次扫描，预涂熔覆粉末熔化后凝固并与零件的本体材料形成冶金结合的表面强化涂层。
本发明的工作原理为一级聚焦系统椭球面反光镜近焦点处的5kW风冷式球形氙灯的光辐射经反光镜一次聚焦和凸透镜二次聚焦后，在光束聚焦焦面上获得的圆形光斑，光束功率密度因此提高至104W/cm2。为防止熔覆金属的氧化烧损及金属蒸气对光学系统的污染，设计了双层气流熔覆喷嘴，上层气流为二级光学系统提供气帘保护，下层气流形成气罩保护熔池。光束相对于被处理工件的扫描运动依靠工件台的运动实现。
本发明的特点为采用反光镜和凸透镜复合的聚焦方式，通过降低光斑尺寸的方法提高光束能量密度；采用双层气流熔覆喷嘴实现对光学系统和熔覆金属的双重保护，从而实现大气中的熔覆工艺过程。本发明经采用复合聚焦方式及特殊的熔覆喷嘴，不仅降低了能耗，而且熔覆过程无需控制气氛工作仓在大气中经光束一次扫描即可实现合金粉末的表面熔覆，使工艺过程简便易行，熔覆效率高，工业生产中易推广。
光束熔覆过程中金属的蒸发易污染光学聚焦系统，因此会缩短熔覆设备寿命；此外，熔覆过程若不对熔池施加可靠的保护，熔覆合金的氧化烧损极为严重，这不仅会改变熔覆粉末的设计成分和熔覆层的使用性能，而且将严重恶化熔覆工艺性能，甚至引起冶金缺陷。因此，对光学聚焦系统和熔池的保护十分重要。本发明设计的双层气流熔覆喷嘴内置相互独立的两个环行气体通道，内环通道的气体水平喷出，形成“气帘”，屏蔽由熔池逸出的金属蒸气，为降低成本可采用廉价中性气体。外环通道的气体与零件表面呈一定角度向下喷出，在熔池周围形成屏蔽“气罩”，为降低熔池周围的氧分压，采用高纯度中性气体或惰性气体。
本发明的效果本发明采用反光镜和凸透镜复合聚焦方法提高光束能量密度，采用双层气流熔覆喷嘴实现对光学聚焦系统和熔覆金属的双重保护，在大气中经光束一次扫描即可获得与本体材料形成可靠冶金结合及稀释率低于10％的熔覆层，该方法工艺简单，低成本、低消耗，无污染。
附图的简要说明
图1为本发明的复合聚焦高能密度光束熔覆设备实施例示意图。
图2为图1中二次聚焦系统及双层气流熔覆喷嘴结构示意图。
本发明的一种复合聚焦高能密度光束熔覆设备及熔覆方法实施例结合附图详细说明如下本发明的熔覆设备如图1、2所示，包括设置在壳体10中的5kW风冷式氙灯2及其触发系统(图中未示出)、冷却系统1，由椭球面反光镜3和凸透镜5组成的二级聚焦系统，以及设置在壳体外通过电缆与氙灯及其触发系统相连的稳流电源(图中未示出)，和置于该壳体下方的水平移动工件台4；氙灯2、反光镜3和凸透镜5的光轴重合且光轴垂直于工件台4，氙灯2置于一级聚焦系统反光镜3的近焦点处，凸透镜5置于一水冷套6中，双层气流熔覆喷嘴7固定在凸透镜水冷套6的下端，该双层气流熔覆喷嘴由一中空圆柱及气泵(图中未示出)构成，该圆柱壁内设置有相互独立的两个环行的水平气体通道和垂直气体通道，该两个气体通道的进气口与所说的气泵相连，该两个气体通道的出气口71、72分别开置在圆柱内壁上和圆柱的底面上。
本实施例设备的工作原理为风冷系统1垂直向下送风冷却反光镜3及置于反光镜3近焦点F1处的氙灯2，经反光镜3一级聚焦后的光束以45°入射角投射到透镜5上，透镜5的水平几何对称轴面与反光镜的远焦点F2间距即物距u可通过调节透镜5与反光镜3的近焦点F1间的距离得以控制，透镜5水平置于水冷套6上并与其内表面紧密接触以获得良好冷却效果，双层气流熔覆喷嘴7与水冷套6螺纹式套接，双层气流熔覆喷嘴7内置相互独立的两个环行气体通道，内环通道的气体水平喷出，形成“气帘”，屏蔽由熔池逸出的金属蒸气，外环通道的气体与零件表面呈一定角度向下喷出，在熔池周围形成屏蔽“气罩”。置于工件台4上的预涂在零件41上的合金粉末8经聚焦光束加热熔化，熔化后的合金随工件台的运动离开光束后凝固并形成熔覆层9。
本实施例熔覆工艺方法的步骤为1)待熔覆零件置于移动工件台上，将熔覆粉末材料与有机粘结剂混合均匀后涂覆在待熔覆零件表面；2)将待熔覆工件置于光束的焦面上，工件台移动，使光束对待熔覆工件进行一次扫描后，预涂熔覆粉末熔化后凝固并与零件的本体材料形成冶金结合的表面强化涂层。
本实施例的熔覆方法的工艺参数(三组不同条件)如表1所示，形成的熔覆层表面硬度达HRC50—62，稀释率5—10％。
表1以镍基合金为熔覆材料的光束熔覆工艺参数
权利要求
1.一种复合聚焦高能密度光束熔覆设备，包括组装在一壳体中的5kW风冷式氙灯及其触发系统、冷却系统、光学聚焦单元，以及通过电缆与氙灯及其触发系统相连的稳流电源，和置于该壳体下方的水平移动工件台；其特征在于，所说的光学聚焦单元采用由椭球面反光镜和凸透镜组成的二级聚焦系统，所说的氙灯、反光镜和透镜的光轴重合且光轴垂直于工件台，所说的氙灯置于一级聚焦系统反光镜的近焦点处，所说的凸透镜置于一水冷套中，还包括设置在所说的凸透镜水冷套下端的双层气流熔覆喷嘴，该双层气流熔覆喷嘴由一中空圆柱及气泵构成，该圆柱壁内设置有相互独立的两个环行的水平气体通道和垂直气体通道，该两个气体通道的进气口与所说的气泵相连，该两个气体通道的出气口分别开置在圆柱内壁上和圆柱的底面上。
2.采用如权利要求1所述熔覆设备的熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤1)将待熔覆工件置于移动工件台上，将熔覆粉末材料与有机粘结剂混合均匀后涂覆在待熔覆零件表面，涂层厚度为0.1—3.0mm，宽度为4.0—6.0mm；2)将待熔覆工件置于光束的焦面上，光束功率为3~5kW，工件随工件台的移动速度为0.1—2.0mm/s，经光束一次扫描，预涂熔覆粉末熔化后凝固并与零件的本体材料形成冶金结合的表面强化涂层。
全文摘要
本发明属于材料加工技术领域,包括装在一壳体中的5kW风冷式氙灯及其触发系统、冷却系统,由椭球面反光镜和凸透镜组成的二级聚焦系统,以及稳流电源,和水平移动工件台;该氙灯、反光镜和透镜的光轴重合且光轴垂直于工件台,还包括设置在所说的凸透镜下端的双层气流熔覆喷嘴,本发明不仅熔覆设备成本低,熔覆工艺简单,熔覆效率高,具有低成本、低消耗、无污染特点,而且通过能量密度的提高显著地改善了熔覆层的组织和性能。
文档编号C23C24/00GK1328174SQ0110941
公开日2001年12月26日 申请日期2001年3月9日 优先权日2001年3月9日
发明者单际国, 吴爱萍, 任家烈, 张迪 申请人:清华大学