专利名称：一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法
技术领域：
本发明涉及一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，具体地说是一种改善预置法复合涂层气孔问题，起到细化激光复合涂层显微组织，使颗粒增强相均匀分布的方法，属激光加工技术领域。
背景技术：
在材料激光加工领域，激光表面改性技术自80年代以来越来越受到人们的关注和重视。围绕激光加工的特点，人们相继研究并开发出一些具有工业应用前景的激光表面改性技术。其中激光熔覆技术，它是在基材表面预置或同步添加所需要的熔覆粉末，利用高能密度激光束扫描熔覆粉末，使其与基底表层同时熔化，并通过基底的激冷作用来实现快速凝固，从而形成与基底呈现冶金结合、且稀释率较低的表面涂层。由于激光具有能量密度高、对非激光照射部位影响极小等特点，可获得快速凝固的细小表面层晶粒组织或亚结构，同时也可原位形成细小弥散的碳化物硬质相。近十年来激光熔覆技术在材料表面改性方面受到高度的重视，在汽车制造工业、航空航天工业、石油、模具等行业中应用广泛，也包括对航空发动机涡轮叶片裂纹修复，高铬铸铁轧辊和轴类零件表面的修复。激光熔覆技术拥有众多优势的同时也存在亟待解决的缺陷。首先，在熔覆粉末选择方面的复合粉末，因其是由含有两种或两种以上的粉末组合而成，存在粒度和密度的不同，同步送粉法不利于复合粉末中各组分的均匀分布，多数采用预置粉末法，这就涉及到有机粘结剂的使用，目前尚不存在受热挥发后不产生气体残留的粘结剂，所以导致涂层内部会存在或多或少的气体残留所形成气孔，将直接影响到涂层的使用寿命。其次，由于激光熔覆过程中基材与熔覆层的结合界面存在较大的温度梯度，垂直于结合面方向存在快速凝固行为，组织特征为外延生长的粗大树枝晶，涂层内部组织晶粒大小程度不一和颗粒增强相呈不均匀分布，不利于涂层机械性能的稳定性；因此，预置法制备复合涂层的残余气孔，组织均匀性和颗粒增强相分布问题将影响颗粒增强复合涂层的进一步发展。经对国内外公开发表的相关文献检索发现，目前在材料加工领域，上海工程技术大学的杨尚磊、林庆琳等人在专利CN102277552A “采用电弧一等离子喷涂一激光重熔的金属表面处理方法”中提出了首先用钨极惰性气体保护电弧将处理的工件表层熔化成熔池，同时将喷涂粉末材料喷入熔池内，通过等离子弧吹力对熔池进行搅拌，形成致密而结合强度极高的熔一喷涂层，最后通过激光重熔技术对表面进行重熔处理。该工艺三种材料表面加工技术，由于每种工艺对相同的涂覆材料要设置不同的工艺参数，得到优化的工艺参数需要大量实验和时间验证，在操作方面不够简化。北京科技大学的周香林、张济山等人在专利CN1456707A “一种激光熔覆金属间化合物/陶瓷复合涂层及制备方法”中提出了通过热喷涂获得预制涂层，然后进行激光处理，得到激光熔覆层。此工艺对热喷涂涂层的厚度有直接联系，当热喷涂涂层较薄时，后续重熔的激光处理可以消除热喷涂涂层所残留的缺陷，但如果热喷涂涂层超过激光处理所能达到的厚度时，靠近基材的涂层将无法实现重熔，而此区域的质量将无法得到有效的改善，因此产生了对涂层厚度的局限性和制约性。
振动应用在金属铸件的历史可以追溯到20世纪50、60年代，当时已有振动可能改变部分微观结构、改善力学性能、减少缺陷的观点。这种观点在对铸造铝合金和钢的研究中得到了证实，凝固过程中的振动能量会破碎树枝晶臂，使树枝晶趋于均匀化。经检索，尚未发现利用外加振动激光重熔技术来影响熔池内熔体的流动及晶体形核长大，从而改善涂层组织，颗粒增强相分布和消除预置法制备激光熔覆涂层气孔的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，利用振动及激光重熔技术，达到消除激光熔覆复合涂层内部气孔及表面质量，改善激光熔覆层显微组织和性能。本发明通过下列技术方案实现一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，使用大功率横流CO2激光熔覆设备，在基材表面制备激光重熔复合涂层，采用预置粉末 法，用常规激光熔覆技术在基材表面制备复合涂层，并采用激光重熔技术对涂层进行二次处理，其中，在激光熔覆的过程中，对基材进行振动，在振动条件下，完成激光熔覆。具体步骤如下
A、基材表面预处理视基材表面氧化层或粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水乙醇清洗，冷风吹干；
B、粉末处理将待熔覆的粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接剂将待熔覆的复合粉末均匀混合调和成膏状，将待熔覆粉末以矩形长条状形式预置在基材的表面；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在80 100°C下真空加热硬化I 2h，以形成预置层；
D、激光熔覆将基材进行振动，并使步骤C所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔覆，使步骤C所得预置层与基材实现冶金结合；
E、激光重熔在激光熔覆后暂停振动2(T60s，再将经冶金结合后的基材进行振动，并置于激光加工设备中在保护气氛下进行激光重熔，即形成激光重熔复合涂层。所述步骤D和E的激光熔覆和激光重熔的工艺参数为功率I. 5 4kW、扫描速度200 600mm/min、光斑直径 5mm。所述步骤D和E的振动频率为50 400Hz、振幅为20 200 U m。振动参数根据
实际需要在给定范围内选择，保证激光重熔复合涂层的显微组织，颗粒增强相分布和改善气孔达到预期目标即可。本发明具备的优点和效果将振动通过基体材料传递给熔池，对激光熔覆及重熔过程施加激振力，其中的重熔技术可以有效地减轻激光熔覆后涂层残留的气孔，而持续激振力可影响熔池液态金属的流动性从而优化涂层内部颗粒增强相的分布，使颗粒增强相在涂层内分布均匀的同时，通过对其形核长大冷却条件的影响达到增加数量的目的；最终获得涂层表面及内部无气孔残留，显微组织均匀致密，细化、颗粒增强相均匀分布的激光重熔复合涂层。本发明方法适用于通过预置粉末法激光重熔对金属零件进行修复和表面强化等相关技术领域。本发明的方法简单易行，能改善复合涂层组织及表面质量，提高其使用寿命。
图I为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层的纵向截面形貌 图2为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的底部200倍金相放大 图3为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的中部200倍金相放大 图4为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的顶部200倍金相放大图； 图5为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的底部1000倍金相放大 图6为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的中部1000倍金相放大 图7为无机械振动时在45钢基上激光重熔NiCrBSi+TiC复合涂层各区域的顶部1000倍金相放大 图8为本发明实施例I机械振动激光重熔下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层的纵向截面形貌 图9为本发明实施例2机械振动激光重熔下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层的纵向截面形貌 图10为本发明实施例3机械振动激光重熔下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层的纵向截面形貌 图11为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的底部200倍金相放大 图12为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的中部200倍金相放大 图13为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的顶部200倍金相放大 图14为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的底部1000倍金相放大 图15为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的中部1000倍金相放大 图16为本发明实施例I机械振动下在45钢基上激光熔覆NiCrBSi+TiC复合涂层各区域区的顶部1000倍金相放大图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。实施例I在尺寸为IOOmmX 40mmX 6mm的45钢板材基材上，进行NiCrBSi合金粉末+TiC粉末的复合激光熔覆涂层。所用熔覆材料为NiCrBSi自熔性合金粉末(原子百分比组分0. 7
I.0 C，3. 5 5. 5 Si, 3. 0 4. 5 B，15 18 Cr, Fe〈10，Ni 余量)，加入 TiC 占复合粉末总质量分数5%，搅拌均匀后加入有机粘结剂预置在45钢基材表面。A、基材表面预处理视基材表面氧化层或粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水乙醇清洗，冷风吹干；
B、粉末处理将待熔覆的粉末置于真空中在110°C下烘干30h后，再用粘接剂将待熔覆的复合粉末均匀混合调和成膏状，将待熔覆粉末以矩形长条状形式预置在基材的表面；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在100°C下真空加热硬化lh，以形成预置层；
D、激光熔覆将基材在振动频率为300Hz、振幅为140u m下进行振动，并使步骤C所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔覆，激光熔覆的工艺参数为功率I. 5 4kW、扫描速度200 600mm/min、光斑直径5_，使步骤C所得预置层与基材实现冶金结合；
E、激光重熔在激光熔覆后暂停振动60s，再将经冶金结合后的基材在振动频率为300Hz、振幅为140 进行振动，并置于激光加工设备中在保护气氛下进行激光重熔，激光重熔的工艺参数为功率I. 5 4kW、扫描速度200 600mm/min、光斑直径5mm，即形成激光重熔复合涂层。对经上述过程所得的NiCrBSi +TiC复合涂层，沿平行于激光熔覆扫描方向取样，纵向截面形貌图如图8中所示；该样经镶嵌、研磨和抛光，用王水腐蚀剂腐蚀后得到金相试样，使用光学显微镜观察微观组织各区域金相放大图，如图11 16所示。实施例2
方法均与实施例I相同，仅激光熔覆和激光重熔时振动的频率为100Hz、振幅为140 u mo所获得涂层纵向截面形貌图如图9所示。实施例3
方法均与实施例I相同，仅激光熔覆和激光重熔时振动的频率为200Hz、振幅为140 u mo所获得涂层纵向截面形貌图如图10所示。实施例4
方法均与实施例I相同，仅激光熔覆和激光重熔时振动的频率为50Hz、振幅为200 u m。实施例5
方法均与实施例I相同，仅激光熔覆和激光重熔时振动的频率为400Hz、振幅为20 u m。实施例6
A、基材表面预处理视基材表面氧化层或粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水乙醇清洗，冷风吹干；
B、粉末处理将由Ni60和TiC组成的待熔覆的粉末置于真空中在100°C下烘干36h后，再用粘接剂将待熔覆的复合粉末均匀混合调和成膏状，将待熔覆粉末以矩形长条状形式预置在基材的表面；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在90°C下真空加热硬化2h，以形成预置层；
D、激光熔覆将基材在振动频率为50Hz、振幅为20ii m下进行振动，并使步骤C所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔覆，激光熔覆的工艺参数为功率I. 5kW、扫描速度600mm/min、光斑直径5mm,使步骤C所得预置层与基材实现冶金结合；
E、激光重熔在激光熔覆后暂停振动30s，再将经冶金结合后的基材在振动频率为50Hz、振幅为20 y m进行振动，并置于激光加工设备中在保护气氛下进行激光重熔，激光重熔的工艺参数为功率I. 5kW、扫描速度600mm/min、光斑直径5mm，即形成激光重熔复合涂层。实施例7
A、基材表面预处理视基材表面氧化层或粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水乙醇清洗，冷风吹干；
B、粉末处理将由Al2O3和Ti组成的待熔覆的粉末置于真空中在120°C下烘干24h后，再用粘接剂将待熔覆的复合粉末均匀混合调和成膏状，将待熔覆粉末以矩形长条状形式预置在基材的表面；
C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在80°C下真空加热硬化I. 5h，以形成预置层；
D、激光熔覆将基材在振动频率为400Hz、振幅为200u m下进行振动，并使步骤C所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔覆，激光熔覆的工艺参数为功率4kW、扫描速度200mm/min、光斑直径5mm,使步骤C所得预置层与基材实现冶金结合；
E、激光重熔在激光熔覆后暂停振动20s，再将经冶金结合后的基材在振动频率为400Hz、振幅为200 进行振动，并置于激光加工设备中在保护气氛下进行激光重熔，激光重熔的工艺参数为功率4kW、扫描速度200mm/min、光斑直径5mm，即形成激光重熔复合涂层。通过对比本发明和未采用机械振动重熔措施的涂层显微组织，可以看出两者的明显差异图I中复合涂层内部存在孔洞，总体质量不理想，而图8 10中各振动参数和重熔条件下的复合涂层内部质量得到了显著改善，孔洞已消除，组织致密，质量理想。图3 8中复合涂层内部显微组织存在残余气孔，涂层底部(图2、5)存在明显的初生树枝晶，涂层中部(图3、6)和顶部(图4、7)，枝晶内部颗粒增强相分布不均匀，存在数量上的波动。结果表明，随着距结合界面距离的增加，熔 覆区的组织形貌变化明显，结合界面处由外延生长的粗大树枝晶组成，熔覆层各区域表现出不均匀性和多样性，颗粒增强相分布不均匀。而通过对有机械振动时的同样部位其显微组织的观察(图11 16)，可以发现，涂层各区域显微组织发生了显著变化，具体体现在沿结合界面生长的粗大树枝晶已被细小枝晶和等轴晶替代，涂层基体相存在形式以胞状树枝晶和等轴晶为主，且细化程度加深，组织分布更加均匀，颗粒增强相分布由涂层底部(图11、14)至顶部(图13、16)在枝晶内部和枝晶间数量呈稳步增加趋势，总体分布较均匀，涂层内部已无气孔残留。通过以上的对比分析，可得出对比未加机械振动重熔处理的熔覆层，通过熔覆过程中施加机械振动和重熔处理，涂层纵向截面质量得到明显改善，在一定的振动参数范围内，显微组织均匀、细化，颗粒增强相由底部至顶部呈稳步增加趋势分布，内部残余气孔消失。可见，本发明实现了对激光复合涂层组织均匀，晶粒细化，控制颗粒增强相在涂层内的均匀分布，消除涂层内部残余气孔的作用，这将对激光熔覆技术在预置粉末法修复零件或增强材料表面性能领域产生有利影响，对获得梯度复合涂层方面起到重要的意义。
权利要求
1.一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，其特征在于包括下列步骤使用大功率横流CO2激光熔覆设备，在基材表面制备激光重熔复合涂层，采用预置粉末法，用常规激光熔覆技术在基材表面制备复合涂层，并采用激光重熔技术对涂层进行二次处理，其中，在激光熔覆的过程中，对基材进行振动，在振动条件下，完成激光熔覆。
2.根据权利要求I所述的振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，其特征在于具体步骤如下 A、基材表面预处理视基材表面氧化层或粗糙度的不同，对其打磨后用丙酮和无水乙醇清洗，冷风吹干； B、粉末处理将待熔覆的粉末置于真空中在100 1 20°C下烘干24 36h后，再用粘接剂将待熔覆的复合粉末均匀混合调和成膏状，将待熔覆粉末以矩形长条状形式预置在基材的表面； C、将步骤B预置在基材表面的待熔覆粉末条状在自然条件下晾干或在80 100°C下真空加热硬化I 2h，以形成预置层； D、激光熔覆将基材进行振动，并使步骤C所得预置层置于激光加工设备中在保护气氛下进行熔覆，使步骤C所得预置层与基材实现冶金结合； E、激光重熔在激光熔覆后暂停振动2(T60s，再将经冶金结合后的基材进行振动，并置于激光加工设备中在保护气氛下进行激光重熔，即形成激光重熔复合涂层。
3.根据权利要求2所述的振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，其特征在于所述步骤D和E的激光熔覆和激光重熔的工艺参数为功率I. 5 4kW、扫描速度200 600mm/min、光斑直径 5mm。
4.根据权利要求2所述的振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，其特征在于所述步骤D和E的振动频率为50 400Hz、振幅为20 200 u m。
全文摘要
本发明涉及一种振动改善激光重熔复合涂层显微组织的方法，采用预置粉末法，将待熔覆试样以夹具装置固定于电磁振动台的台面，在激光熔覆过程中辅助中高频低振幅振动，使金属液在熔池凝固过程中受到机械振动提供的激振力作用，得到高质量的激光复合涂层。本发明能有效地消除涂层残留的气孔，优化涂层内部颗粒增强相的分布，使颗粒增强相在涂层内分布均匀；最终获得涂层表面及内部无气孔残留，显微组织均匀致密，细化、颗粒增强相均匀分布的激光重熔复合涂层。本发明的方法简单易行，能改善复合涂层组织及表面质量，提高其使用寿命。
文档编号C23C24/10GK102719823SQ201210225570
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者刘洪喜, 周荣, 张晓伟, 王传琦, 蒋业华 申请人:昆明理工大学