专利名称：一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，属于激光加工技术领域。
背景技术：
材料与周围环境交互作用后发生的断裂、磨损、腐蚀、氧化与烧损等，一般都是从材料表面开始，然后沿各个方向延伸与发展，它们所带来的破坏与损失已严重影响到生产与生活的安全稳定。因此，采用各种表面防护技术改善材料表面性能，延长其使用寿命，提高其运行的稳定性、安全性与可靠性，具有十分重要的意义。目前，常规的表面防护技术主要有热喷涂、堆焊、物理与化学气相沉积、激光熔覆等。其中，热喷涂具有操作灵活、设备简单、喷涂材料范围广等优点，但不足之处是涂层与基材呈机械结合，组织的致密性较差，使用过程中涂层易剥落。堆焊由于热源的输入功率较大，导致涂层的稀释率大，恶化涂层的性能，而且基材的热影响大，容易发生严重的翘曲变形。虽然物理与化学气相沉积都可以获得高硬度、高耐磨性涂层，但化学气相沉积的反应温度较高并对环境有污染以及对操作人员身体有损伤等问题；物理气相沉积加工条件要求高，需在真空中进行，导致气相沉积的效率低，加工成本高，很难应用于大型零部件的表面防护领域。激光熔覆技术是利用高能密度的激光束将熔覆材料与基材表面薄层同时熔化，当激光束扫描过后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层的一种方法。由于激光熔覆过程中熔覆材料的化学成分可以精确控制，基体的热影响区与热变形小以及制备的熔覆层组织细小、 致密等优点，近年来引起了国内外研究者的广泛关注。但是，激光熔覆技术存在加工效率低、生产成本相对较高，以及熔覆层易产生裂纹等问题，严重阻碍了该技术在工业领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，它是利用激光分束镜将Nd: YAG激光束分成两束激光，一束用于对基材表面进行预热处理，其目的是提高基材对熔覆用的(X)2激光束的吸收率以及降低熔覆过程中的温度梯度；另一束激光用于对形成的涂层进行后热处理，降低涂层内的残余应力，消除熔覆层内的裂纹。因此，在激光熔覆过程中，采用基材预热与涂层后热相结合的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率、降低激光熔覆过程中的温度梯度以及减小涂层内的残余应力， 从而在高效率条件下获得无裂纹的高性能涂层。本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为
(1)基材表面前处理主要包括对基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；基材可以为碳钢、合金钢、铸铁；(2)采用具有定分光比的激光分束镜将功率为0.3^2 kff的Nd: YAG激光器发出的激光束分成两束激光，经聚焦后作用于基材表面。其中，第一束激光为预热激光束，主要用于对基材表面进行预热处理，预热激光束的功率为0. 18 1.2 kW，预热的温度为30(T95(TC;第二束激光为后热激光束，主要用于对形成的涂层进行后热处理；
(3)利用自动送粉器的粉末喷嘴将合金粉末吹入(X)2激光器发出的激光束经聚焦后作用在基材表面形成的熔池内，熔化的合金粉末在基材表面铺展开，当CO2激光束运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层。其中，0)2激光器的功率为2 10 kW，光斑直径为;Γ5 mm，扫描速度为广30 m/min，送粉率为30 260 g/min，粉末喷嘴直径为2. 8 4. 5 mm,与CO2 激光束的夹角为3(Γ50°，与基材表面的垂直距离为6 10 mm，粉末粒径为4(T80 ym；
(4)采用后热激光束对形成的涂层进行后热处理，从而降低涂层内的残余应力，后热激光束的功率为0. 12^0. 8 kW，后热的温度为20(T850°C ；
(5)当激光熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的70 30% ；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)—(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。在进行所述的步骤(2)时，激光分束镜为双面抛光的K9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比为60% :40%，两束激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为3、mm。在进行所述的步骤(3)时，CO2激光器为连续波的横流或轴快流激光器，其发出的激光束作用于预热激光束运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为3 8 mm。在进行所述的步骤(3)时，合金粉末为掺入有(Γ90 wt. %的强化相颗粒的Ni基、 Co基、!^e基与Cu基合金粉末，其中强化相颗粒为碳化物如WC、SiC与TiC，硼化物如TB2与 0 ，硅化物如MoSi2与WSi2，氧化物如Al2O3，，金属间化合金物!^eALNiAl与TiAl。在进行所述的步骤(4)时，后热激光束作用于(X)2激光束运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为3、mm。在进行所述的步骤(5)时，将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70 30%，从而控制连续两道次间的搭接率为30 70%。该方法的优点(1)涂层的稀释率低且可调，与基材呈冶金结合，基材的热影响区小且无变形、开裂。(2)可以有效消除涂层内的残余内应力，改善组织，具有优异的耐磨、耐蚀、抗开裂与抗热震性能；(3)相对常规激光熔覆技术的加工效率最大可提高50倍，使加工成本大幅度降低，具有大规模工业化应用潜力。
图1为本发明的具有预热与后热功能的三光束激光熔覆无裂纹涂层的装置示意图。
具体实施例方式实施例1在42CrMo石油钻杆表面采用具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法制备钴基合金涂层，该涂层的厚度为1. 5mm。本实施例的实施过程为，如图1所示。(1)采用打磨机对42CrMo石油钻杆9的表面进行除锈处理，然后用体积比为1 1 的氢氧化钠与碳酸钠的混合溶液除油，再用纯净水清洗并烘干，最后进行喷砂处理；
(2)采用具有定分光比的激光分束镜11将功率为500W的Nd:YAG激光器2发出的激光束分成激光束Ll与激光束L2，激光束Ll经反射镜12反射与聚焦镜8聚焦后作用于42CrMo 石油钻杆9的表面，用于对42CrMo石油钻杆9的表面进行预热处理，预热激光束的功率为 300W，预热的温度为600°C;激光束L2经反射式聚焦镜15聚焦后作用于42CrMo石油钻杆9 的表面。其中，激光分束镜11为双面抛光的K9玻璃，分光比为60% :40%，激光束Ll与激光束L2在42CrMo石油钻杆9的表面形成的光斑直径均为3 mm ；
(3)利用自动送粉器5的粉末喷嘴6将钴基合金粉末7吹入(X)2激光器14发出的激光束L3经聚焦镜3聚焦后作用在42CrMo石油钻杆9的表面形成的熔池4内，熔化的合金粉末在42CrMo石油钻杆9的表面铺展开，当(X)2激光束L3运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层13。其中，CO2激光器的功率为5 kW，光斑直径为3 mm，利用计算机1调节激光器14的扫描速度为10 m/min与送粉器5的送粉率为120 g/min,粉末喷嘴直径为2. 8 mm, 与CO2激光束的夹角为45°，与42CrMo石油钻杆9表面的垂直距离为6 mm，。另外，CO2激光束L3作用于激光束Ll运动方向的后面，从而控制CO2激光束L3与激光束Ll在42CrMo 石油钻杆9的表面的光斑中心间距为4 mm，钴基合金粉末7的化学成分为2.4 wt. % C, 30 wt. % Cr，13 wt. % W，余量为Co，合金粉末7的平均粒径为45 μ m ；
(4)采用激光束L2对形成的涂层13进行后热处理，从而降低涂层13内的残余应力，后热激光束的功率为200 W，后热的温度为450°C，激光束L2作用于(X)2激光束L3运动方向的后面，从而控制激光束L2与(X)2激光束L3在42CrMo石油钻杆9的表面的光斑中心间距为 3 mm ；
(5)利用计算机1将数控机床10沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的 70 30%，从而控制连续两道次间的搭接率为30 70% ；
(6)检测涂层13的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)- (5)，直到涂层13达到所要求的厚度；否则，工作结束。实施例2
在20Mn2汽车半轴套管表面采用具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法制备镍基碳化钨复合涂层，该涂层的厚度为2. 0mm。本实施例的实施过程为，如图1所示。(1)采用打磨机对20Mn2汽车半轴套管9的表面进行除锈处理，然后用体积比为 1 1的氢氧化钠与碳酸钠的混合溶液除油，再用纯净水清洗并烘干，最后进行喷砂处理；
(2)采用具有定分光比的激光分束镜将功率为2000 W的Nd: YAG激光器2发出的激光束分成激光束Ll与激光束L2，激光束Ll经反射镜12反射与聚焦镜8聚焦后作用于20Mn2 汽车半轴套管9的表面，用于对20Mn2汽车半轴套管9的表面进行预热处理，预热激光束的功率为1200W，预热的温度为900°C ；激光束L2经反射式聚焦镜15聚焦后作用于20Mn2汽车半轴套管9的表面。其中，激光分束镜11为双面抛光的石英玻璃，分光比为60% :40%，激光束Ll与激光束L2在20Mn2汽车半轴套管9的表面形成的光斑直径均为5 mm ；
(3)利用自动送粉器5的粉末喷嘴6将合金粉末7吹入(X)2激光器14发出的激光束 L3经聚焦镜3后作用在20Mn2汽车半轴套管9的表面形成的熔池4内，熔化的合金粉末在 20Mn2汽车半轴套管9的表面铺展开，当(X)2激光束L3运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层13。其中，CO2激光器的功率为10 kW，光斑直径为5 mm，利用计算机1调节激光器14的扫描速度为28 m/min与送粉器5的送粉率为220 g/min,粉末喷嘴直径为4. 5 mm, 与CO2激光束L3的夹角为45°，与20Mn2汽车半轴套管9表面的垂直距离为10 mm。另外， CO2激光束L3作用于激光束Ll运动方向的后面，从而控制(X)2激光束L3与激光束Ll在 20Mn2汽车半轴套管9的表面的光斑中心间距为7 mm，合金粉末7主要由镍基合金粉末与铸造碳化钨颗粒按质量比1:1均勻混合而成，其中镍基合金粉末的化学成分为12-15 wt. % Cr, 1-5 wt. % B, 1-5 wt. % Si,0. 5-8. 5 wt. % Μο，0· 5-6.5 wt. % Cu，0. 6-1.5 wt. % C, 2-10 wt. % Fe，0. 01-1 wt. % Y，余量为Ni，合金粉末7的平均粒径为56 μ m ；
(4)采用激光束L2对形成的涂层13进行后热处理，从而降低涂层13内的残余应力，后热激光束的功率为800 W，后热的温度为750°C，激光束L2作用于(X)2激光束L3运动方向的后面，从而控制激光束L2与(X)2激光束L3在20Mn2汽车半轴套管9的表面的光斑中心间距为5匪；
(5)，利用计算机1将数控机床10沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的 70 30%，从而控制连续两道次间的搭接率为30 70% ；
(6)检测涂层13的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)- (5)，直到涂层13达到所要求的厚度；否则，工作结束。
权利要求
1.一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是方法步骤为(1)基材表面前处理主要包括对基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理，基材可以为碳钢、合金钢、铸铁；(2)采用具有定分光比的激光分束镜将功率为0.3^2 kff的Nd: YAG激光器发出的激光束分成两束激光，经聚焦后作用于基材表面，其中，第一束激光为预热激光束，主要用于对基材表面进行预热处理，预热激光束的功率为0. 18 1.2 kW，预热的温度为30(T95(TC;第二束激光为后热激光束，主要用于对形成的涂层进行后热处理；(3)利用自动送粉器的粉末喷嘴将合金粉末吹入(X)2激光器发出的激光束经聚焦后作用在基材表面形成的熔池内，熔化的合金粉末在基材表面铺展开，当CO2激光束运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层；其中，CO2激光器的功率为2 10 kW，光斑直径为3飞 mm，扫描速度为广30 m/min，送粉率为30 260 g/min，粉末喷嘴直径为2. 8 4. 5 mm,与CO2 激光束的夹角为3(Γ50°，与基材表面的垂直距离为6 10 mm，粉末粒径为4(T80 ym；(4)采用后热激光束对形成的涂层进行后热处理，从而降低涂层内的残余应力，后热激光束的功率为0. 12^0. 8 kW，后热的温度为20(T850°C ；(5)当激光熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的70 30% ；(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)—(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
2.根据权利要求1所述的一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是在进行所述的步骤(2)时，激光分束镜为双面抛光的K9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比为60% :40%，两束激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为3飞 mmD
3.根据权利要求1所述的一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是在进行所述的步骤(3)时，CO2激光器为连续波的横流或轴快流激光器，其发出的激光束作用于预热激光束运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为3 8 mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是在进行所述的步骤(3)时，合金粉末为掺入有(Γ90 wt. %的强化相颗粒的Ni基、Co基、!^e基与Cu基合金粉末，其中强化相颗粒为碳化物如WC、SiC与TiC，硼化物如TW2与0 ，硅化物如MoSi2与WSi2，氧化物如Al2O3，ZrO2,金属间化合金物i^Al、NiAl 与 TiAl。
5.根据权利要求1所述的一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是在进行所述的步骤(4)时，后热激光束作用于CO2激光束运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为3、mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其特征是在进行所述的步骤(5)时，将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的7(Γ30%，从而控制连续两道次间的搭接率为3(Γ70%。
全文摘要
本发明公开了一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，首先，采用激光分束镜将Nd:YAG激光器发出的激光束分成两束激光，一束激光为预热激光束，用于对基材表面进行预热处理；另一束激光为后热激光束，用于对形成的涂层进行后热处理；然后，利用粉末喷嘴将合金粉末吹入CO2激光器发出的激光束经聚焦后作用在基材表面形成的熔池内，当CO2激光束运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层；最后，采用后热激光束对形成的涂层进行后热处理。该方法的优点(1)涂层的稀释率低且可调，与基材呈冶金结合，基材的热影响区小且无变形、开裂。(2)可以有效消除涂层内的残余内应力，改善组织，具有优异的耐磨、耐蚀、抗开裂与抗热震性能；(3)相对常规激光熔覆技术的加工效率最大可提高50倍，使加工成本大幅度降低，具有大规模工业化应用潜力。
文档编号C23C24/10GK102383126SQ20111035225
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者周圣丰, 戴晓琴 申请人:南昌航空大学