专利名称：一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其专用装置。
背景技术：
激光熔覆技术是利用高能密度的激光束使熔覆材料与基体表层熔凝后形成具有冶金结合特征熔覆层的一种先进表面改性技术，其目的是改善基体的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性能，使廉价工程材料表面获得良好的综合性能，是一种经济实用的表面强化手段，在汽车、航天航空、模具、轧辊、石油、热能动力等行业中有着广泛的应用。众所周知，激光快速熔凝所具有高温度梯度、高速度的凝固特征，使所得的熔覆层凝固组织易形成方向强、粗大的柱状枝晶，其不仅降低了熔覆层的力学性能，更容易诱发涂层结晶裂纹、气孔等缺陷形成，对熔覆层的质量产生不利影响，这阻碍了激光熔覆技术快速实现工业化的进程。因此， 改善熔覆层凝固组织并使其细化具有重要研究意义。经对国内外公开发表的相关文献检索发现，目前改善熔覆层凝固组织的主要方法是添加变质剂和后热处理，例如，沈以赴(参见沈以赴，程继志，冯中潮.中国稀土学报，1997，15(4) : 34Γ349)在A3钢上用激光快速熔凝含稀土的涂层以获得含稀土较多的表面改性层，得出稀土的加入可实现微合金化、净化晶界、细化晶粒、抑制柱状晶生长，偏聚于晶界改善晶界状态。姚宁娟(参见姚宁娟，侯立群，陆伟，陈铠.中国表面工程，2002，55(2) : Γ3)研究了激光熔覆处理后对涂层进行热处理的显微组织，得出后热处理可改善变形和表面应力状态、细化组织、提高硬度等。无论是在熔覆材料中添加变质剂，还是熔覆后热处理都一定程度上增加熔覆件的成本，并且耗能耗材、熔覆效率低。采用外加磁场控制金属凝固过程，具有附加装置简单、投入成本低、效益高和耗能少等特点，引起了研究者的广泛兴趣。早在1965年，W. C. Johnson等就对磁场作用下的金属凝固进行了试验研究。结果发现，对正在凝固的金属施加一个交变磁场后，可以减小等轴晶区内的晶粒尺寸，同时还可以减小柱状晶区的相对体积。1983年，T. A. El-Bassyouni用试验证明，单一的交变磁场同样能够明显细化晶粒。目前，交变磁场被广泛用于控制焊接熔池凝固过程，因其在焊接区产生电磁力，对液态金属起到一定的搅拌作用，使其在塑性环中运动起来，可以破碎柱状晶，得到等轴晶，并且使组织得到细化，提高焊缝的力学性能，降低气孔、裂纹等焊接缺陷的敏感性，被称为“无缺陷焊接”。经过进一步检索，尚未发现利用外加交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其专用装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其专用装置，解决激光熔覆涂层存在裂纹、气孔、组织不均匀、熔覆层温度梯度大等问题。本发明通过下列技术方案实现一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法，用常规送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，施加交变磁场作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆的过程在交变磁场下进行，且交变磁场产生的磁力线方向与激光熔覆的扫描速度方向相垂直。所述交变磁场为磁力线方向交替变化的磁场。所述交变磁场的磁场电流为O 9A，磁场强度为O 47. 7mT。本发明的另一目的在于提供上述交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的装置，包括冷却器1、C02激光器2、氩气保护装置3、同步送粉器4、夹具装置5、交变磁场6、熔覆基体7、数控操作台8，其中，冷却器I与CO2激光器2相连，CO2激光器2上设置激光枪头9，同步送粉器4与氩气保护装置3相连，氩气保护装置3与激光枪头9相连，同步送粉器4向通过保护气体喷嘴I向夹具装置5上的熔覆基体7喷送复合层粉末，交变磁场6设置在熔覆基体7下方，数控操作台8与冷却器I、CO2激光器2、同步送粉器4、夹具装置5相连。操作时，先将待熔覆基体表面进行打磨、除油后用无水乙醇和丙酮反复清洗，并将其用夹具装置5固定于载物台上；将合金粉末或金属陶瓷复合粉末置于干燥箱中100 150°C干燥10h，待冷却后加入送粉器中；将激光束聚焦之后辐照在磁力线区域内，采用同步送粉方式，使交变磁场产生的磁力线方向与激光熔覆的扫描速度方向相垂直进行激光熔覆处理，同时通入高纯氩气保护，获得复合涂层。通过设计的电路及作用线圈而构成的交变磁场发生装置，利用其产生的交变磁场作用于激光熔池，加速熔池内液态金属的对流，以实现改善熔覆层凝固组织并使其细化的目的。当线圈通入一定频率的交变电流时，在激光熔池内部将产生交变的感应电流，磁场与感应电流之间发生电磁作用，产生沿径向将熔融金属拉离熔覆层中心的交变电磁力，从而使熔融金属产生了规则的波动。这种波动对凝固过程的影响与通常的强化对流产生的影响是没有实质区别的，其可使凝固过程中正在生长的树枝晶或难以长大，或被折断、击碎，成为新的晶核，从而细化熔覆层凝固组织；另一方面，由于激光熔池液态金属对流被强化，也可缓解熔覆层的裂纹、气孔和组织化学成分不均匀等问题。本发明方法具有以下明显优势
(1)本发明可显著细化熔覆层的凝固组织；当线圈通入一定频率的交变电流时，就会在金属熔体与磁场线圈之间产生交变磁场，通过控制交变磁场的强度就可改变熔覆层凝固组织形态，细化晶粒；
(2)本发明的装置简单、投入成本低、效益高等特点；
(3)无污染、且节能节材。由于交变磁场作用不直接接触激光熔池金属，不会对其产生污染。
图I为本发明所述装置的结构示意图；图中，I-冷却器、2_0)2激光器、3-氩气保护装置、4-同步送粉器、5-夹具装置、6-交变磁场、7-熔覆基体、8-数控操作台、9-激光枪头；
图2为交变磁场控制的原理示意 图3为实施例I未加磁场时熔覆所得涂层截面的显微组织 图4为实施例2的熔覆所得涂层截面的显微组织 图5为实施例3的熔覆所得涂层截面的显微组织图。
具体实施例方式以下结合本发明方法的内容提供实施例，对本发明作进一步理解。实施例I
如图1，交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的装置，包括冷却器UCO2激光器2、氩气保护装置3、同步送粉器4、夹具装置5、交变磁场6、熔覆基体7、数控操作台8，其中，冷却器I与CO2激光器2相连，CO2激光器2上设置激光枪头9，同步送粉器4与氩气保护装置3相连，氩气保护装置3与激光枪头9相连，同步送粉器4向通过保护气体喷嘴I向夹具装置5上的熔覆基体7喷送复合层粉末，交变磁场6设置在熔覆基体7下方，数控操作台8与冷却器I、CO2激光器2、同步送粉器4、夹具装置5相连。
先将待熔覆IOOmmX IOmmX IOmm的碳钢基体表面进行打磨、除油后用无水乙醇和丙酮反复清洗，并将其用夹具装置5固定于载物台上JfFe55合金粉末(化学成分质量分数为 O. 8 3. 5 C，15 30 Cr，2. O 5. O Si，2. O 3. 5 B，10 20Ni，余量 Fe)置于干燥箱中100 150°C干燥10h，待冷却后加入送粉器中；将激光束聚焦之后辐照在磁力线区域内，采用同步送粉方式进行激光熔覆处理，同时通入高纯氩气保护，交变磁场的磁场电流为0A，磁场强度为OmT，获得复合涂层。所获得涂层纵向截面形貌图如图3所示。激光扫描的垂直方向用线切割截取试样，表面经研磨抛光后用王水腐蚀，并利用LEICA DFC280光学图像分析系统研究熔覆层截面显微组织。实施例2
方法和装置均与实施例I相同，仅交变磁场的磁场电流为5A，磁场强度为32. OmT。所获得涂层纵向截面形貌图如图4所示。实施例3
方法和装置均与实施例I相同，仅交变磁场的磁场电流为9A，磁场强度为47. 7mT。所获得涂层纵向截面形貌图如图5所示。从图3中可看出熔覆层主要由生长方向不一的细长柱状枝晶组成，顶部枝晶细小而发达，出现典型的外延柱状生长特点。从图4、5中可明显看出熔覆层组织由柱状枝晶向等轴晶转变，晶粒尺寸细小且分布均匀。通过以上的对比分析，可得出相比未加交变磁场作用的涂层，在激光熔覆过程中施加一定强度的交变外磁场，可使凝固过程中树枝晶或难以长大，或被折断、击碎，成为新的晶核，改善熔覆层凝固组织并使其细化；另一方面，由于激光熔池液态金属对流被强化，也可缓解熔覆层的裂纹、气孔和组织化学成分不均匀等问题，从而获得高质量的熔覆层。以上所述实例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明专利构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法，用常规送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，其特征在于所述激光熔覆时施加交变磁场作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆的过程在交变磁场下进行，且交变磁场产生的磁力线方向与激光熔覆的扫描速度方向相垂直。
2.根据权利要求I所述的交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法，其特征在于所述交变磁场为磁力线方向交替变化的磁场。
3.根据权利要求I所述的交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法，其特征在于所述交变磁场的磁场电流为O 9A，磁场强度为O 47. 7mT。
4.一种权利要求I所述交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法的装置，其特征在于包括冷却器(1)、C02激光器(2)、氩气保护装置(3)、同步送粉器(4)、夹具装置(5)、交变磁场(6 )、熔覆基体(7 )、数控操作台(8 )，其中，冷却器(I)与CO2激光器(2 )相连，CO2激光器(2 )上设置激光枪头(9 )，同步送粉器(4 )与氩气保护装置(3 )相连，氩气保护装置(3 )与激光枪头(9)相连，同步送粉器(4)向通过保护气体喷嘴(I)向夹具装置(5)上的熔覆基体(7)喷送复合层粉末，交变磁场(6)设置在熔覆基体(7)下方，数控操作台(8)与冷却器(I)、CO2激光器(2)、同步送粉器(4)、夹具装置(5)相连。
全文摘要
本发明涉及一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其装置，属于激光加工技术领域。用常规送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，激光熔覆时施加交变磁场作用于激光熔池，使送粉式激光熔覆过程在交变磁场下进行，且交变磁场产生的磁力线方向与激光熔覆的扫描速度方向相垂直。交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的装置包括冷却器、CO2激光器、氩气保护装置、同步送粉器、夹具装置、交变磁场、熔覆基体、数控操作台。本发明显著细化熔覆层的凝固组织；当线圈通入一定频率的交变电流时，就会在金属熔体与磁场线圈之间产生交变磁场，通过控制交变磁场的强度就可改变熔覆层凝固组织形态，细化晶粒；本发明的装置简单、投入成本低、效益高等特点。
文档编号C23C24/10GK102703898SQ20121022559
公开日2012年10月3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, 唐淑君, 张晓伟, 王传琦, 蒋业华, 蔡川雄 申请人:昆明理工大学