一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法与流程

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法。

背景技术：

激光熔覆是一种利用高能激光束将金属粉末熔覆到基材上制备金属涂层的方法，该方法具有与基材结合强度高、稀释率低、硬度高、耐磨与耐腐蚀等优点。近年来，基于此技术对关键金属零部件进行表面改性强化正成为研究热点，并展现出广阔的应用前景。然而，由于激光能量分布不均、熔覆过程中温度梯度大、凝固速率大等因素，经激光熔覆的金属陶瓷层因为残余应力会导致裂纹等缺陷，熔覆层易开裂的问题，严重制约了其向工业领域中的进一步推广和应用。

为了解决这一难题，研究人员采取了以下四种方法：

第一，从激光功率、光斑直径、扫描速度、搭接率、扫描策略等方面优化工艺参数，改变制件内部的应力分布从而减小残余应力，但是不能兼顾制件的力学性能；

第二，在成形基材上增加预热模块，在激光扫描基材之前在基材底部加热，降低成形件与基材制件的温度梯度，从而减小因温度梯度过大而产生的残余应力，但是对基材进行预热会增加设备的复杂性和控制的难度；

第三，将成形件进行热等静压、去应力退火等后处理，消除成形件内部残余应力，虽然可以在一定程度上减小残余应力，但是制件加工完成后依然会变形开裂，不能起到预防作用；

第四，熔覆过程中掺入mgo、ceo2、y2o3等氧化物以减少残余应力，但是氧化物掺入使得工艺复杂、生产效率低、加工成本大。

综上，现有技术中，缺乏一种简单且成本低廉的方法，能够有效减少残余应力，避免金属熔融层开裂的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法，能够通过简单易行，成本低廉的方法，减少金属熔融涂层的残余应力，避免金属熔融层开裂的问题。

一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法，包括：

s1、将基材固定安装于加工底板；

s2、激光在所述基材表面扫描并烧蚀出沟槽；

s3、开启送粉系统，在所述沟槽中铺盖金属粉；

s4、所述激光焦点落在相邻的所述沟槽中心处，金属粉经激光熔化后凝固,形成熔化道,金属粉熔覆后包裹在基材表面,形成熔覆层。

进一步的，沟槽的尺寸为：深度d＝1～3mm、宽度b＝1～2mm、间距a＝1～5mm。

进一步的，沟槽相互平行，并且与所述激光扫描的方向平行。

进一步的，金属粉的材料包括：铜基材料、铁基材料、钴基材料、镍基材料、铝基材料、金属间化合物基材料。

进一步的，金属粉的粒度为-100～+300目

进一步的，激光功率为p＝500～10000w，扫描速度为v＝1～10mm/s，光斑直径为d＝1～5mm，保护气体为惰性气体。

进一步的，基材是平面型时，沟槽为栅格型和边界偏移型；基材是几面型时，沟槽为边界偏移型；基材是回转体时，沟槽为螺旋形。

本发明具的有益效果为：在基材上预制规则排布的沟槽结构，均匀的沟槽能有效释放熔覆层热应变所受束缚，减少残余应力累积，降低残余应力水平并抑制裂纹产生，有效的避免了裂纹和开裂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例适用装置的结构示意图；

图2是熔覆道沟槽之间的结构示意图；

图3是沟槽结构示意图；

图4是实施例熔覆道裂纹对比图；

图5是实施例熔覆层剖面金相对比图；

图6是实施例熔覆层的抗干滑动磨损量统计图。

1-底板、2-基材、3-沟槽、4-沉积层、5-送粉系统、6-激光系统、7-粉末输送管路、8-激光输送管路、9-送粉槽、10-送粉喷嘴、11-激光。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例适用的装置如图1所示，包括：底板1、基材2、沟槽3、沉积层4、送粉系统5、激光系统6、粉末输送管路7、激光输送管路8、送粉槽9、送粉喷嘴10。

底板1上固定安装基材2，基材2上烧灼出沟槽3。送粉系统5和激光系统6通过粉末输送管路7和激光输送管路8连接送粉槽9，送粉槽9末端设置送粉喷嘴10。送粉喷嘴10喷出金属粉末，覆盖在基材2表面，激光11熔融金属粉末，形成熔覆道，如图2所示，熔覆道和沟槽内熔融金属粉末形成沉积层4。

一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法，包括：

s1、将316l不锈钢基材固定安装于加工底板，基材尺寸为100×100×10mm。

s2、激光在所述基材表面扫描并烧蚀出沟槽，如图3所示，图中，沟槽深度为1mm、宽度为1mm、间距为5mm、长度为100mm；激光功率为2300w，扫描速度10mm/s，保护气速率为25l/min。

s3、开启送粉系统，送粉率为60g/min，在所述沟槽中铺盖碳化钨金属粉wc/ni60(60％wc)，粉末颗粒为200um。

s4、所述激光焦点落在相邻的所述沟槽中心处，激光的光板直径为5mm，搭接率为5％，所述激光将所述金属粉熔覆，得到熔覆层。

对熔覆样件进行着色探伤，分析宏观裂纹数量；图4(a)是基材无沟槽时的熔覆道裂纹分布图，图4(b)是基材有沟槽时的熔覆道裂纹分布图，从图中可以看出，基材有沟槽时的熔覆道基本无裂纹。

使用光学显微镜对比观察熔覆层微观组织；图5(a)是基材无沟槽时的熔覆道剖面金相图，图5(b)是基材有沟槽时的熔覆道剖面金相图，从图中可以看出，有沟槽基材上的熔覆层内wc颗粒分布更加均匀，无明显沉底现象，气孔数量更少。

进行干滑动磨损试验，采用称量法对比单纯激光熔覆层与织构激光熔覆层抗的摩擦能力，图6是熔覆层的抗干滑动磨损量统计图，在相同的激光工艺条件下，织构熔覆层的磨损质量约是激光熔覆层的7/10，即织构熔覆层的耐磨性能约是激光熔覆层的1.4倍。

综上：沟槽结构能有效释放熔覆层热应变所受束缚，减少残余应力累积，降低残余应力水平并抑制裂纹产生，与无沟槽基材熔覆层相比，抗磨损能力明显提高。

本发明的有益效果为：

(1)可以显著降低成形件残余应力低，有效避免裂纹、开裂、翘曲变形现象；

(2)熔覆层与基材之间结合强度高；

(3)实现本发明无需复杂的设备，操作简单。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种减小激光熔覆金属涂层残余应力的方法，本发明在熔覆之前，在基材上预制规则排布的沟槽微结构，激光焦点落在两相邻沟槽中心处，熔化道与沟槽相互平行。本发明适用于激光熔覆技术，其特点在于成形件残余应力低，有效避免裂纹、开裂、翘曲变形现象，无需额外的设备，操作简单。

技术研发人员：赵剑峰;王冠军;谢德巧;梁绘昕;田宗军;沈理达
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.10.12
技术公布日：2018.03.30