一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法与流程

本发明属于熔覆层制备技术领域，具体涉及一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法。

背景技术：

对于矿山、冶金、石化、模具、工程机械等行业中，很多大型金属构件对表面有耐磨耐蚀耐疲劳的要求，与常见的处理工艺电镀、热喷涂、堆焊相比，激光熔覆具有稀释度小、变形小，涂层与基体冶金结合、可熔覆多种材料等优势，广泛应用激光熔覆技术来恢复尺寸并表面改性。

传统的激光熔覆技术光斑能量密度低，熔覆线速度一般低于3m/min，粉末利用率低，更多的能量用于熔化基材，效率较低。熔覆层表面粗糙度较大，有明显的搭接痕迹，熔覆之后需要经过车削、磨抛等工序，导致材料浪费严重。

超高速激光熔覆技术改变激光与粉末的作用过程，利用高功率密度的激光将粉末在熔池之上熔融或半熔融，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，与传统的激光熔覆相比，极大的提高熔覆速率。超高速激光熔覆层表面光洁度好，搭接痕痕迹不明显，熔覆层无需车削，直接可磨抛加工，节约材料，降低成本。

应用激光熔覆技术制备高硬度高耐磨熔覆层能大大提高零件的使用寿命，在工业应用中潜力巨大。熔覆层在快速冷却的过程中受到热应力、组织应力及残余应力的综合作用，随着熔覆层硬度的提高，熔覆层的脆性变大。高硬度高耐磨熔覆层的裂纹问题限制了激光熔覆和超高速激光熔覆的推广。与普通激光熔覆相比，超高速激光熔覆技术功率密度高，熔覆速度快，是更快的极热极冷过程，熔覆层由温度梯度和冷速过快产生的约束应力更大，熔覆层裂纹敏感性更高。

振动技术在焊接过程中或在焊接后处理已经有一定的研究及应用，可将振动技术引入激光熔覆中，通常可以将振动技术应用在激光熔覆过程中和激光熔覆后对熔覆层进行振动去除残余应力处理，目前，很少有关于在线振动辅助激光熔覆，尤其是关于轴类工件的研究及应用。与熔覆后对熔覆层进行振动处理相比，在线振动辅助激光熔覆去除残余应力效果非常明显，且可细化熔覆层晶粒，改善熔覆层性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法，对熔覆层施加振动，降低了熔覆层残余应力和裂纹敏感性。

本发明所采用的技术方案是，一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用卡盘或夹具将工件固定在工作台上，采用角磨机或砂纸去除工件表面的污渍锈蚀，之后用酒精擦拭干净；

步骤2，将超高速激光熔覆粉末预热，过筛后装入送粉器中；

步骤3，调节激光光斑和粉末聚焦斑点在同一直线上，采用同轴送粉，调节送粉喷嘴，使熔覆头到工件的光斑工作距离为12mm～26mm；

步骤4，将超声波高频冲击振动设备固定在激光熔覆平台上，调节超高速激光熔覆头和超声波冲击设备冲击头对齐；将超声波高频冲击头调节至于工件相接触；先开启超声波高频冲击设备，再开启超高速激光熔覆设备对工件进行熔覆，通过超声波冲击设备高频使冲击头剧烈往复振动实现对刚熔覆后的涂层立即进行冲击，从而在线降低残余应力。

本发明的特点还在于，

步骤2中，激光熔覆粉末为铁基自熔性粉末、镍基自熔性粉末、钴基自熔性粉末、陶瓷复合粉末、3d打印粉末中的任意一种。

激光熔覆粉末的预热温度100℃～120℃，保温时间0.5h～1h，激光熔覆粉末的粒度区间为20μm～75μm，球形度≥90％。

步骤2中，过筛时，采用200目的筛网。

步骤3中，设置激光熔覆功率为1.5kw～4kw，送粉速度35g/min～70g/min；熔覆层搭接率60％～85％；保护气选用氩气或氮气，保护气压8l/min～15l/min，激光光斑直径φ1mm～φ2mm，熔覆线速度5m/min～80m/min。

步骤4中，超声波高频冲击振动设备的参数为：冲击头振动频率10khz～40khz，输出振幅10μm～50μm。

本发明的有益效果是：

在超高速激光熔覆过程中，对熔覆层施加振动，能够起到降低熔覆层残余应力、细化晶粒、均匀组织等作用，可降低熔覆层裂纹敏感性、改善金属凝固组织、提高力学性能，在线振动辅助超高速激光熔覆可实现硬度更高耐磨性更好的熔覆层。

附图说明

图1为本发明实施例1中的轴类工件激光熔覆示意图；

图2为本发明实施例2中的板类工件激光熔覆示意图。

图中，1.超高速激光熔覆头，2.熔覆层，3.卡盘，4.轴类工件，5.超声波高频冲击头，6.顶尖，7.超高速激光熔覆设备平台，8.45钢板工件，9.固定夹具，10.工作平台，11.超高速激光设备熔覆头固定板。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于振动辅助超高速激光熔覆技术制备熔覆层的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，清洗工件表面：采用卡盘或夹具将工件固定在工作台上，采用角磨机或砂纸去除工件表面的污渍锈蚀，之后用酒精擦拭干净；

步骤2，将超高速激光熔覆粉末预热，过筛后装入送粉器中；

激光熔覆粉末为铁基自熔性粉末、镍基自熔性粉末、钴基自熔性粉末、陶瓷复合粉末、3d打印粉末中的任意一种；

激光熔覆粉末的预热温度100℃～120℃，保温时间0.5h～1h，激光熔覆粉末的粒度区间为20μm～75μm，球形度≥90％；

过筛时，采用200目的筛网；

步骤3，调节激光光斑和粉末聚焦斑点在同一直线上，采用同轴送粉，调节送粉喷嘴，使熔覆头到工件的光斑工作距离为12mm～26mm，设置激光熔覆功率为1.5kw～4kw，送粉速度35g/min～70g/min；熔覆层搭接率60％～85％；保护气选用氩气或氮气，保护气压8l/min～15l/min，激光光斑直径φ1mm～φ2mm，熔覆线速度5m/min～80m/min；

步骤4，将超声波高频冲击振动设备固定在激光熔覆平台上，调节超高速激光熔覆头和超声波冲击设备冲击头对齐；将超声波高频冲击头调节至于工件相接触；先开启超声波高频冲击设备，再开启超高速激光熔覆设备对工件进行熔覆，通过超声波冲击设备高频使冲击头剧烈往复振动实现对刚熔覆后的涂层立即进行冲击，从而在线降低残余应力；

超声波高频冲击振动设备中，冲击头振动频率10khz～40khz，输出振幅10μm～50μm。

实施例1

参见图1，对于27simn钢轴类工件进行超高速激光熔覆过程中，使用超声冲击设备在线机械冲击熔覆层，具体步骤如下：

步骤1，把轴类工件4装入卡盘3内，移动顶尖6顶紧工件4并夹紧卡盘3；使用角磨机去除工件表面的污渍锈蚀，然后用酒精将工件4表面擦拭干净；

步骤2，选用jg-8铁基自熔性粉末，熔覆粉末的粒度区间为20μm～53μm，球形度≥90％，预热温度120℃，保温时间1h，之后用200目的筛子筛粉后装入送粉器中；

步骤3，调节超高速激光熔覆设备参数，激光熔覆功率为3kw，光斑尺寸φ2mm；熔覆头到工件的光斑工作距离24mm；粉斑汇焦距离和光斑工作距离接近；熔覆线速度为30m/min；送粉速度40g/min；熔覆层搭接率80％；保护气压12l/min，保护气为氩气；

步骤4，将超声波冲击设备固定在超高速激光熔覆设备平台7上；调节超高速激光熔覆头1和超声波高频冲击头5对齐；将超声波高频冲击头5调节至于工件4相接触；先开启超声波高频冲击设备，再开启超高速激光熔覆设备，超高速激光熔覆层实现在线去除残余应力；

超声波高频冲击振动设备中，冲击头振动频率20khz，输出振幅40μm。

对轴类工件采用相同超高速激光熔覆工艺进行熔覆，第一区域的熔覆层实施在线超声波高频冲击，第二区域的熔覆层未进行超声波高频冲击，第三区域的对熔覆层在熔覆后进行超声波高频冲击。熔覆层经过粗车+抛光处理后，用盲孔法对其测试残余应力，参照标准为gbt31310-2014《金属材料残余应力测定钻孔应变法》，每个区域随机进行3个点的测量，应力测量结果如下表：

σ1和σ2为第一和第二主应力，由于加载超声波高频冲击，熔覆层的应力绝对值大幅度变小，显著的降低熔覆层的残余应力；与熔覆后对熔覆层进行超声波高频冲击相比，在线高频冲击激光熔覆去除残余应力效果更加明显。在线对熔覆层进行超声波高频冲击，熔覆层大部分呈现压应力(副值)，残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高熔覆层裂纹萌生寿命，增加熔覆层的抗裂性能。

实施例2

参见图2，对于板类工件进行超高速激光熔覆过程中，使用超声冲击设备在线机械冲击熔覆层，具体步骤如下：

步骤1，把45钢板工件8通过固定夹具9固定在工作平台10上；使用角磨机去除工件表面的污渍锈蚀，然后用酒精将工件8表面擦拭干净；

步骤2，选用ni30自熔性粉末，熔覆粉末的粒度区间为20μm～53μm，球形度≥90％，预热温度120℃，保温时间1h，之后用200目的筛子筛粉后装入送粉器中；

步骤3，调节超高速激光熔覆设备参数，激光熔覆功率为1kw～2kw，光斑尺寸φ1mm；熔覆头到工件的光斑工作距离14mm；粉斑汇焦距离和光斑工作距离接近；熔覆线速度为15m/min～25m/min；送粉速度20g/min～30g/min；熔覆层搭接率80％；保护气压12l/min，保护气选用氮气；

步骤4，将超声波冲击设备固定在超高速激光设备熔覆头固定板11上；调节超高速激光熔覆头1和超声波高频冲击头5对齐；将超声波高频冲击头5调节至于工件8相接触；先开启超声波高频冲击设备，再开启超高速激光熔覆设备，超高速激光熔覆层实现在线去除残余应力；

超声波高频冲击振动设备中，冲击头振动频率20khz，输出振幅50μm。

对板类工件采用相同超高速激光熔覆工艺进行熔覆，第一区域熔覆层实施在线超声波高频冲击，第二区域熔覆层未进行超声波高频冲击，第三区域对熔覆层在熔覆后进行超声波高频冲击。熔覆层经过磨床处理后，用盲孔法对其测试残余应力，参照标准为gbt31310-2014《金属材料残余应力测定钻孔应变法》，每个区域随机进行3个点的测量，应力测量结果如下表：

σ1和σ2为第一和第二主应力，由于加载超声波高频冲击，熔覆层的应力绝对值整体上大幅度变小，显著的降低熔覆层的残余应力；对熔覆层进行在线冲击残余应力去除的效果优于熔覆后冲击。在线对熔覆层进行超声波高频冲击，熔覆层呈现压应力(副值)，残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高熔覆层裂纹萌生寿命，增加熔覆层的抗裂性能。