一种激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法与流程

本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种激光合金化-激光抛光复合一体化制备强化涂层的方法。

背景技术：

汽轮机叶片作为将气流动能转换为有用功的核心部件，是一个容易受到水流冲蚀的部件，它在运转过程中受到离心力、蒸汽作用力以及气流扰动产生的激振力等载荷作用，容易发生疲劳断裂。由于叶片造价昂贵，叶片一旦发生断裂失效将对电力机组会造成极大损失。因此，在选取了具有足够的高温强度、塑性、疲劳性能的叶片材料的同时，必须对其叶片材料表面进行强化，进一步提升其各方面的使用性能，以达到减轻叶片水蚀损伤的目的。

激光表面合金化是在材料表面涂敷所需合金化涂层，利用高能激光束将材料表面熔化，在以基体为溶剂、合金化元素为溶质基础上形成一层浓度高、成分均匀，具有新的合金结构的合金层，使得材料表面具备耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能，可用来对汽轮机叶片进行表面改性强化。

目前在振镜式激光合金化过程中，为了得到更厚的强化层，需要加大激光能量的输入。但是过大的激光能量输入会造成预置合金材料的烧蚀，这会造成材料表面凹凸不平，粗糙度不理想，还会直接降低强化层的硬度等性能指标，而且，由于叶片服役过程中受到气蚀、固态粒子冲蚀等影响，材料表面的凹凸不平更容易产生裂纹源，造成磨蚀、破落、断裂等失效。如果把激光能量控制在不烧蚀的程度，又会造成激光合金化强化涂层厚度不够，使得材料表面耐气蚀性能的提高受到限制。所以，振镜式激光合金化过程中，同时获得理想的强化层厚度和理想的强化区域表面粗糙度成为了一个需要解决的问题。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明研制开发一种激光合金化-激光抛光复合一体化制备强化涂层的方法。在激光合金化之后增加激光抛光工艺，利用激光束以指定的扫描方式作用于叶片合金化区域表面，使表面涂层在很短的时间内吸收和转换激光能量而被去除并降低表面粗糙度，在提高合金化涂层厚度的同时，又不增加涂层表面粗糙度，同时，激光抛光会使合金化涂层组织元素分布更加均匀，该抛光工艺利用激光束以指定的扫描方式作用于叶片合金化区域表面，使表面涂层相比未经激光抛光的涂层性能更加优异，具有一定产业应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)对叶片表面待处理区域进行预处理，然后涂覆合金化涂料，烘干备用(70～150℃静置10～30min，烘干后增重3.26～4.35mg/cm²)；

所述叶片的材料例如为17-4ph；

具体的，预处理的方法为：先去除表面氧化层，再用无水乙醇或纯度为98％的丙酮清洗待处理区域，自然风干即可；

所述合金化涂料由金属基颗粒增强复合强化材料、粘合剂(树脂胶)、溶剂(无水乙醇)按质量比1：0.04～0.06：1.2～1.7混合而得，所述金属基颗粒增强复合强化材料的成分为：co:35-45wt％，w:35-45wt％，ni:4-8wt％，cr:4-8wt％，si:0.5-1wt％，fe:2-4wt％，mo:1-2wt％；

(2)将步骤(1)准备好的叶片放置在振镜式激光加工平台上，采用激光合金化扫描策略(具体扫描路径例如图3所示)对待处理区域进行激光合金化，采用激光抛光扫描策略(具体扫描路径例如图4所示)对合金化区域进行激光抛光；

所使用的激光加工平台为双光束振镜扫描式激光加工平台，光斑大小均为0.12mm，焦距均为298mm，最大功率均为500w，最大扫描速度均为2000mm/s；

激光合金化工作参数为：扫描功率300-500w，扫描速度100-500mm/s，线间距0.04-0.08mm；

激光抛光工作参数为：扫描功率50-150w，扫描速度1000-2000mm/s，线间距0.01-0.03mm，激光抛光次数为5～20次，每次激光抛光间等待1～3s待材料冷却。

本发明为实现制备激光合金化-激光抛光复合制备强化涂层的目的由前述激光合金化方法制得。借由上述技术方案，本发明利用振镜扫描控制高能量密度激光束，利用快速加热及快速冷却凝固的特点，在材料表面用激光束对表面熔融层添加金属基颗粒增强复合强化材料，形成致密合金化层，并对强化层进行激光抛光，最终得到理想粗糙度的合金化涂层。

本发明有如下优势：

(1)过大的能量输入能获得更厚的合金化涂层，但同时导致表面较大的粗糙度，本发明能在确保合金化层厚度不变的同时，减小表面粗糙度；

(2)在同一个激光加工平台上实现激光合金化、激光抛光一体化制备强化层，操作简单，生产效率极高；

(3)振镜式光斑小，且由计算机图形软件绘制激光工作区域，因此区域精准性高，能制备不同表面形状的合金化强化层；

(4)激光抛光过程中，输入的热量能起到保温作用，能减少强化涂层的裂纹数量。

附图说明

图1为激光合金化的示意图，激光扫描方向是从右到左，其中，1为涂料涂敷区域，2为y轴振镜，3为x轴振镜，4为激光束，5为透镜，6为合金化强化层，7为基体材料。

图2为激光抛光示意图，激光束从右到左移动，激光束左侧为未处理区域，粗糙度较大；激光束右侧为处理后区域，粗糙度较小。

图3为激光合金化过程中激光扫描路径，其中虚线为不出光阶段，实线为出光阶段。

图4为合金化表面激光抛光的路径示意图，其中虚线为不出光阶段，实线为出光阶段。

图5左侧为不经过激光抛光表面形貌图，右侧为经过激光抛光表面形貌图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

1)使用角磨机去除材料表面待激光合金化区域的氧化膜，至表面平整有光泽即可；

2)使用无水乙醇清洗待激光合金化区域，除去杂质碎屑，再使用洁净的棉布擦拭干净，并常温风干；

3)将配置好的合金化涂料均匀涂覆在待激光合金化区域，烘干(120℃静置15min)，烘干后涂料增重3.63mg/cm²；

4)将材料放置在激光加工平台上，用激光对材料涂覆面进行扫描，扫描功率为500w，扫描速度500mm/s，线间距0.06mm，激光扫描路径见图3；另一束激光进行激光抛光，激光功率100w，扫描速度2000mm/s，线间距0.01mm，激光抛光路径如图4所示，进行9次激光抛光，每次间隔3s，粗糙度如图5所示。

技术特征：

1.一种激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)对叶片表面待处理区域进行预处理，然后涂覆合金化涂料，烘干备用；

(2)将步骤(1)准备好的叶片放置在振镜式激光加工平台上，采用激光合金化扫描策略对待处理区域进行激光合金化，采用激光抛光扫描策略对合金化区域进行激光抛光；

激光合金化工作参数为：扫描功率300-500w，扫描速度100-500mm/s，线间距0.04-0.08mm；

激光抛光工作参数为：扫描功率50-150w，扫描速度1000-2000mm/s，线间距0.01-0.03mm，激光抛光次数为5～20次，每次激光抛光间等待1～3s待材料冷却。

2.如权利要求1所述激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述叶片的材料为17-4ph。

3.如权利要求1所述激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预处理的方法为：先去除表面氧化层，再用无水乙醇或纯度为98％的丙酮清洗待处理区域，自然风干即可。

4.如权利要求1所述激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述合金化涂料由金属基颗粒增强复合强化材料、粘合剂、溶剂按质量比1：0.04～0.06：1.2～1.7混合而得，所述金属基颗粒增强复合强化材料的成分为：co:35-45wt％，w:35-45wt％，ni:4-8wt％，cr:4-8wt％，si:0.5-1wt％，fe:2-4wt％，mo:1-2wt％。

5.如权利要求1所述激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，涂覆合金化涂料后，70～150℃静置10～30min，烘干后增重3.26～4.35mg/cm²。

6.如权利要求1所述激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，所使用的激光加工平台为双光束振镜扫描式激光加工平台，光斑大小均为0.12mm，焦距均为298mm，最大功率均为500w，最大扫描速度均为2000mm/s。

技术总结
本发明提供了一种激光合金化/抛光复合一体化制备强化涂层的方法，在激光合金化之后增加激光抛光工艺，利用激光束以指定的扫描方式作用于叶片合金化区域表面，使表面涂层在很短的时间内吸收和转换激光能量而被去除并降低表面粗糙度，在提高合金化涂层厚度的同时，又不增加涂层表面粗糙度，同时，激光抛光会使合金化涂层组织元素分布更加均匀，该抛光工艺利用激光束以指定的扫描方式作用于叶片合金化区域表面，使表面涂层相比未经激光抛光的涂层性能更加优异，具有一定产业应用前景。

技术研发人员：吴国龙;陈凯烨;姚建华;王梁
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2019.12.25
技术公布日：2020.04.21