一种激光熔凝工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光熔凝工艺。
【背景技术】
[0002]激光是20世纪60年代一项重大科学成果，它不仅在光学领域开辟了一个新纪元，而且也促进了其他科学领域的发展。60年代，在机械工程领域，激光除了作为非接触测量或准直工具外，作为材料的一种特种加工手段，如集成电路的焊接、金刚石的打孔、陶瓷和硬质合金的切割以及核反应堆堆芯零部件的打孔、切割等，解决了许多关键性的技术问题，称“激光加工”的第一代。70年代开始，由于激光技术的发展和千瓦级大型激光器的研制成功，人们研究激光和材料的相互作用，在改善零件表面的结构和性能方面，取得了可喜的成果，称“激光加工〃的第二代。
[0003]目前，激光表面工程已发展成为材料工程学科的重要方向之?，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。我国是80年代初开始研究激光表面技术的，二十多年来，已取得了一些重要成果。随着我国制造业的崛起和发展，激光表面工程的市场需求正在快速增长，虽然激光加工目前还是一种成本较高的加工方式，但其优异的性能价格比使其越来越成为许多重要、关键零部件的表面改性方式，人们认识到它的良好前景并在各行各业积极开展应用研究。
[0004]激光是一种原子系统在受激辐射放大过程中产生的具有高亮度的相干光。与普通光相比，激光具有极高单色性、空间相干性、方向性和高能量密度。其中激光束的空间相干性和方向对它的聚焦性能有重要影响。激光表现出良好的聚焦特性，聚焦后的激光在焦点附近可以达到107 — 1012w/cm以上的能量密度，产生数千度乃至上万度的高温，可以熔化和汽化任何材料，从而实现各种加工。与传统加工方法相比，有以下特点:
[0005]1.激光能量密度高，可以在瞬间熔化和汽化任何材料，实现各种金属和非金属的加工，包括各种难熔材料和高导热性材料。
[0006]2.激光加工为非接触加工，与被加工工件之间没有力的作用，不存在刀具的磨损，可以加工脆性材料和高硬度材料。
[0007]3.激光束易于聚焦和成型，根据需要可以任意改变光斑形状、大小和能量密度，实现材料的表面改性。
[0008]4.激光束的导向和能量传递方便快捷，与光传输数控系统配合，可以实现高度自动化的三维柔性加工。
[0009]5.激光与被加工材料之间的相互作用可以精确控制，加工质量高。
[0010]6.激光加工节省能源，不产生环境污染，是一种绿色制造技术。
[0011]材料的表面状态对耐蚀性能有很大影响。通过表面加工处理在不锈钢的表面形成更耐腐蚀的表层，使其能经受苛刻的使用环境，可延长使用寿命，提高工作可靠性。对不锈钢进行激光表面加工，改变其性能的研究，主要依据其应用环境，目的大多是为了提高抗蚀性。国内外学者己作过一些研究，如激光熔覆曲、激光冲击强化、激光表面合金化、离子注入和等离子渗氮。不同的方法各有其特点，其中研究较为热门的是激光熔覆，但由于迄今采用的涂覆材料大多为传统热喷涂用Fe、N1、co基合金粉末，颗粒粗细以“目”计算，使激光高能量密度的作用未充分发挥，激光熔覆层或合金化层的开裂敏感性及与基体结合力仍然是困扰着国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍。而激光熔凝是一种可控性极强的凝固技术，在改善材料的耐磨、耐腐蚀性能方面有明显的效果，愈来愈受到重视。
[0012]随着现代核能技术的发展，不锈钢除了用量在不断增加外，对不锈钢的耐蚀性要求也越来越高，人们期盼这类材料在腐蚀性介质中、恶劣工况条件下的耐蚀能力进一步提高。近年来，纳米材料及应用技术获得了引人注目的发展。由于纳米材料的小尺寸效应和表面效应，已经发现:纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低很多；颗粒小，界面多，为原子短程扩散提供了途径，因此纳米材料的固溶扩散能力提高。最近，张光钧等在不锈钢基体上采用激光制备镍基纳米碳化钨复合镀层，得到了一些独特的实验结果，材料的性能大幅度提高。这是由于激光快速熔凝及纳米材料的“纳米效应”的综合作用所致。无疑，嫁接纳米技术的激光熔凝将是未来的发展方向。激光与其它表面处理技术相结合的复合表面工程也是非常好的思路。
[0013]激光熔凝是材料表面熔融强化技术的一种重要方法，也称激光熔化淬火。它是将激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均匀的组织和所需性质的表面改性技术。
[0014]主要特点有:
[0015]1.表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。
[0016]2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。
[0017]3.其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进行后续磨光而直接使用。
[0018]文献报道，中国工程物理研究所，为提高不锈钢在介质中耐晶间腐蚀能力，利用激光快速熔凝处理和用Nb激光表面合金化等手段改变了不锈钢的组织结构，使其耐腐蚀的能力明显增强，在用Nb激光表面合金化的部分样品中，还发现了无序结构。核工程结构中常用的材料钛合金表面进行激光重熔，熔区微观结构由单相组织转变成针状马氏体组织，且随着处理参数的改变在试样表面生成了不同的钛氧化物，从而增强了钛合金的抗蚀性能。Mudali等采用激光表面熔凝处理在改善不锈钢的点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等方面也取得了较好的效果。此外，广泛用来制造蒸汽涡轮叶片、水压机阀等零件的马氏体不锈钢，由于受水的不断冲刷，要求表面具有一定的耐蚀性、耐磨性和疲劳强度等，因而需要表面具有较高的硬度、均匀的组织等。蔡伟平等对该钢表面激光熔凝的组织特性进行了研究。结果表明，经激光照射后，熔化层近乎无扩散凝固，致使凝固成分均匀分布。国内的一些学者，对T10、Crl2、2Crl3、CrffMn, HT200灰口铸铁、不锈钢也作了激光熔凝处理的试验研究，结果表明，激光溶凝能产生很好的硬化效果，有助于提高耐磨性，对于不锈钢，主要是抗晶间腐蚀的能力明显增强。
[0019]目前，这些研究主要是针对基体材料，在不同的应用环境中进行试验。不锈钢焊接接头上进行激光处理的研究开展不多，少见激光熔凝凝焊接接头的报道。
【发明内容】
[0020]本发明的目的在于提出一种激光熔凝工艺。
[0021]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0022]一种激光熔凝工艺，通过对合金钢的预处理以后，采用激光束将基材加热到熔化温度以上，以获取合金钢的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度较低，适合进一步加工，包括:合金钢的预处理一一选择合适的激光器参数，包括功率、光斑直径等一一确定激光扫描路径和速度一一检测激光熔凝效果。预处理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器功率为
Ikff--4KW，离焦量为-0.5mm---2mm，激光扫描速度为10mm/s--30mm/s，保护气体流量为4L/min——5L/min，须确保激光器的功率密度达到基体的熔点。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]一种激光熔凝工艺，通过对合金钢的预处理以后，采用激光束将基材加热到熔化温度以上，以获取合金钢的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度较低，适合进一步加工，包括:合金钢的预处理一一选择合适的激光器参数，包括功率、光斑直径等一一确定激光扫描路径和速度一一检测激光熔凝效果。合金钢采用30CrMnSi，预处理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器采用多模连续二氧化碳激光器，激光器功率为2.5kW，离焦量为-0.5mm,激光扫描速度为lOmm/s，保护气体为氩气，流量为4L/min——5L/min，须确保激光器的功率密度达到基体的恪点，硬化深度为1.3mm。
[0025]实施例2
[0026]一种激光熔凝工艺，通过对合金钢的预处理以后，采用激光束将基材加热到熔化温度以上，以获取合金钢的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度较低，适合进一步加工，包括:合金钢的预处理一一选择合适的激光器参数，包括功率、光斑直径等一一确定激光扫描路径和速度——检测激光熔凝效果。合金钢采用lCrl8Ni9Si，为长方体形状，厚度为5mm，预处理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器采用多模连续二氧化碳激光器，激光器功率为2kW，离焦量为-0.5mm，激光扫描速度为10mm/s，保护气体为氩气，流量为2.5L/min，光斑直径为3mm,须确保激光器的功率密度达到基体的熔点，硬化深度为0.9mm，熔凝层的最高硬度为300HV。
【主权项】
1.一种激光熔凝工艺，其特征在于通过对合金钢的预处理以后，采用激光束将基材加热到熔化温度以上，以获取合金钢的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度较低，适合进一步加工，包括:合金钢的预处理一一选择合适的激光器参数，包括功率、光斑直径等一一确定激光扫描路径和速度一一检测激光熔凝效果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预处理包括除油、水洗、酸洗和氧化。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器功率为lkW—一4KW，离焦量为-0.5mm---2mm，激光扫描速度为10mm/s--30mm/s，保护气体流量为4L/min--5L/min，须确保激光器的功率密度达到基体的熔点。
【专利摘要】本发明公开了一种激光熔凝工艺，通过对合金钢的预处理以后，采用激光束将基材加热到熔化温度以上，以获取合金钢的高硬度和高耐磨性，包括：合金钢的预处理—选择合适的激光器参数，包括功率、光斑直径等—确定激光扫描路径和速度—检测激光熔凝效果。预处理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器功率为1kW—4KW，离焦量为-0.5mm—-2mm，激光扫描速度为10mm/s—30mm/s，保护气体流量为4L/min—5L/min，须确保激光器的功率密度达到基体的熔点。该发明可以获得极高的表面硬度、抗腐蚀性和耐磨性，并且表层的硬度较低，便于对合金钢进行进一步的深加工，减小加工难度。
【IPC分类】C21D1/09
【公开号】CN105349735
【申请号】CN201510677749
【发明人】唐靖岚
【申请人】无锡清杨机械制造有限公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月19日