本發(fā)明涉及材料表面激光制備涂層領(lǐng)域，特指一種熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法。

背景技術(shù)：

激光熔覆技術(shù)以其冷卻速度快、涂層稀釋率低、熱變形小及易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)勢在機械、汽車、航空航天及石油化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

金屬基陶瓷材料成功地將金屬相的強度、韌性和陶瓷材料的優(yōu)異耐磨、耐蝕等性能結(jié)合起來，構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，既滿足了對材料表面特殊性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素，被廣泛應(yīng)用于材料的表面改性層中。激光熔覆金屬基陶瓷材料目前已成為激光熔覆制備涂層的研究熱點。但激光熔覆金屬基陶瓷涂層工藝在實際應(yīng)用中仍存在一些問題，如激光熔覆效率較低、熔覆層易產(chǎn)生孔隙、裂紋、熔覆層組織存在粗大柱狀枝晶及較大的殘余應(yīng)力易使涂層剝落等不足，這極大地阻礙了該技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用中的推廣。

針對上述的問題，已有相關(guān)學(xué)者提出工藝上的改進(jìn)措施。專利號為CN200710052457.7的專利申請?zhí)岢隽藢⒓す馐c高頻電磁感應(yīng)加熱相結(jié)合的復(fù)合熔覆方法，以大幅度提高熔覆的速度和效率。但該方法雖可降低涂層與基體的溫度梯度，提高熔覆效率，減小開裂敏感性，但由于溫度梯度減小，熔池冷卻速率降低，進(jìn)而使得凝固組織在熔化凝固過程中有更多的時間長大，導(dǎo)致組織粗化，影響熔覆層的性能。

隨著激光復(fù)合制造的發(fā)展，通過外加能場輔助激光熔覆制備高性能涂層得到廣泛關(guān)注。專利號為CN201310061962.3和CN201210225593.2的專利分別申請介紹了超聲波振動及電磁攪拌輔助激光熔覆的方法，然而由于激光熔池存在時間短，產(chǎn)生的超聲空化、聲流攪拌及磁力攪拌對熔池的作用時間很短，故僅通過單一的能場進(jìn)行輔助效果并不是很理想。申請?zhí)朇N201610114914.X的發(fā)明專利中提出了電磁-超聲復(fù)合能場輔助激光熔覆的方法及裝置，將兩者能場進(jìn)行耦合，利用復(fù)合能場的協(xié)同效應(yīng)對熔覆層組織進(jìn)行調(diào)控，性能進(jìn)行改善。該方法雖可獲得性能優(yōu)異的涂層，但是激光熔覆的效率提高并不十分明顯。

因此，如何在提高激光熔覆效率的同時對熔覆層的顯微組織進(jìn)行調(diào)控，裂紋孔隙缺陷進(jìn)行消除是在工業(yè)化推廣應(yīng)用過程中亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明從制備工藝入手，提出一種熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法，采用感應(yīng)加熱與電磁-超聲復(fù)合能場相結(jié)合的多能場輔助激光熔覆方法制備高性能無缺陷金屬基陶瓷涂層，通過高頻感應(yīng)加熱裝置對基材進(jìn)行實時預(yù)熱，待達(dá)到預(yù)熱溫度時開啟電磁-超聲復(fù)合能場裝置對激光熔覆過程中的熔池進(jìn)行作用，并在熔覆結(jié)束后再次利用感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行涂層的緩冷處理，以此達(dá)到在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同時細(xì)化晶粒、消除裂紋與孔隙，最終獲得陶瓷顆粒增強相分布均勻、顯微組織細(xì)化的高性能熔覆層的目的。本發(fā)明的目的在于提供一種熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法，通過感應(yīng)加熱與電磁-超聲復(fù)合能場的協(xié)同作用在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同時細(xì)化晶粒、消除裂紋與孔隙，獲得陶瓷顆粒增強相分布均勻、顯微組織細(xì)化的高性能熔覆層。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：其具體步驟為：

一種熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟：

A)將經(jīng)打磨、清洗和吹干后的基材安裝固定在夾具上；

B)將配比好的金屬基陶瓷粉末放入球磨機中混合，待攪拌均勻后將粉末放入送粉器；

C)將感應(yīng)加熱線圈與基材間距設(shè)定在1～5mm內(nèi)，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源使基材表面溫度在280～800℃；

D)待試樣表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，打開電磁-超聲復(fù)合能場裝置實現(xiàn)感應(yīng)加熱、電磁攪拌與超聲振動的多場協(xié)同耦合；

E)打開激光器實現(xiàn)同軸送粉多能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層加工；

F)待熔覆結(jié)束后關(guān)閉同軸送粉器及電磁-超聲復(fù)合能場裝置，利用高頻感應(yīng)加熱裝置對熔覆層進(jìn)行緩冷處理。

進(jìn)一步地，所述的基材通過四個螺絲桿經(jīng)墊片進(jìn)行夾緊定位。

進(jìn)一步地，所述的金屬基陶瓷粉末為鎳基、鈷基、鐵基自熔性合金粉末與一種或者幾種陶瓷顆粒增強相WC、TiC、Al₂O₃與SiC等的混合物，其中陶瓷顆粒增強相在復(fù)合粉末內(nèi)的質(zhì)量百分含量所占范圍為5～80wt.％,混合粉末放入真空球磨機中進(jìn)行8-12h。

進(jìn)一步地，所述的預(yù)熱溫度檢測采用工業(yè)在線式紅外測溫儀進(jìn)行實時在線監(jiān)測。

進(jìn)一步地，所述的當(dāng)監(jiān)測溫度達(dá)到預(yù)定預(yù)熱溫度時將超聲振動裝置及電磁攪拌裝置打開。其中電磁-超聲復(fù)合能場調(diào)節(jié)參數(shù)磁場強度范圍為5-50mT的交變磁場，基材振幅范圍1-25μm，振動頻率20-40kHz。

進(jìn)一步地，所述的激光熔覆加工參數(shù)范圍為：激光功率為800-1800W，光斑直徑為1-4mm，掃描速度300-1500mm/min，搭接率為30％-50％。

進(jìn)一步地，所述的高頻感應(yīng)加熱裝置對熔覆層進(jìn)行緩冷處理溫度范圍為300-600℃，保溫時間1-3h。

本發(fā)明采用可提高激光熔覆效率的高頻感應(yīng)加熱與可調(diào)控顯微組織及消除裂紋與孔隙的電磁-超聲復(fù)合能場相結(jié)合的方法制備高性能無缺陷金屬基陶瓷涂層?？朔嗽诩す飧袘?yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)下，雖可顯著提高激光熔覆的效率和速度，但存在著由于溫度梯度減小，熔池冷卻速率降低而導(dǎo)致的顯微組織粗化及性能降低缺陷，通過引入電磁-超聲復(fù)合能場對激光熔池進(jìn)行作用，使得在高效快速激光熔覆過程中獲得陶瓷顆粒增強相分布均勻、顯微組織細(xì)化與均化、無裂紋孔隙缺陷的高性能熔覆層。

本發(fā)明中由于高頻感應(yīng)加熱介入，使得激光熔池存在的時間延長，可有效提高電磁-超聲復(fù)合能場對熔池的作用效果，同時也可節(jié)約相應(yīng)的能源，是一種節(jié)能環(huán)保的方法。

本發(fā)明是一種調(diào)控靈活、易于操作、通用性強的高效、優(yōu)質(zhì)的促進(jìn)激光熔覆技術(shù)在工業(yè)化中大面積應(yīng)用的方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法的裝置示意圖。

圖2為所述夾具圖。

圖中：1.IPG光纖激光器；2.反射鏡；3.送粉器；4.感應(yīng)加熱線圈；5.感應(yīng)加熱電源；6.勵磁線圈；7.勵磁電源；8.超聲波電源；9.超聲波發(fā)生器；10.夾具；11.基材；12.熔覆層；13.工業(yè)在線式紅外測溫儀；14.數(shù)字顯示控制儀表；15.聚焦透鏡；16.螺絲桿；17.墊片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

本發(fā)明所述的熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法，采用感應(yīng)加熱與電磁-超聲復(fù)合能場相結(jié)合的多能場輔助激光熔覆方法制備高性能無缺陷金屬基陶瓷涂層，通過高頻感應(yīng)加熱裝置對基材進(jìn)行實時預(yù)熱，同時開啟電磁-超聲復(fù)合能場裝置對熔池進(jìn)行作用，并在熔覆結(jié)束后再次利用感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行涂層的緩冷處理，在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同時細(xì)化晶粒、消除裂紋與孔隙，最終獲得陶瓷顆粒增強相分布均勻、顯微組織細(xì)化的高性能熔覆層。

圖1為本發(fā)明所述熱、聲、磁復(fù)合能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層的方法所使用的裝置下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明本發(fā)明所述方法的具體步驟。

實施例1

1)將經(jīng)打磨、清洗和吹干后的模具鋼安裝固定在夾具10上；如圖2所示，基材11通過四個螺絲桿16經(jīng)墊片17進(jìn)行夾緊定位；

2)將配比好的Ni+35％WC合金粉末放入球磨機中進(jìn)行8h混合，待攪拌均勻后將粉末放入同軸送粉器3；

3)將感應(yīng)加熱線圈4與基材11間距設(shè)定為1mm，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源5使基材11表面溫度達(dá)到280℃；

4)利用工業(yè)在線式紅外測溫儀13對基材11表面進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過數(shù)字顯示控制儀表14實時觀察基材11表面溫度變化，待基材11表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，打開電磁-超聲復(fù)合能場裝置實現(xiàn)感應(yīng)加熱、電磁攪拌與超聲振動的多場耦合協(xié)同，此時，勵磁線圈6與超聲波發(fā)生器9經(jīng)勵磁電源7和超聲波電源8的調(diào)節(jié)，使得磁場強度為5mT，基材11產(chǎn)生1μm的振幅，振動頻率為20kHz。

5)打開激光器1，激光經(jīng)反射鏡2放射、聚焦透鏡15聚焦后，輻照基材11表面，實現(xiàn)同步軸向送粉多能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層加工，激光功率為800W，光斑直徑為1mm，掃描速度300mm/min，搭接率為30％。

6)待熔覆結(jié)束后關(guān)閉同軸送粉器3及電磁-超聲復(fù)合能場裝置，利用高頻感應(yīng)加熱裝置對熔覆層12進(jìn)行300℃緩冷處理，保溫時間3h。

實施例2

1)將經(jīng)打磨、清洗和吹干后的鎳基高溫合金安裝固定在夾具10上；

2)將配比好的Co+35％TiC合金粉末放入球磨機中進(jìn)行12h混合，待攪拌均勻后將粉末放入同軸送粉器3；

3)將感應(yīng)加熱線圈4與基材11間距設(shè)定為5mm，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源5使基材11表面溫度達(dá)到800℃；

4)利用工業(yè)在線式紅外測溫儀13對基材11表面進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過數(shù)字顯示控制儀表14實時觀察基材11表面溫度變化，待基材11表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，打開電磁-超聲復(fù)合能場裝置實現(xiàn)感應(yīng)預(yù)熱、電磁攪拌與超聲振動的多場耦合協(xié)同，此時，勵磁線圈6與超聲波發(fā)生器9經(jīng)勵磁電源7和超聲波電源8的調(diào)節(jié)，使得磁場強度為50mT，基材11產(chǎn)生25μm的振幅，振動頻率為40kHz。

5)打開激光器1，激光經(jīng)反射鏡2放射、聚焦透鏡15聚焦后，輻照基材11表面，實現(xiàn)同步軸向送粉多能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層加工，激光功率為1800W，光斑直徑為4mm，掃描速度1500mm/min，搭接率為50％。

6)待熔覆結(jié)束后關(guān)閉同軸送粉器3及電磁-超聲復(fù)合能場裝置，利用高頻感應(yīng)加熱裝置對熔覆層12進(jìn)行600℃緩冷處理，保溫時間1h。

實施例3

1)將經(jīng)打磨、清洗和吹干后的鈦合金安裝固定在夾具10上；

2)將配比好的Fe+50％SiC合金粉末放入球磨機中進(jìn)行10h混合，待攪拌均勻后將粉末放入同軸送粉器3；

3)將感應(yīng)加熱線圈4與基材11間距設(shè)定為3mm，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源5使基材11表面溫度達(dá)到450℃；

4)利用工業(yè)在線式紅外測溫儀13對基材11表面進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過數(shù)字顯示控制儀表14實時觀察基材11表面溫度變化，待基材11表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，打開電磁-超聲復(fù)合能場裝置實現(xiàn)感應(yīng)預(yù)熱、電磁攪拌與超聲振動的多場耦合協(xié)同，此時，勵磁線圈6與超聲波發(fā)生器9經(jīng)勵磁電源7和超聲波電源8的調(diào)節(jié)，使得磁場強度為25mT，基材產(chǎn)生15μm的振幅，振動頻率為30kHz。

5)打開激光器1，激光經(jīng)反射鏡2放射、聚焦透鏡15聚焦后，輻照基材11表面，實現(xiàn)同步軸向送粉多能場輔助激光熔覆金屬基陶瓷涂層加工，激光功率為1500W，光斑直徑為3mm，掃描速度1000mm/min，搭接率為40％。

6)待熔覆結(jié)束后關(guān)閉同軸送粉器3及電磁-超聲復(fù)合能場裝置，利用高頻感應(yīng)加熱裝置對熔覆層12進(jìn)行500℃緩冷處理，保溫時間2h。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。