一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法与流程

本发明涉及材料表面激光制备涂层领域，特指一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法。

背景技术：

激光熔覆技术以其冷却速度快、涂层稀释率低、热变形小及易实现自动化控制等优势在机械、汽车、航空航天及石油化工等领域具有广阔的应用前景。

金属基陶瓷材料成功地将金属相的强度、韧性和陶瓷材料的优异耐磨、耐蚀等性能结合起来，构成一种新的复合材料，既满足了对材料表面特殊性能的要求，又节约了大量的贵重元素，被广泛应用于材料的表面改性层中。激光熔覆金属基陶瓷材料目前已成为激光熔覆制备涂层的研究热点。但激光熔覆金属基陶瓷涂层工艺在实际应用中仍存在一些问题，如激光熔覆效率较低、熔覆层易产生孔隙、裂纹、熔覆层组织存在粗大柱状枝晶及较大的残余应力易使涂层剥落等不足，这极大地阻碍了该技术在工业化应用中的推广。

针对上述的问题，已有相关学者提出工艺上的改进措施。专利号为CN200710052457.7的专利申请提出了将激光束与高频电磁感应加热相结合的复合熔覆方法，以大幅度提高熔覆的速度和效率。但该方法虽可降低涂层与基体的温度梯度，提高熔覆效率，减小开裂敏感性，但由于温度梯度减小，熔池冷却速率降低，进而使得凝固组织在熔化凝固过程中有更多的时间长大，导致组织粗化，影响熔覆层的性能。

随着激光复合制造的发展，通过外加能场辅助激光熔覆制备高性能涂层得到广泛关注。专利号为CN201310061962.3和CN201210225593.2的专利分别申请介绍了超声波振动及电磁搅拌辅助激光熔覆的方法，然而由于激光熔池存在时间短，产生的超声空化、声流搅拌及磁力搅拌对熔池的作用时间很短，故仅通过单一的能场进行辅助效果并不是很理想。申请号CN201610114914.X的发明专利中提出了电磁-超声复合能场辅助激光熔覆的方法及装置，将两者能场进行耦合，利用复合能场的协同效应对熔覆层组织进行调控，性能进行改善。该方法虽可获得性能优异的涂层，但是激光熔覆的效率提高并不十分明显。

因此，如何在提高激光熔覆效率的同时对熔覆层的显微组织进行调控，裂纹孔隙缺陷进行消除是在工业化推广应用过程中亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有方法存在的问题，本发明从制备工艺入手，提出一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法，采用感应加热与电磁-超声复合能场相结合的多能场辅助激光熔覆方法制备高性能无缺陷金属基陶瓷涂层，通过高频感应加热装置对基材进行实时预热，待达到预热温度时开启电磁-超声复合能场装置对激光熔覆过程中的熔池进行作用，并在熔覆结束后再次利用感应加热装置进行涂层的缓冷处理，以此达到在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同时细化晶粒、消除裂纹与孔隙，最终获得陶瓷颗粒增强相分布均匀、显微组织细化的高性能熔覆层的目的。本发明的目的在于提供一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法，通过感应加热与电磁-超声复合能场的协同作用在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同时细化晶粒、消除裂纹与孔隙，获得陶瓷颗粒增强相分布均匀、显微组织细化的高性能熔覆层。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

本发明解决上述问题的技术方案是：其具体步骤为：

一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)将经打磨、清洗和吹干后的基材安装固定在夹具上；

B)将配比好的金属基陶瓷粉末放入球磨机中混合，待搅拌均匀后将粉末放入送粉器；

C)将感应加热线圈与基材间距设定在1～5mm内，调节感应加热电源使基材表面温度在280～800℃；

D)待试样表面温度达到预定温度后，打开电磁-超声复合能场装置实现感应加热、电磁搅拌与超声振动的多场协同耦合；

E)打开激光器实现同轴送粉多能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层加工；

F)待熔覆结束后关闭同轴送粉器及电磁-超声复合能场装置，利用高频感应加热装置对熔覆层进行缓冷处理。

进一步地，所述的基材通过四个螺丝杆经垫片进行夹紧定位。

进一步地，所述的金属基陶瓷粉末为镍基、钴基、铁基自熔性合金粉末与一种或者几种陶瓷颗粒增强相WC、TiC、Al₂O₃与SiC等的混合物，其中陶瓷颗粒增强相在复合粉末内的质量百分含量所占范围为5～80wt.％,混合粉末放入真空球磨机中进行8-12h。

进一步地，所述的预热温度检测采用工业在线式红外测温仪进行实时在线监测。

进一步地，所述的当监测温度达到预定预热温度时将超声振动装置及电磁搅拌装置打开。其中电磁-超声复合能场调节参数磁场强度范围为5-50mT的交变磁场，基材振幅范围1-25μm，振动频率20-40kHz。

进一步地，所述的激光熔覆加工参数范围为：激光功率为800-1800W，光斑直径为1-4mm，扫描速度300-1500mm/min，搭接率为30％-50％。

进一步地，所述的高频感应加热装置对熔覆层进行缓冷处理温度范围为300-600℃，保温时间1-3h。

本发明采用可提高激光熔覆效率的高频感应加热与可调控显微组织及消除裂纹与孔隙的电磁-超声复合能场相结合的方法制备高性能无缺陷金属基陶瓷涂层。克服了在激光感应复合熔覆技术下，虽可显著提高激光熔覆的效率和速度，但存在着由于温度梯度减小，熔池冷却速率降低而导致的显微组织粗化及性能降低缺陷，通过引入电磁-超声复合能场对激光熔池进行作用，使得在高效快速激光熔覆过程中获得陶瓷颗粒增强相分布均匀、显微组织细化与均化、无裂纹孔隙缺陷的高性能熔覆层。

本发明中由于高频感应加热介入，使得激光熔池存在的时间延长，可有效提高电磁-超声复合能场对熔池的作用效果，同时也可节约相应的能源，是一种节能环保的方法。

本发明是一种调控灵活、易于操作、通用性强的高效、优质的促进激光熔覆技术在工业化中大面积应用的方法。

附图说明

图1为本发明所述热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法的装置示意图。

图2为所述夹具图。

图中：1.IPG光纤激光器；2.反射镜；3.送粉器；4.感应加热线圈；5.感应加热电源；6.励磁线圈；7.励磁电源；8.超声波电源；9.超声波发生器；10.夹具；11.基材；12.熔覆层；13.工业在线式红外测温仪；14.数字显示控制仪表；15.聚焦透镜；16.螺丝杆；17.垫片。

具体实施方式

下面结合附图以及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限于此。

本发明所述的热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法，采用感应加热与电磁-超声复合能场相结合的多能场辅助激光熔覆方法制备高性能无缺陷金属基陶瓷涂层，通过高频感应加热装置对基材进行实时预热，同时开启电磁-超声复合能场装置对熔池进行作用，并在熔覆结束后再次利用感应加热装置进行涂层的缓冷处理，在提高激光熔覆效率及粉末利用率的同时细化晶粒、消除裂纹与孔隙，最终获得陶瓷颗粒增强相分布均匀、显微组织细化的高性能熔覆层。

图1为本发明所述热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法所使用的装置下面结合图1详细说明本发明所述方法的具体步骤。

实施例1

1)将经打磨、清洗和吹干后的模具钢安装固定在夹具10上；如图2所示，基材11通过四个螺丝杆16经垫片17进行夹紧定位；

2)将配比好的Ni+35％WC合金粉末放入球磨机中进行8h混合，待搅拌均匀后将粉末放入同轴送粉器3；

3)将感应加热线圈4与基材11间距设定为1mm，调节感应加热电源5使基材11表面温度达到280℃；

4)利用工业在线式红外测温仪13对基材11表面进行温度监测，通过数字显示控制仪表14实时观察基材11表面温度变化，待基材11表面温度达到预定温度后，打开电磁-超声复合能场装置实现感应加热、电磁搅拌与超声振动的多场耦合协同，此时，励磁线圈6与超声波发生器9经励磁电源7和超声波电源8的调节，使得磁场强度为5mT，基材11产生1μm的振幅，振动频率为20kHz。

5)打开激光器1，激光经反射镜2放射、聚焦透镜15聚焦后，辐照基材11表面，实现同步轴向送粉多能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层加工，激光功率为800W，光斑直径为1mm，扫描速度300mm/min，搭接率为30％。

6)待熔覆结束后关闭同轴送粉器3及电磁-超声复合能场装置，利用高频感应加热装置对熔覆层12进行300℃缓冷处理，保温时间3h。

实施例2

1)将经打磨、清洗和吹干后的镍基高温合金安装固定在夹具10上；

2)将配比好的Co+35％TiC合金粉末放入球磨机中进行12h混合，待搅拌均匀后将粉末放入同轴送粉器3；

3)将感应加热线圈4与基材11间距设定为5mm，调节感应加热电源5使基材11表面温度达到800℃；

4)利用工业在线式红外测温仪13对基材11表面进行温度监测，通过数字显示控制仪表14实时观察基材11表面温度变化，待基材11表面温度达到预定温度后，打开电磁-超声复合能场装置实现感应预热、电磁搅拌与超声振动的多场耦合协同，此时，励磁线圈6与超声波发生器9经励磁电源7和超声波电源8的调节，使得磁场强度为50mT，基材11产生25μm的振幅，振动频率为40kHz。

5)打开激光器1，激光经反射镜2放射、聚焦透镜15聚焦后，辐照基材11表面，实现同步轴向送粉多能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层加工，激光功率为1800W，光斑直径为4mm，扫描速度1500mm/min，搭接率为50％。

6)待熔覆结束后关闭同轴送粉器3及电磁-超声复合能场装置，利用高频感应加热装置对熔覆层12进行600℃缓冷处理，保温时间1h。

实施例3

1)将经打磨、清洗和吹干后的钛合金安装固定在夹具10上；

2)将配比好的Fe+50％SiC合金粉末放入球磨机中进行10h混合，待搅拌均匀后将粉末放入同轴送粉器3；

3)将感应加热线圈4与基材11间距设定为3mm，调节感应加热电源5使基材11表面温度达到450℃；

4)利用工业在线式红外测温仪13对基材11表面进行温度监测，通过数字显示控制仪表14实时观察基材11表面温度变化，待基材11表面温度达到预定温度后，打开电磁-超声复合能场装置实现感应预热、电磁搅拌与超声振动的多场耦合协同，此时，励磁线圈6与超声波发生器9经励磁电源7和超声波电源8的调节，使得磁场强度为25mT，基材产生15μm的振幅，振动频率为30kHz。

5)打开激光器1，激光经反射镜2放射、聚焦透镜15聚焦后，辐照基材11表面，实现同步轴向送粉多能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层加工，激光功率为1500W，光斑直径为3mm，扫描速度1000mm/min，搭接率为40％。

6)待熔覆结束后关闭同轴送粉器3及电磁-超声复合能场装置，利用高频感应加热装置对熔覆层12进行500℃缓冷处理，保温时间2h。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。