专利名称：一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法
技术领域：
本发明涉及一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，属于激光加工技术领域。
背景技术：
金属零部件的腐蚀、磨损及疲劳断裂等重要损伤，所带来的破坏与经济损失是十分惊人的，如美国1995年因腐蚀造成的损失达3000亿美元，我国每年因磨擦磨损导致的经济损失达1000亿元。因此，采用表面改性、涂覆等方法，提高金属零部件的表面性能，修复、 控制或防止表面损坏，可延长其服役寿命，获得巨大的经济效益。常规的表面涂覆方法有电镀、热喷涂、堆焊与激光熔覆等。其中，电镀具有工艺简单、操作方法与加工成本低等优点，但电镀层很薄，一般小于0. 3微米，与基体结合差，加工大型工件时会出现电力线分布不均导致不能形成连续且厚度均勻的电镀层；热喷涂制备的涂层表面粗糙，其内存在大量气孔与微裂纹，涂层与基体之间为机械结合，使用一段时间后涂层易剥落；堆焊由于热源的输入功率较大，对于含有陶瓷相的复合材料，陶瓷相易发生大量的烧损，导致涂层的硬度与耐磨性降低，而且容易使涂层的稀释率与基材的热影响区变大，导致基材发生严重的变形。激光熔覆技术是一种新兴的表面强化技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起快速熔化并快速凝固结晶形成涂层的一种方法。相对于其它表面强化技术而言，激光熔覆技术具有以下优点(1)激光束方向可控性好，易于实现选区加工；(2)激光束能量密度高，在熔覆过程可以将基材的热影响区与热变形降低到最小程度；(3)涂层的显微组织致密、稀释率低且可控，与基体呈结合强度高的冶金结合，在服役的过程中不易剥落；(4)激光熔覆技术对环境无污染，自动化程度高。但是，到目前为止，激光熔覆技术并未在工业中得到广泛的应用，关键原因有两个一是激光熔覆效率偏低，导致加工成本过高；二是熔覆层易产生裂纹，限制了该技术的实际应用。因此，寻求一种操作方便，加工成本低，且能够提高效率与消除激光熔覆层裂纹的方法成为了研究人员一直追求的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，它是利用激光分束镜将同一波长的激光束分成两束激光，一束用于对基材表面进行预热处理，其目的是提高基材对另一束激光的吸收率以及消除熔覆层的裂纹；另一束激光用于熔化基材表面形成熔池与熔化合金粉末。因此，在激光熔覆过程中，采用窄斑与基材预热的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率与降低激光熔覆过程中的温度梯度，从而在高效率条件下获得无裂纹的高性能涂层。本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为
(1)对基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理，基材可以为碳钢、合金钢、铸铁；
3(2)采用具有定分光比的激光分束镜将波长为1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成两束激光，经聚焦后作用于基材表面；
(3)第一束激光为预热激光束，主要用于对基材表面进行预热处理，提高基材对第二束激光的吸收率，预热的温度为20(T950°C，第二束激光为熔覆激光束，主要用于熔化基材表面形成熔池与熔化合金粉末，并作用于基材表面且位于第一束激光运动方向的后面，其中， 激光器的功率为0. 5^8 kW，分成两束激光后，预热激光束的功率为0. 15^3. 2 kW，熔覆激光束的功率为3 5. 6 kW，两束激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为1. 2^2 mm ；
(4)利用自动送粉器的粉末喷嘴将合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池内，熔化后在基材表面铺展开，当第二束激光运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层，其中，激光扫描速度为0.8 25 m/min，粉末流量为1(T60 g/min，粉末喷嘴与熔覆激光束的夹角为3(Γ50°，与基材表面的垂直距离为6 10 mm，粉末粒度为一 18(T + 320目；
(5)当激光熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的8(Γ40% ；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)—(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。在进行所述的步骤(2)时，激光分束镜为双面抛光的Κ9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比为30% 70%与40% :60%。在进行所述的步骤(3)时，第二束激光作用于第一束激光运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为2 7 mm。在进行所述的步骤(4)时，合金粉末为掺入有(Γ90 wt. %的强化相颗粒的Ni基、 Co基、!^e基与Cu基合金粉末，其中强化相颗粒为碳化物如WC、SiC与TiC，硼化物如TB2与 0 ，硅化物如MoSi2与WSi2，氧化物如Al2O3JrO2，金属间化合金物i^eAl、NiAl与TiAl等。在进行所述的步骤(5)时，将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的8(T40%m，从而控制连续两道次间的搭接率40、0%。本发明的优点是(1)无需体积庞大、预热速度慢且装卸不方便的加热炉，激光加工效率相对常规的激光熔覆技术最大可以提高40倍，使加工成本大幅度降低；(2)涂层组织致密，稀释率低且可控，无气孔与裂纹，具有硬度高、耐磨与耐蚀等优异的性能；(3)操作方便，自动化程度高，在航空航天、冶金机械、汽车模具、石化与电力等工业领域中关键零部件的表面强化与修复方面具有广泛应用的潜力。
图1为本发明一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的装置示意图。
具体实施例方式实施例1
在70Mn2Mo铸钢热轧辊表面采用同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法制备M基合金涂层，该涂层的厚度为2mm。本实施例的实施过程为，如图1所示。(1)采用打磨机对70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面进行除锈处理，然后用体积比为1 1的氢氧化钠与碳酸钠的混合溶液除油，再用纯净水清洗并烘干，最后进行喷砂处理；
(2)采用具有定分光比的激光分束镜11将波长为1.06 μ m的Nd: YAG激光器2发出的激光束分成激光束Ll与激光束L2，激光束Ll经反射镜12反射与聚焦镜8聚焦后作用于 70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面，激光束L2经聚焦镜3聚焦后作用于70Mn2Mo铸钢热轧辊9 的表面。其中，激光分束镜11为双面抛光的Κ9玻璃，分光比为40% 60% ；
(3)第一束激光Ll为预热激光束，主要用于对70Μη2Μο铸钢热轧辊9的表面进行预热处理，提高70Μη2Μο铸钢热轧辊9对第二束激光L2的吸收率与降低激光熔覆过程中的温度梯度，预热的温度为600°C，第二束激光L2为熔覆激光束，主要用于熔化70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面形成熔池4与熔化合金粉末7，并作用于70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面且位于第一束激光Ll运动方向的后面，使激光束Ll与激光束L2在70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面的光斑中心间距为4 mm。其中，激光器的功率为4 kW，分成两束激光后，预热激光束的功率为1.6 kW，熔覆激光束的功率为2. 4 kW，激光束Ll与激光束L2分别经聚焦镜8与聚焦镜 3聚焦后在70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面的光斑直径为1. 5 mm ；
(4)利用自动送粉器5的粉末喷嘴6将镍基合金粉末7吹入第二束激光L2在70Mn2Mo 铸钢热轧辊9的表面形成的熔池4内，熔化后在70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面铺展开，当第二束激光L2运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层13。其中，利用计算机1调节激光扫描速度为15 m/min与粉末流量为40 g/min，粉末喷嘴6与熔覆激光束L2的夹角为 35°，与70Mn2Mo铸钢热轧辊9的表面的垂直距离为8 mm,镍基合金粉末7的化学成分为 0.5 0.8wt.% C，3· 0 6· Owt. % Si，3. 5 5. Owt. % B，12 18wt. % Cr，12. 0 18wt. % Fe，余量为 Ni，其粒度为一 180 + 320目；
(5)当激光熔覆完一道之后，利用计算机1将数控机床10沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的8(Γ40%，从而控制连续两道次间的搭接率为40 - 80% ；
(6)检测涂层13的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)- (5)，直到涂层13达到所要求的厚度；否则，工作结束。实施例2
采用同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法在液压缸活塞杆表面熔覆WC-12 wt. % Co，该涂层的厚度为1. 8 mm，液压缸活塞杆的材质为35号钢。(1)采用打磨机对液压缸活塞杆9的表面进行除锈处理，然后用体积比为1 :1的氢氧化钢与碳酸钠的混合溶液除油，再用纯净水清洗并烘干，最后进行喷砂处理；
(2)采用具有定分光比的激光分束镜11将波长为1.06 μ m的Nd: YAG激光器2发出的激光束分成激光束Ll与激光束L2，激光束Ll经反射镜12反射与聚焦镜8聚焦后作用于液压缸活塞杆9的表面，激光束L2经聚焦镜3聚焦后作用于液压缸活塞杆9的表面。其中， 激光分束镜11为双面抛光的紫外石英玻璃，分光比为30% 70% ；
(3)第一束激光Ll为预热激光束，主要用于对液压缸活塞杆9的表面进行预热处理， 提高液压缸活塞杆9对第二束激光L2的吸收率与降低激光熔覆过程中的温度梯度，预热的温度为950°C，第二束激光L2为熔覆激光束，主要用于熔化液压缸活塞杆9的表面形成熔池 4与熔化合金粉末7，并作用于液压缸活塞杆9的表面且位于第一束激光Ll运动方向的后面，使激光束Ll与激光束L2在液压缸活塞杆9的表面的光斑中心间距为7 mm。其中，激光器的功率为8 kW，分成两束激光后，预热激光束的功率为2.4 kW，熔覆激光束的功率为5. 6kW，激光束Ll与激光束L2分别经聚焦镜8与聚焦镜3聚焦后在液压缸活塞杆9的表面的光斑直径为2. 0 mm ；
(4)利用自动送粉器5的粉末喷嘴6将合金粉末7吹入第二束激光L2在液压缸活塞杆 9的表面形成的熔池4内，熔化后在液压缸活塞杆9的表面铺展开，当第二束激光L2运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层13。其中，利用计算机1调节激光扫描速度为25 m/ min与粉末流量为60 g/min，粉末喷嘴6与熔覆激光束L2的夹角为45°，与液压缸活塞杆 9的表面的垂直距离为10 mm，合金粉末7的化学成分为12 wt. % Co, 88 wt. % WC，其粒度为一 180 + 320目；
(5)当激光熔覆完一道之后，利用计算机1将数控机床10沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的8(Γ40%，从而控制连续两道次间的搭接率为40 - 80% ；
(6)检测涂层13的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)- (5)，直到涂层13达到所要求的厚度；否则，工作结束。
权利要求
1.一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是方法步骤为(1)对基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)采用具有定分光比的激光分束镜将波长为1.06 μ m的Nd: YAG激光束分成两束激光，经聚焦后作用于基材表面，基材可以为碳钢、合金钢、铸铁；(3)第一束激光为预热激光束，主要用于对基材表面进行预热处理，提高基材对第二束激光的吸收率，预热的温度为20(T95(TC，第二束激光为熔覆激光束，主要用于熔化基材表面形成熔池与熔化合金粉末，并作用于基材表面且位于第一束激光运动方向的后面，其中， 激光器的功率为0. 5^8 kW，分成两束激光后，预热激光束的功率为0. 15^3. 2 kW，熔覆激光束的功率为3、. 6 kW，两束激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为1. 2^2 mm ；(4)利用自动送粉器的粉末喷嘴将合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池内，熔化后在基材表面铺展开，当第二束激光运动移开后，熔融层快速凝固并结晶形成涂层，其中，激光扫描速度为0.8 25 m/min，粉末流量为1(T60 g/min，粉末喷嘴与熔覆激光束的夹角为3(Γ50°，与基材表面的垂直距离为6 10 mm，粉末粒度为一 18(Γ + 320目；(5)当激光熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的8(Γ40% ；(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)—(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
2.根据权利要求1所述的一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在进行所述的步骤(2)时，激光分束镜为双面抛光的Κ9玻璃或浮法玻璃或紫外石英玻璃，分光比为 30% 70% 与 40% :60%。
3.根据权利要求1所述的一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在进行所述的步骤(3 )时，第二束激光作用于第一束激光运动方向的后面，从而控制两束激光在基材表面的光斑中心间距为2 1 mm。
4.根据权利要求1所述的一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在进行所述的步骤(4)时，合金粉末为掺入有(Γ90 wt. %的强化相颗粒的Ni基、Co基、Fe基与 Cu基合金粉末，其中强化相颗粒为碳化物如WC、SiC与TiC，硼化物如TiB2与CrB2,硅化物如MoSi2与WSi2，氧化物如Al2O3，ZrO2，金属间化合金物FeAl、NiAl与TiAl等。
5.根据权利要求1所述的一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征是在进行所述的步骤(5)时，将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的 8(T40%m，从而控制连续两道次间的搭接率40、0%。
全文摘要
本发明公开了一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法，其特征在于(1)对基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)采用激光分束镜将同一波长的激光束分成两束激光；(3)第一束激光作用于基材表面，对基材进行预热处理；(4)采用自动送粉器的粉末喷嘴将合金粉末吹入第二束激光在基材表面形成的熔池内；(5)将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的40-80%；(6)重复步骤(2)－(5)，直达涂层达到所要求的厚度，否则工作结束。该方法的优点(1)使加工成本大幅度降低；(2)基材的热影响区小且没有变形；(3)对基材的形状与尺寸无限制。
文档编号C23C24/10GK102409338SQ20111035225
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者周圣丰, 戴晓琴 申请人:南昌航空大学