一种激光复合强化金属材料的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工应用领域，尤其是一种激光复合强化金属材料的方法和装置。
【背景技术】
[0002]激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
[0003]激光冲击强化是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、耐磨损和应力腐蚀等性能的技术。而激光空化强化技术则是利用激光聚焦于水中，诱导产生空化现象，利用空化泡生长直至溃灭时产生的冲击波、水射流以及局部高温高压，冲击金属表面，在金属表面形成了残余应力层，使金属材料的疲劳强度、硬度等性能得以提高。激光空化强化较普通的激光强化比，结构简单，成本较低，能够有效用于金属材料的表面强化，并且由于激光空化强化有一种复合强化的作用，故其表面强化效果强于普通的激光冲击强化，而且激光空化强化过程中不需要吸收层和约束层，所以工艺过程较简单，更加适合于自动化加工。
[0004]专利号为CN103409758A的中国专利公开了一种栗类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法，该方法是利用了激光熔覆与激光强化复合的方法对栗类零件进行修复，虽然该方法解决了激光熔覆过程中会产生裂纹的问题，但是该方法需要使用到惰性气体的保护，工艺较复杂，会对原始基材其他不用修复的区域造成材料损伤，激光能量利用率也不太高，会造成能源浪费。专利号为CN102312237A的中国专利公开了一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，该方法通过先添加一层金属镍镀层，再通过激光熔覆的方法来完成表面强化，但是存在着激光熔覆带来的裂纹，由于镀层的加入使结合较没有镀层的时候紧密，容易发生开裂、裂纹扩散等问题。
[0005]综上，目前已经存在的一些金属材料的抗气蚀、耐磨损能力的方法，存在着激光效率利用不高、工艺复杂、对基材的损伤或者熔覆层产生裂纹、熔覆层与基材开裂，结合度不够等问题。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光复合强化金属材料的方法和装置，解决了(I)激光对未强化区域的热力损伤问题；(2)激光熔覆及强化过程中对于周围气体环境的限制问题；(3)使金属熔覆层、过渡层、基材间的连接较只有熔覆层、基材这种方法更加紧密；(4)在较少能源消耗的前提下，进一步提高了基材强化区的残余压应力，综合改善了材料的机械性能。
[0007]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]—种激光复合强化金属材料的方法，包括如下步骤:
[0009]S1、将金属材料加工区域去除材料，然后表面镀上一层金属镀层，固定在载物台上，所述金属镀层的主要成分与所述金属材料为相同金属；
[0010]S2、将金属粉末均勾铺设到SI所述镀层的金属材料表面，激光光束对所述金属材料的铺设金属粉末区域进行激光熔覆，所述金属粉末的主要成分与所述金属材料为相同金属；
[0011]S3、将S2所述熔覆的金属材料置于水中，激光光束对所述金属材料的熔覆区域进行激光空化强化；
[0012]S4、对S3所述空化强化的金属材料表面进行清理、加工。
[0013]进一步，SI所述金属材料的加工区域表面去除I?1.5mm厚度。
[0014]进一步，SI所述的金属镀层厚度为0.2?0.4mm ;所述金属镀层中加入抗氧化金属O
[0015]抗氧化金属如N1、Cr等。
[0016]进一步，S2所述金属粉末形成的恪覆层厚度为0.5?1mm，所述金属粉末中加入娃、硼、碳或镉。
[0017]硅、硼、碳或镉等起到抗气蚀、耐磨损等作用。
[0018]在上述方案中，所述熔覆的激光参数为激光的功率密度为105?106W/cm2，激光束的使用功率为1000?2000W，激光光斑尺寸为10mmX2mm，扫描速度为I?10mm/s，送粉量为10?20g/min，搭接率为20%?30% ；
[0019]所述激光空化强化的激光参数为输出波长为1064nm，脉冲能量为200?500mJ，搭接率为50%。
[0020]本发明还包括一种激光复合强化金属材料的装置，所述装置包括控制系统，所述控制系统分别与工作台、水栗和激光控制器连接，所述工作台上设有水箱，所述金属材料位于所述水箱中，所述水栗分别与所述水箱和储水箱连接，所述激光控制器与激光器连接，所述激光器位于所述金属材料的加工区域正上方。
[0021]进一步，所述装置还包括通过管道依次连接的储料罐、流量调节装置和喷头，所述流量调节装置与所述控制系统连接，所述喷头对准所述金属材料的加工区域，所述储料罐中装有用于激光熔覆的金属粉末。
[0022]在上述方案中，所述激光器与所述金属材料之间设有透镜组，所述透镜组包括一组凹透镜和凸透镜，所述凹透镜和所述凸透镜分别靠近所述激光器和所述金属材料。
[0023]在上述方案中，所述水箱中设有载物台，所述金属材料通过夹具固定于所述载物台上。
[0024]本发明有益效果如下:
[0025](I)通过给金属材料表面镀上一层金属镀层，将基材与空气分隔开来，解决了激光熔覆过程中对于大气环境要求过高的问题；由于镀护层的存在，隔绝开了强化区与非强化区，从而防止了激光热作用对非强化区的材料烧灼氧化作用；同时该镀层由于金属元素成分还起一种金属过渡层作用，使基材和熔覆层的结合比简单的激光熔覆处理过程更加紧
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[0026](2)激光熔覆技术及激光空化强化技术的联合使用，使得激光熔覆过程中产生的裂纹消失，并且强化的作用也使得熔覆层与保护层，保护层与基材间的连接比使用镀镍层和激光熔覆技术的方法结合得更加紧密，更加不容易脱落。
[0027](3)激光空化强化技术的引进，使得工艺过程更加简单，不需要添加约束层及吸收层，强化过程更加自动化。
[0028](4)激光空化强化过程是一种复合冲击过程，除了激光冲击效应外，还有一种由激光冲击引起的空化泡的溃灭而产生的一种瞬间射流冲击，在两种冲击作用的同时作用下，使得熔覆层、镀层、金属材料间的连接更加紧密，表面熔覆层残余应力较相同的激光冲击作用提高了 0.6倍左右，残余应力层深度提高了 0.5倍，疲劳寿命更是提高了 I倍左右。
[0029](5)将激光熔覆层调配成黑色或深色，提高了金属表面对于激光能量的吸收，进一步提高了激光能量利用率。
【附图说明】
[0030]图1为本发明所述激光复合强化金属材料的装置结构示意图。
[0031]附图标记说明如下:
[0032]1-储水箱，2-水栗，3-控制系统，4-激光控制器，5-激光器，6_透镜组，7_凹透镜，8-凸透镜，9-管道，10-储料罐，11-流量调节装置，12-喷头，13-金属材料，14-夹具，15-载物台，16-水箱，17-工作台。
【具体实施方式】
[0033]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。<