專利名稱：一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法
技術領域：
本發明涉及一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，具體地說是一種改善預置法復合涂層氣孔問題，起到細化激光復合涂層顯微組織，使顆粒增強相均勻分布的方法，屬激光加工技術領域。
背景技術：
在材料激光加工領域，激光表面改性技術自80年代以來越來越受到人們的關注和重視。圍繞激光加工的特點，人們相繼研究并開發出一些具有工業應用前景的激光表面改性技術。其中激光熔覆技術，它是在基材表面預置或同步添加所需要的熔覆粉末，利用高能密度激光束掃描熔覆粉末，使其與基底表層同時熔化，并通過基底的激冷作用來實現快速凝固，從而形成與基底呈現冶金結合、且稀釋率較低的表面涂層。由于激光具有能量密度高、對非激光照射部位影響極小等特點，可獲得快速凝固的細小表面層晶粒組織或亞結構，同時也可原位形成細小彌散的碳化物硬質相。近十年來激光熔覆技術在材料表面改性方面受到高度的重視，在汽車制造工業、航空航天工業、石油、模具等行業中應用廣泛，也包括對航空發動機渦輪葉片裂紋修復，高鉻鑄鐵軋輥和軸類零件表面的修復。激光熔覆技術擁有眾多優勢的同時也存在亟待解決的缺陷。首先，在熔覆粉末選擇方面的復合粉末，因其是由含有兩種或兩種以上的粉末組合而成，存在粒度和密度的不同，同步送粉法不利于復合粉末中各組分的均勻分布，多數采用預置粉末法，這就涉及到有機粘結劑的使用，目前尚不存在受熱揮發后不產生氣體殘留的粘結劑，所以導致涂層內部會存在或多或少的氣體殘留所形成氣孔，將直接影響到涂層的使用壽命。其次，由于激光熔覆過程中基材與熔覆層的結合界面存在較大的溫度梯度，垂直于結合面方向存在快速凝固行為，組織特征為外延生長的粗大樹枝晶，涂層內部組織晶粒大小程度不一和顆粒增強相呈不均勻分布，不利于涂層機械性能的穩定性；因此，預置法制備復合涂層的殘余氣孔，組織均勻性和顆粒增強相分布問題將影響顆粒增強復合涂層的進一步發展。經對國內外公開發表的相關文獻檢索發現，目前在材料加工領域，上海工程技術大學的楊尚磊、林慶琳等人在專利CN102277552A “采用電弧一等離子噴涂一激光重熔的金屬表面處理方法”中提出了首先用鎢極惰性氣體保護電弧將處理的工件表層熔化成熔池，同時將噴涂粉末材料噴入熔池內，通過等離子弧吹力對熔池進行攪拌，形成致密而結合強度極高的熔一噴涂層，最后通過激光重熔技術對表面進行重熔處理。該工藝三種材料表面加工技術，由于每種工藝對相同的涂覆材料要設置不同的工藝參數，得到優化的工藝參數需要大量實驗和時間驗證，在操作方面不夠簡化。北京科技大學的周香林、張濟山等人在專利CN1456707A “一種激光熔覆金屬間化合物/陶瓷復合涂層及制備方法”中提出了通過熱噴涂獲得預制涂層，然后進行激光處理，得到激光熔覆層。此工藝對熱噴涂涂層的厚度有直接聯系，當熱噴涂涂層較薄時，后續重熔的激光處理可以消除熱噴涂涂層所殘留的缺陷，但如果熱噴涂涂層超過激光處理所能達到的厚度時，靠近基材的涂層將無法實現重熔，而此區域的質量將無法得到有效的改善，因此產生了對涂層厚度的局限性和制約性。
振動應用在金屬鑄件的歷史可以追溯到20世紀50、60年代，當時已有振動可能改變部分微觀結構、改善力學性能、減少缺陷的觀點。這種觀點在對鑄造鋁合金和鋼的研究中得到了證實，凝固過程中的振動能量會破碎樹枝晶臂，使樹枝晶趨于均勻化。經檢索，尚未發現利用外加振動激光重熔技術來影響熔池內熔體的流動及晶體形核長大，從而改善涂層組織，顆粒增強相分布和消除預置法制備激光熔覆涂層氣孔的方法。

發明內容
本發明的目的在于提供一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，利用振動及激光重熔技術，達到消除激光熔覆復合涂層內部氣孔及表面質量，改善激光熔覆層顯微組織和性能。本發明通過下列技術方案實現一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，使用大功率橫流CO2激光熔覆設備，在基材表面制備激光重熔復合涂層，采用預置粉末 法，用常規激光熔覆技術在基材表面制備復合涂層，并采用激光重熔技術對涂層進行二次處理，其中，在激光熔覆的過程中，對基材進行振動，在振動條件下，完成激光熔覆。具體步驟如下
A、基材表面預處理視基材表面氧化層或粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水乙醇清洗，冷風吹干；
B、粉末處理將待熔覆的粉末置于真空中在100 120°C下烘干24 36h后，再用粘接劑將待熔覆的復合粉末均勻混合調和成膏狀，將待熔覆粉末以矩形長條狀形式預置在基材的表面；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在80 100°C下真空加熱硬化I 2h，以形成預置層；
D、激光熔覆將基材進行振動，并使步驟C所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔覆，使步驟C所得預置層與基材實現冶金結合；
E、激光重熔在激光熔覆后暫停振動2(T60s，再將經冶金結合后的基材進行振動，并置于激光加工設備中在保護氣氛下進行激光重熔，即形成激光重熔復合涂層。所述步驟D和E的激光熔覆和激光重熔的工藝參數為功率I. 5 4kW、掃描速度200 600mm/min、光斑直徑 5mm。所述步驟D和E的振動頻率為50 400Hz、振幅為20 200 U m。振動參數根據
實際需要在給定范圍內選擇，保證激光重熔復合涂層的顯微組織，顆粒增強相分布和改善氣孔達到預期目標即可。本發明具備的優點和效果將振動通過基體材料傳遞給熔池，對激光熔覆及重熔過程施加激振力，其中的重熔技術可以有效地減輕激光熔覆后涂層殘留的氣孔，而持續激振力可影響熔池液態金屬的流動性從而優化涂層內部顆粒增強相的分布，使顆粒增強相在涂層內分布均勻的同時，通過對其形核長大冷卻條件的影響達到增加數量的目的；最終獲得涂層表面及內部無氣孔殘留，顯微組織均勻致密，細化、顆粒增強相均勻分布的激光重熔復合涂層。本發明方法適用于通過預置粉末法激光重熔對金屬零件進行修復和表面強化等相關技術領域。本發明的方法簡單易行，能改善復合涂層組織及表面質量，提高其使用壽命。


圖I為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層的縱向截面形貌 圖2為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的底部200倍金相放大 圖3為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的中部200倍金相放大 圖4為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的頂部200倍金相放大圖； 圖5為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的底部1000倍金相放大 圖6為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的中部1000倍金相放大 圖7為無機械振動時在45鋼基上激光重熔NiCrBSi+TiC復合涂層各區域的頂部1000倍金相放大 圖8為本發明實施例I機械振動激光重熔下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層的縱向截面形貌 圖9為本發明實施例2機械振動激光重熔下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層的縱向截面形貌 圖10為本發明實施例3機械振動激光重熔下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層的縱向截面形貌 圖11為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的底部200倍金相放大 圖12為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的中部200倍金相放大 圖13為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的頂部200倍金相放大 圖14為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的底部1000倍金相放大 圖15為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的中部1000倍金相放大 圖16為本發明實施例I機械振動下在45鋼基上激光熔覆NiCrBSi+TiC復合涂層各區域區的頂部1000倍金相放大圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步闡述，但本發明的保護內容不限于所述范圍。實施例I在尺寸為IOOmmX 40mmX 6mm的45鋼板材基材上，進行NiCrBSi合金粉末+TiC粉末的復合激光熔覆涂層。所用熔覆材料為NiCrBSi自熔性合金粉末(原子百分比組分0. 7
I.0 C，3. 5 5. 5 Si, 3. 0 4. 5 B，15 18 Cr, Fe〈10，Ni 余量)，加入 TiC 占復合粉末總質量分數5%，攪拌均勻后加入有機粘結劑預置在45鋼基材表面。A、基材表面預處理視基材表面氧化層或粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水乙醇清洗，冷風吹干；
B、粉末處理將待熔覆的粉末置于真空中在110°C下烘干30h后，再用粘接劑將待熔覆的復合粉末均勻混合調和成膏狀，將待熔覆粉末以矩形長條狀形式預置在基材的表面；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在100°C下真空加熱硬化lh，以形成預置層；
D、激光熔覆將基材在振動頻率為300Hz、振幅為140u m下進行振動，并使步驟C所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔覆，激光熔覆的工藝參數為功率I. 5 4kW、掃描速度200 600mm/min、光斑直徑5_，使步驟C所得預置層與基材實現冶金結合；
E、激光重熔在激光熔覆后暫停振動60s，再將經冶金結合后的基材在振動頻率為300Hz、振幅為140 進行振動，并置于激光加工設備中在保護氣氛下進行激光重熔，激光重熔的工藝參數為功率I. 5 4kW、掃描速度200 600mm/min、光斑直徑5mm，即形成激光重熔復合涂層。對經上述過程所得的NiCrBSi +TiC復合涂層，沿平行于激光熔覆掃描方向取樣，縱向截面形貌圖如圖8中所示；該樣經鑲嵌、研磨和拋光，用王水腐蝕劑腐蝕后得到金相試樣，使用光學顯微鏡觀察微觀組織各區域金相放大圖，如圖11 16所示。實施例2
方法均與實施例I相同，僅激光熔覆和激光重熔時振動的頻率為100Hz、振幅為140 u mo所獲得涂層縱向截面形貌圖如圖9所示。實施例3
方法均與實施例I相同，僅激光熔覆和激光重熔時振動的頻率為200Hz、振幅為140 u mo所獲得涂層縱向截面形貌圖如圖10所示。實施例4
方法均與實施例I相同，僅激光熔覆和激光重熔時振動的頻率為50Hz、振幅為200 u m。實施例5
方法均與實施例I相同，僅激光熔覆和激光重熔時振動的頻率為400Hz、振幅為20 u m。實施例6
A、基材表面預處理視基材表面氧化層或粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水乙醇清洗，冷風吹干；
B、粉末處理將由Ni60和TiC組成的待熔覆的粉末置于真空中在100°C下烘干36h后，再用粘接劑將待熔覆的復合粉末均勻混合調和成膏狀，將待熔覆粉末以矩形長條狀形式預置在基材的表面；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在90°C下真空加熱硬化2h，以形成預置層；
D、激光熔覆將基材在振動頻率為50Hz、振幅為20ii m下進行振動，并使步驟C所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔覆，激光熔覆的工藝參數為功率I. 5kW、掃描速度600mm/min、光斑直徑5mm,使步驟C所得預置層與基材實現冶金結合；
E、激光重熔在激光熔覆后暫停振動30s，再將經冶金結合后的基材在振動頻率為50Hz、振幅為20 y m進行振動，并置于激光加工設備中在保護氣氛下進行激光重熔，激光重熔的工藝參數為功率I. 5kW、掃描速度600mm/min、光斑直徑5mm，即形成激光重熔復合涂層。實施例7
A、基材表面預處理視基材表面氧化層或粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水乙醇清洗，冷風吹干；
B、粉末處理將由Al2O3和Ti組成的待熔覆的粉末置于真空中在120°C下烘干24h后，再用粘接劑將待熔覆的復合粉末均勻混合調和成膏狀，將待熔覆粉末以矩形長條狀形式預置在基材的表面；
C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在80°C下真空加熱硬化I. 5h，以形成預置層；
D、激光熔覆將基材在振動頻率為400Hz、振幅為200u m下進行振動，并使步驟C所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔覆，激光熔覆的工藝參數為功率4kW、掃描速度200mm/min、光斑直徑5mm,使步驟C所得預置層與基材實現冶金結合；
E、激光重熔在激光熔覆后暫停振動20s，再將經冶金結合后的基材在振動頻率為400Hz、振幅為200 進行振動，并置于激光加工設備中在保護氣氛下進行激光重熔，激光重熔的工藝參數為功率4kW、掃描速度200mm/min、光斑直徑5mm，即形成激光重熔復合涂層。通過對比本發明和未采用機械振動重熔措施的涂層顯微組織，可以看出兩者的明顯差異圖I中復合涂層內部存在孔洞，總體質量不理想，而圖8 10中各振動參數和重熔條件下的復合涂層內部質量得到了顯著改善，孔洞已消除，組織致密，質量理想。圖3 8中復合涂層內部顯微組織存在殘余氣孔，涂層底部(圖2、5)存在明顯的初生樹枝晶，涂層中部(圖3、6)和頂部(圖4、7)，枝晶內部顆粒增強相分布不均勻，存在數量上的波動。結果表明，隨著距結合界面距離的增加，熔 覆區的組織形貌變化明顯，結合界面處由外延生長的粗大樹枝晶組成，熔覆層各區域表現出不均勻性和多樣性，顆粒增強相分布不均勻。而通過對有機械振動時的同樣部位其顯微組織的觀察(圖11 16)，可以發現，涂層各區域顯微組織發生了顯著變化，具體體現在沿結合界面生長的粗大樹枝晶已被細小枝晶和等軸晶替代，涂層基體相存在形式以胞狀樹枝晶和等軸晶為主，且細化程度加深，組織分布更加均勻，顆粒增強相分布由涂層底部(圖11、14)至頂部(圖13、16)在枝晶內部和枝晶間數量呈穩步增加趨勢，總體分布較均勻，涂層內部已無氣孔殘留。通過以上的對比分析，可得出對比未加機械振動重熔處理的熔覆層，通過熔覆過程中施加機械振動和重熔處理，涂層縱向截面質量得到明顯改善，在一定的振動參數范圍內，顯微組織均勻、細化，顆粒增強相由底部至頂部呈穩步增加趨勢分布，內部殘余氣孔消失。可見，本發明實現了對激光復合涂層組織均勻，晶粒細化，控制顆粒增強相在涂層內的均勻分布，消除涂層內部殘余氣孔的作用，這將對激光熔覆技術在預置粉末法修復零件或增強材料表面性能領域產生有利影響，對獲得梯度復合涂層方面起到重要的意義。
權利要求
1.一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，其特征在于包括下列步驟使用大功率橫流CO2激光熔覆設備，在基材表面制備激光重熔復合涂層，采用預置粉末法，用常規激光熔覆技術在基材表面制備復合涂層，并采用激光重熔技術對涂層進行二次處理，其中，在激光熔覆的過程中，對基材進行振動，在振動條件下，完成激光熔覆。
2.根據權利要求I所述的振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，其特征在于具體步驟如下 A、基材表面預處理視基材表面氧化層或粗糙度的不同，對其打磨后用丙酮和無水乙醇清洗，冷風吹干； B、粉末處理將待熔覆的粉末置于真空中在100 1 20°C下烘干24 36h后，再用粘接劑將待熔覆的復合粉末均勻混合調和成膏狀，將待熔覆粉末以矩形長條狀形式預置在基材的表面； C、將步驟B預置在基材表面的待熔覆粉末條狀在自然條件下晾干或在80 100°C下真空加熱硬化I 2h，以形成預置層； D、激光熔覆將基材進行振動，并使步驟C所得預置層置于激光加工設備中在保護氣氛下進行熔覆，使步驟C所得預置層與基材實現冶金結合； E、激光重熔在激光熔覆后暫停振動2(T60s，再將經冶金結合后的基材進行振動，并置于激光加工設備中在保護氣氛下進行激光重熔，即形成激光重熔復合涂層。
3.根據權利要求2所述的振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，其特征在于所述步驟D和E的激光熔覆和激光重熔的工藝參數為功率I. 5 4kW、掃描速度200 600mm/min、光斑直徑 5mm。
4.根據權利要求2所述的振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，其特征在于所述步驟D和E的振動頻率為50 400Hz、振幅為20 200 u m。
全文摘要
本發明涉及一種振動改善激光重熔復合涂層顯微組織的方法，采用預置粉末法，將待熔覆試樣以夾具裝置固定于電磁振動臺的臺面，在激光熔覆過程中輔助中高頻低振幅振動，使金屬液在熔池凝固過程中受到機械振動提供的激振力作用，得到高質量的激光復合涂層。本發明能有效地消除涂層殘留的氣孔，優化涂層內部顆粒增強相的分布，使顆粒增強相在涂層內分布均勻；最終獲得涂層表面及內部無氣孔殘留，顯微組織均勻致密，細化、顆粒增強相均勻分布的激光重熔復合涂層。本發明的方法簡單易行，能改善復合涂層組織及表面質量，提高其使用壽命。
文檔編號C23C24/10GK102719823SQ201210225570
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者劉洪喜, 周榮, 張曉偉, 王傳琦, 蔣業華 申請人:昆明理工大學