CN107400887A - 一种超声滚压强化激光熔覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，首先采用送粉激光熔覆方法在基材表面制备熔覆层；然后使用铣削加工方式对激光熔覆层表面进行光整处理；然后对光洁的熔覆层进行超声滚压表面强化。本发明的优点是：在熔覆层表面引入超声滚压使表层晶粒更加细化，并产生分布更加均匀的残余压应力及更低的表面粗糙度，在大幅提高熔覆层耐磨耐蚀与抗氧化抗疲劳性能的同时，可以免去后续的磨削精抛机加工，直接满足零部件对熔覆层表面质量和尺寸精度的使用要求，从而减少了工艺复杂性与成本。

Description

一种超声滚压强化激光熔覆层的方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面强化领域，特指一种超声滚压强化激光熔覆层的方法。
背景技术
激光熔覆技术是利用高能密度激光束使粉末与基材同时快速熔化凝固并实现良好冶金结合的工艺方法，当前已在材料表面改性、再制造工程与增材制造等领域得到广泛应用。但由于激光能量分布不均匀、粉末与基材热物性相差较大、熔覆材料熔化凝固速率快等因素，导致熔覆层与基材之间温度梯度大，致使凝固组织不均匀、材料收缩不一致，容易形成残余拉应力。熔覆层中残余拉应力的存在和由于多道熔覆而残留的搭接痕迹位置易诱发裂纹的生成及易使零件变形，使得零件服役性能、使用寿命和可靠性降低。因此，均化熔覆层组织、降低熔覆层中残余拉应力及改善应力分布状态，使激光熔覆层得到进一步强化具有重要研究意义。
针对上述的问题，已有相关学者提出进一步降低熔覆层残余应力和细化表层组织的调控方法。专利号为201310214376.8的专利申请提出了一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及方法，利用超声冲击减小激光熔覆层残余拉应力，细化激光熔覆层组织，使得熔覆层的综合力学性能得到进一步强化。申请号为201610991838.0的专利公开了一种机械表面喷丸提高再制造激光熔覆修复层的整体抗疲劳性能的方法，提出采用干式+湿式复合喷丸工艺细化表层组织并引入残余压应力。专利号为200810155785.4的专利公开了一种激光喷丸强化激光熔覆层的表面改性方法，通过引入激光喷丸工艺改变熔覆层内残余应力的分布状态，同时对熔覆层底部枝晶形态进行改变，从而抑制了裂纹的萌生和扩展，改善了熔覆层质量。但是无论超声冲击、机械喷丸还是激光喷丸强化，虽都能降低熔覆层残余拉应力，提高熔覆层性能，但所获得的熔覆层强化面粗糙度大且残余压应力分布不均匀，需要通过后续的磨削精抛机加工处理，从而增加了工艺的复杂性和成本。
超声滚压技术是一种新型的超声辅助表面强化技术，它可以在材料表层实现晶粒纳米化，并且可以显著降低表面粗糙度。申请号为201610717398.X的专利公开了一种超声滚压复合激光重熔提高焊接接头疲劳性能的方法，针对激光重熔产生较高粗糙度与多道重熔痕迹位置易形成疲劳裂纹源的问题，采用超声滚压技术消除激光重熔带来的不利影响，并且实现表面纳米化，从而进一步提高表面疲劳性能。申请号为201610352680.2的专利公开了一种低温辅助超声表面滚压强化装置和方法，利用低温加热使材料软化的同时施加超声滚压，在细化工件表层材料晶粒的同时获得更大的表面残余应力。大量研究表明，超声滚压工艺可以显著降低材料表层粗糙度，获得分布更加均匀的残余压应力，并且实现表面晶粒纳米化，进一步提高材料的抗疲劳性能。
本发明提出，采用超声滚压工艺对熔覆层表面进行强化，获得分布均匀的残余压应力，晶粒更加细化的表层组织和更低的表面粗糙度值，以及消除多道激光熔覆搭接痕迹和减小后续加工工序与成本，从而进一步提高熔覆层的耐磨耐蚀及抗氧化抗疲劳性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，通过在熔覆层表面施加超声滚压工艺，达到改变熔覆层内残余应力分布状态，细化均化熔覆层显微组织，显著降低熔覆层表面粗糙度，消除多道激光熔覆搭接痕迹，减小后续加工工序与成本，进一步提高熔覆层的耐磨耐蚀与抗氧化抗疲劳的性能。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，采用激光熔覆与超声滚压相结合的复合方法强化金属材料表面，具体包括以下步骤：
A)将经打磨、清洗和吹干后的金属基材在夹具上安装固定好；
B)通过激光熔覆技术制备高性能、无缺陷熔覆层：开启激光器，移动激光同轴送粉喷嘴至熔覆起点，进行同轴送粉激光熔覆加工，选取激光熔覆工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径和送粉量；
C)对熔覆层表面采用铣削加工方式进行铣削，获得表面平整、光洁度好的表面层；
D)对表面光整的熔覆层利用超声滚压处理对其表面进行机械强化，获得表层晶粒更加细化，使残余压应力分布更加均匀，降低熔覆层表面粗糙度。
进一步地，所述金属材料为镁合金、钛合金、铝合金、轴承钢、模具钢或铸铁。
进一步地，所述步骤B)的熔覆粉末为铁、镍、钴粉末，或掺入WC、TiC或SiC陶瓷颗粒的铁基、镍基、钴基金属陶瓷粉末。
进一步地，所述步骤B)中激光熔覆加工参数范围为：激光功率600-2000W，光斑直径2-5mm，扫描速度500-1500mm/min，送粉量10-25g/min，搭接率30％-60％。
进一步地，所述步骤B)中调节激光加工参数与粉末控制器控制熔覆层的厚度为1-1.5mm。
进一步地，所述步骤C)的铣削深度为0.2-0.5mm是由控制铣刀的进给量实现，且经铣削后的熔覆层表面粗糙度为Ra<0.8μm。
进一步地，所述步骤D)的超声滚压工艺参数范围为：预紧力50-2000N，振动幅度5-30μm，超声频率15KHz-80KHz，滚压速度10m/min-50m/min，多道滚压步距0.2-1.5mm。
进一步地，所述步骤E)中的超声滚压处理采用往复5-20次全覆盖的加工方法。
本发明克服了在激光熔覆技术下，虽可制备性能较基体显著增加的熔覆层，但由于激光能量分布不均匀、粉末与基材热物性相差较大、熔覆材料熔化凝固速率快等因素，导致熔覆层与基材之间温度梯度大，容易形成残余拉应力。通过引入超声滚压技术对熔覆层表面进行强化，可显著细化与均化熔覆层显微组织，消除残余拉应力并同时引入残余压应力，大幅提高熔覆层的耐磨耐蚀与抗氧化抗疲劳性能。
本发明中由于超声滚压是一种无屑抛光强化过程，相较于机械喷丸、激光喷丸与超声喷丸等强化熔覆层方法，强化层表面具有非常低的粗糙度，因此可以免去后续的磨削精抛机加工直接满足零部件对熔覆层表面质量和尺寸精度的使用要求，从而减少了工艺复杂性与成本。
本发明结合激光熔覆和超声滚压两种工艺的优点，其工艺可控性好，生产效率高且易于实现自动化控制，可进一步促进激光熔覆技术在表面工程领域，再制造领域和增材制造领域中的大面积应用。
附图说明
图1为本发明所述声滚压强化激光熔覆层的加工流程图。
图中：
1-夹具；2-基材；3-熔覆层；4-激光同轴送粉喷嘴；5-铣刀；6-超声滚压装置。
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。
本发明通过同轴送粉激光熔覆技术在金属基材表面制备高性能熔覆层，再采用铣削加工方式获得表面平整、光洁度好的表面层，最后利用超声滚压技术对光整熔覆层表面进行强化处理，直接获得满足零部件对熔覆层表面质量和尺寸精度的使用要求，加工流程图如图1所示。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
A)将经打磨、清洗和吹干后的CGr15轴承钢基材2在夹具1上安装固定好；
B)采用同轴送粉方式进行激光熔覆Co42合金粉末加工处理，移动激光同轴送粉喷嘴4至熔覆起点，设定激光加工工艺参数为：激光功率为600w，扫描速度为500m/min，光斑直径为2mm，送粉量为10g/min，搭接率为30％，控制熔覆层3的厚度为1.2mm，吹入氩气对熔池进行保护，流量15L/min，如图1中(a)所示；
C)采用立铣加工方式对熔覆层3表面进行铣削，通过控制铣刀5进给量，实现0.2mm的铣削深度，获得粗糙度值Ra<0.8μm的表面平整、光洁度好的表面层，见图1中(b)所示；
D)对表面光整的熔覆层3进行超声滚压处理，在保证滚压头与熔覆层3接触良好情况下施加50N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度5μm，超声频率20KHz，，滚压速度10m/min，多道滚压步距0.2mm。在此工艺参数下，开启超声滚压装置6对熔覆层表面进行往复5次全覆盖加工，见图1中(c)所示。
最终获得熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低的可直接满足零部件对表面质量和尺寸精度使用要求的熔覆层。
实施例2
A)将经打磨、清洗和吹干后的TC4钛合金基材2在夹具1上安装固定好；
B)采用同轴送粉方式进行激光熔覆Ni60合金粉末加工处理，移动激光同轴送粉喷嘴4至熔覆起点，激光加工工艺参数设定为：激光功率为2000w，扫描速度为1500m/min，光斑直径为5mm，送粉量为25g/min，搭接率为60％，控制熔覆层的厚度为1.5mm，吹入氩气对熔池进行保护，流量15L/min，图1中(a)所示；
C)采用立铣加工方式对熔覆层3表面进行铣削，通过控制铣刀5进给量，实现0.5mm的铣削深度，获得粗糙度值Ra<0.8μm的表面平整、光洁度好的表面层，见图1中(b)所示；
D)对表面光整的熔覆层3进行超声滚压处理，在保证滚压头与熔覆层接触良好情况下施加2000N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度30μm，超声频率80KHz，，滚压速度50m/min，多道滚压步距1.5mm。在此工艺参数下，开启超声滚压装置6对熔覆层表面进行往复20次全覆盖加工，见图1中(c)所示。
最终获得熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低的可直接满足零部件对表面质量和尺寸精度使用要求的熔覆层。
实施例3
A)将经打磨、清洗和吹干后的Cr12MoV模具钢基材2在夹具1上安装固定好；
B)采用同轴送粉方式进行激光熔覆WC-12CO粉末加工处理，移动激光同轴送粉喷嘴4至熔覆起点，激光加工工艺参数设定为：激光功率为1500w，扫描速度为1000m/min，光斑直径为4mm，送粉量为15g/min，搭接率为40％，控制熔覆层的厚度为1.3mm，吹入氩气对熔池进行保护，流量15L/min，如图1中(a)所示；
C)采用立铣加工方式对熔覆层3表面进行铣削，如图1中(b)所示，通过控制铣刀5进给量，实现0.3mm铣削深度，获得粗糙度值Ra<0.8μm的表面平整、光洁度好的表面层；
D)对表面光整的熔覆层3进行超声滚压处理，在保证滚压头与熔覆层接触良好情况下施加1000N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度20μm，超声频率50KHz，滚压速度30m/min，多道滚压步距1mm。在此工艺参数下对熔覆层表面进行往复15次全覆盖加工，见图1中(c)所示。
最终获得熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低的可直接满足零部件对表面质量和尺寸精度使用要求的熔覆层。
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。

Claims (8)

1.一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，采用激光熔覆与超声滚压相结合的复合方法强化金属材料表面，具体包括以下步骤：
A)将经打磨、清洗和吹干后的金属基材(2)在夹具(1)上安装固定好；
B)通过激光熔覆技术制备高性能、无缺陷熔覆层：开启激光器，移动激光同轴送粉喷嘴(4)至熔覆起点，进行同轴送粉激光熔覆加工，选取激光熔覆工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径和送粉量；
C)对熔覆层(3)表面采用铣削加工方式进行铣削，获得表面平整、光洁度好的表面层；
D)对表面光整的熔覆层(3)利用超声滚压处理对其表面进行机械强化，获得表层晶粒更加细化，使残余压应力分布更加均匀，降低熔覆层(3)表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述金属材料为镁合金、钛合金、铝合金、轴承钢、模具钢或铸铁。
3.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤B)的熔覆粉末为铁、镍、钴粉末，或掺入WC、TiC或SiC陶瓷颗粒的铁基、镍基、钴基金属陶瓷粉末。
4.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤B)中激光熔覆加工参数范围为：激光功率600-2000W，光斑直径2-5mm，扫描速度500-1500mm/min，送粉量10-25g/min，搭接率30％-60％。
5.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤B)中调节激光加工参数与粉末控制器控制熔覆层(3)的厚度为1-1.5mm。
6.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤C)的铣削深度为0.2-0.5mm是由控制铣刀(5)的进给量实现，且经铣削后的熔覆层(3)表面粗糙度为Ra<0.8μm。
7.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤D)的超声滚压工艺参数范围为：预紧力50-2000N，振动幅度5-30μm，超声频率15KHz-80KHz，滚压速度10m/min-50m/min，多道滚压步距0.2-1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤E)中的超声滚压处理采用往复5-20次全覆盖的加工方法。
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