CN109014199A - 一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法 - Google Patents

一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆的增材制造技术，具体涉及一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法。首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度，然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第一层熔覆；接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度；然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第二层熔覆；如此往复，完成金属工件的增材制造。

Description

一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆的增材制造技术，具体涉及一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法。
背景技术
激光熔覆技术以其热源可控和快速凝固、具有结合强度高和组织细化等特点，在航空航天、化工、模具、机械、钢铁等行业得到广泛的应用。但激光熔覆工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括熔覆层内的气孔、裂纹、粗大柱状晶粒等缺陷以及由于激光熔覆过程中急热骤冷而产生的较大残余应力。目前对于这些缺陷的解决主要包括通过添加某些特殊合金元素或稀土氧化物，或通过优化激光熔覆工艺及预热和后热等措施来减轻这些问题，但以上措施对消除激光熔覆层裂纹、孔隙及残余应力没有突破性进展。
正如我们所知，通过提高变形温度，热/热加工可以有效地处理硬脆金属而不会导致金属表面开裂，因此随着温度的升高可以获得更好的塑性。除了提高塑性外，高温还可以产生有益的微观结构变化。例如，诱导高密度纳米级沉淀物。这些沉淀物通过阻止位错的运动来提高表面强度和诱导的残余压应力的稳定性。
但是，传统的热处理方式已无法解决激光熔覆技术的缺陷问题，如基体预热法增加了加热工序，使生产效率降低，恶化劳动条件，对于大型零部件的激光熔覆加工尤为明显，同时零部件由于长时间加热使表面氧化，削弱了熔覆层性能，导致硬度降低，耐磨和耐腐蚀性能下降。由于诱导较深的塑性变形层可以通过处理工件的表面来实现，只需要通过局部加热来改善金属表面的塑性。于是可以使用激光来完成，激光已经在工业中广泛用于高效率的局部加热，可以迅速将局部区域加热到很高的温度，从而避免整个工件的大面积加热。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法。即首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度，然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第一层熔覆；接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度；然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第二层熔覆；如此往复，完成金属工件的增材制造。
其具体步骤如下：1)将基板固定在带有夹具的工作台上；2)首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度，即T(基)DRX＝aT(基)m(K)，其中T(基)DRX为基板金属的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，T(基)m为基板金属的熔点；3)然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第一层熔覆；为了确保在同一位置同步进行激光加热和激光熔覆，其中激光加热的激光器出光口与激光熔覆头通过连接杆连接在一起，在加工时两个部件一起移动；4)接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度，即T(熔)DRX＝aT(熔)m(K)，其中T(熔)DRX为熔覆层金属的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，T(熔)m为熔覆层金属的熔点；5)然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第二层熔覆；6)如此往复，完成金属工件的增材制造。
所述激光加热的激光器采用连续脉冲激光器，工艺参数范围如下：激光功率10～100W，激光光束扫描速度1000～5000mm/min。
激光熔覆工艺参数范围如下：激光功率1000～3000W，扫描速度1000～5000mm/min，光斑直径1～4mm，保护气体氩气的流速10～25L/h。
本发明有益效果：
1)激光熔覆前使用激光束对工件表面进行局部加热到工件的动态再结晶温度，可以改善金属材料表面的塑性，从而使熔覆层与基体以及熔覆层与熔覆层之间的结合性更好。
2)传统的加热/热变形过程会加热整个成形工件，而激光束可以迅速将局部区域加热到很高的温度，从而避免整个成形工件的大面积加热，抑制晶粒粗化。
3)采用激光辅助激光熔覆进行增材制造，可以有效消除激光熔覆过程中所产生的裂纹、球化、孔隙等问题，提高熔覆层的致密程度，从而显著改善金属工件的成形质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1所述激光熔覆的加工示意图。
图2为实施例2所述热处理辅助激光熔覆的加工示意图。
图3为本发明所述激光辅助激光熔覆的加工示意图。
图4为本发明所述激光辅助激光熔覆的基板和熔覆层的加工路径图。
图5为本发明所述激光辅助激光熔覆的增材制造的TC4熔覆层的截面金相图。
图中：1-激光束，2-激光器出光口，3-控制器，4-连接杆，5-保护气，6-送粉喷嘴，7-激光熔覆头，8-熔覆层，9-基板，10-工作台，11-夹具，12-加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例只进行了两层激光熔覆的对比实验。本发明基板采用的是TC4，激光熔覆粉末依然采用TC4粉末。TC4熔点为1660℃，即1933.15K。
TDRX＝aTm(K)＝0.4×1933.15K＝773.26K，即500.11℃。激光加热的激光器激光工艺参数为：激光功率68W，激光光束扫描速度1000mm/min。激光熔覆工艺参数为：激光功率2200W，扫描速度1000mm/min，光斑直径4mm，保护气体氩气的流速10L/h。
图4为本发明所述激光辅助激光熔覆的基板和熔覆层的加工路径图。基板和熔覆层的初始位置为左上角，沿箭头所示规划的路径，进行基板上的第一层熔覆以及第一层熔覆层上的第二层熔覆。
实施例1
如图1所示，将TC4基板固定在带有夹具的工作台上，使用激光熔覆装置，采用上述激光熔覆工艺参数，沿如图4所示规划的路径，对基板表面进行激光熔覆，完成第一层熔覆后，接着依然采用上述激光熔覆工艺参数，仍然沿如图4所示规划的路径，进行第二层熔覆。
实施例2
如图2所示，将TC4基板固定在带有夹具的工作台上，将加热装置加热至500.11℃，并保持在这个温度，然后使用激光熔覆装置，采用上述激光熔覆工艺参数，沿如图4所示规划的路径，对基板表面进行激光熔覆，完成第一层熔覆后，接着依然采用上述激光熔覆工艺参数，仍然沿如图4所示规划的路径，进行第二层熔覆。
实施例3
本发明的技术方案，如图3所示，1)将TC4基板固定在带有夹具的工作台上；2)首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度500.11℃；3)然后立即使用激光熔覆装置，采用上述激光熔覆工艺参数，对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿如图4所示预先规划的路径，完成第一层熔覆；为了确保在同一位置同步进行激光加热和激光熔覆，其中激光加热的出光口与激光熔覆头连接在一起，在加工时两个部件一起移动；4)接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度500.11℃；5)然后立即使用激光熔覆装置，采用上述激光熔覆工艺参数，对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿如图4所示预先规划的路径，完成第二层熔覆。
采用本发明的技术方案完成的两层激光熔覆层，如图4所示，与实施例1和实施例2相比，熔覆层与基体以及熔覆层与熔覆层之间的结合性更好，熔覆层中没有发现裂纹、球化、孔隙等问题，熔覆层的致密程度较高，从而显著改善增材制造的金属工件的机械性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法，其特征在于：首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度，然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第一层熔覆；接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度，然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第二层熔覆；如此往复，完成金属工件的增材制造。
2.如权利要求1所述的一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将基板固定在带有夹具的工作台上；
2)首先使用连续激光束对基板表面初始位置进行局部加热到基板的动态再结晶温度，即T(基)DRX＝aT(基)m(K)，其中T(基)DRX为基板金属的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，T(基)m为基板金属的熔点；
3)然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第一层熔覆；
4)接着使用连续激光束对熔覆层表面初始位置进行局部加热到熔覆层的动态再结晶温度，即T(熔)DRX＝aT(熔)m(K)，其中T(熔)DRX为熔覆层金属的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，T(熔)m为熔覆层金属的熔点；
5)然后立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成第二层熔覆；
6)如此往复，完成金属工件的增材制造。
3.如权利要求1或2所述的一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法，其特征在于，为了确保在同一位置同步进行激光加热和激光熔覆，其中激光加热的激光器出光口与激光熔覆头通过连接杆连接在一起，在加工时两个部件一起移动。
4.如权利要求1或2所述的一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法，其特征在于，激光加热的激光器采用连续脉冲激光器，工艺参数范围如下：激光功率10～100W，激光光束扫描速度1000～5000mm/min。
5.如权利要求1或2所述的一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法，其特征在于，激光熔覆工艺参数范围如下：激光功率1000～3000W，扫描速度1000～5000mm/min，光斑直径1～4mm，保护气体氩气的流速10～25L/h。
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