CN110306184B - 一种兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光先进制造领域，公开了一种兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量的方法，该方法是利用激光束在金属基材表面形成熔池的同时，采用感应线圈对基体进行同步预热；接着，将陶瓷增强颗粒注入所述熔池中，未完全熔化的增强颗粒即被捕获在熔池中，从而在金属基材表面形成颗粒增强金属陶瓷复合层。本发明在传统激光熔注工艺加工过程中同步引入感应预热，能够适当降低熔池冷却速率，抑制熔池中脆性金属化合物的形核，解决传统激光熔注金属陶瓷复合层过程中脆性化合物析出量过多导致的开裂问题，并显著提升激光熔注效率和复合层深的同时，也有效控制了界面反应的强烈程度。

Description

一种兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量的方法

技术领域

本发明属于激光先进制造领域，更具体地，涉及一种兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量的方法，能够抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出。

背景技术

激光熔注技术是美国海军实验室的Ayers等人于1981年发明的，其原理是采用激光束在金属材料表面形成熔池，同时将增强颗粒直接注入熔池中，在随后的冷却过程中，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”在熔池中，形成颗粒增强金属陶瓷复合层的过程。与激光熔覆技术相比较，激光熔注技术主要的加热对象是基体，增强颗粒能直接注入到熔池中去，与熔融基体一起形成金属陶瓷复合层，实现了复合层与基体之间的化学成分呈平缓的梯度过渡，很好地解决了复合层开裂问题。此外，激光熔注避免了激光束对增强颗粒的直接辐照，能够最大限度地控制增强颗粒的熔化。

但是，单纯的激光熔注技术也存在熔注效率低和层深小的缺点。增加激光功率是提升熔注效率和复合层深的有效方法，但是激光功率升高会导致增强颗粒的过度烧损和复合层中脆性化合物大量析出，导致复合层产生脆性开裂。

发明内容

针对现有激光熔注金属陶瓷复合层无法兼顾熔注效率、层深和复合层冶金质量的不足，本发明的目的在于提供一种兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量的方法，既可以显著提高激光熔注效率和层深，又可以抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出。该方法在传统激光熔注过程中，引入感应线圈对金属基体进行同步预热(即，利用激光束在金属基材表面形成熔池的同时，采用感应线圈对基体进行同步预热)，通过激光和感应能量的合理匹配，既可以显著提升激光熔注效率和复合层深，又能够解决传统激光熔注金属陶瓷复合层过程中，快速凝固条件下脆性化合物析出量过多导致的开裂问题，抑制激光熔注复合层中脆性化合物的析出，同时有效控制界面反应的强烈程度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，其特征在于，该方法是对金属基材同时进行感应预热和激光辐照，其中，激光光斑位于感应线圈的后方，从而使金属基材先被感应预热，再经激光辐照；在激光辐照的作用下，该金属基材表面将形成熔池；接着，再将陶瓷增强颗粒注入所述熔池中，未完全熔化的增强颗粒即被捕获在熔池中，从而在金属基材表面上形成陶瓷颗粒增强的金属陶瓷复合层；

其中，所述感应线圈仅能够对所述金属基材进行感应预热作用，而陶瓷颗粒在进入激光熔池前处于冷态；并且，感应预热作用，一方面能够使激光熔注获得更高的熔注效率和复合层深度；另一方面，感应预热能够减缓熔池冷却速率，降低增强颗粒与金属基材表面熔池反应析出的脆性化合物的形核率，从而抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出。

作为本发明的进一步优选，感应线圈的预热，具体对应于单独向所述金属基材进行感应预热处理时，使感应线圈的预热区域内金属基材表面的温度维持在0.8Tm以下，其中Tm为所述金属基材的熔点。

作为本发明的进一步优选，所述感应线圈预热，具体指的是对金属基材只做预热处理，不含后热处理。

作为本发明的进一步优选，在所述激光处理过程中，所述激光光斑在所述金属基材表面上将发生相对位移，进而形成激光扫描轨迹；由于该激光扫描轨迹，激光光斑照射形成的熔池区域将先后冷却凝固，所述陶瓷增强颗粒则是从熔池率先冷却的部分注入所述熔池中的。

作为本发明的进一步优选，所述激光光斑在所述金属基材表面上发生的相对位移，是由用于向该金属基材表面射出激光的激光器其空间位置的变化带来的。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明利用激光热源和感应热源的共同作用，在激光辐照前先对金属基材引入感应预热，一方面显著提升了熔注效率和复合层深度。另一方面，熔池的冷却速率减慢，有效抑制了复合层中脆性化合物的形核和析出，改善了金属陶瓷复合熔注层的韧性，同时，与预热+后热的复合熔注相比，感应预热辅助激光熔注技术熔池液相存留时间短，可以在一定程度上控制增强颗粒的过度烧损。本发明的基本原理是：在激光熔注过程中，采用感应线圈同步预热金属基体。在激光束和感应预热作用下在金属基体表面形成熔池，将增强颗粒注入激光熔池，在熔池的冷却过程中，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”在熔池中，最终形成颗粒增强金属陶瓷复合层。

本发明中的感应线圈预热，具体指的是对金属基材只做预热处理，而不是预热+后热处理。这样在提升熔注效率和复合层深的基础上，不仅降低复合层中脆性化合物的析出，还可以避免预热+后热导致的熔池停留时间延长，陶瓷颗粒烧损加剧的现象，控制颗粒与基体之间界面反应层的厚度。本发明通过提高熔注效率和复合层深，抑制了脆性化合物的析出、而且控制了界面反应层，提高了组织冶金质量，因此，能够兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量。

本发明能够抑制制备的金属陶瓷复合层中产生的反应析出物的过量析出(制备的金属陶瓷复合层中产生的反应析出物可以很大程度上提高复合层的强度和耐磨性，但是析出量过多会导致塑韧性大幅度降低，脆性增大，复合层开裂，带来严重的负面影响)；本发明能够抑制反应析出物的产生，使得复合层中的反应析出物不能太多，在提高强度和耐磨性的同时，确保塑韧性也不能降低太多。一方面，相同激光能量作用下，可以获得更高的熔注效率和复合层深度，避免单纯激光熔注技术通过提升激光能量来提高熔注效率和复合层深而导致陶瓷颗粒的过度烧损。此外，由于感应预热能够减缓熔池冷却速率，降低增强颗粒与所述金属基材表面熔池反应析出的脆性化合物的形核率，从而抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出。

本发明通过进一步优选控制感应预热的温度，使感应线圈预热区域内金属基材表面对应于单独向金属基材施加感应线圈预热处理时，温度维持在0.8Tm以下，从而显著提升金属基体对激光的吸收率，降低基体形成熔池所需要的激光能量，采用较小的激光能量就可以获得较大的激光熔注效率和层深。较低的激光能量能够降低增强颗粒烧损，减小增强颗粒界面反应层厚度。此外，感应预热可以降低熔池冷却速率，抑制熔池中增强颗粒与金属基材反应析出脆性化合物的形核，降低脆性化合物的析出量。同时，只对基体进行预热，能够控制颗粒与基体之间界面反应层的厚度。

根据实际需求，激光光斑在金属基材表面上可以发生相对位移，形成激光扫描轨迹；这一激光扫描轨迹，既可以是金属基材固定、激光光斑移动进行扫描，也可以是激光固定、金属基材移动实现激光扫描。本发明可以调节金属基体与感应线圈、激光束的相对位置，使得激光光斑位于感应加热区域的后面(激光光斑当然需要是照射在待激光熔注工艺处理的金属基体表面目标区域，并可以预先设置激光扫描路径，使目标区域均能够被处理到)；另外，可调节送粉嘴位置，保证将陶瓷颗粒送入激光熔池。

进一步的，由于激光扫描轨迹的存在，激光光斑照射形成的熔池区域将先后冷却凝固，陶瓷增强颗粒则是从熔池尾部“拖尾”注入所述熔池中的(即，陶瓷增强颗粒是从熔池率先冷却的部分注入所述熔池中的)，能够减少激光束对增强颗粒的辐照作用，缩短增强颗粒与高温熔池的接触时间，尽量避免增强颗粒大量熔化和分解，进一步降低反应产物的数量和增强颗粒周围反应层的厚度。例如，金属基体可以在数控***作用下按照设定轨迹运动，激光在基体表面形成熔池，并且，将增强颗粒优选从激光熔池“尾部”注入；当激光热源离开后，未完全熔化的增强颗粒被“捕获”在熔池中，最终形成颗粒增强金属陶瓷复合层。

综上，本发明在传统激光熔注工艺加工过程中同步引入感应预热，能够适当降低熔池冷却速率，抑制熔池中脆性金属化合物的形核，解决传统激光熔注金属陶瓷复合层过程中脆性化合物析出量过多导致的开裂问题，并显著提升激光熔注效率和复合层深的同时，也有效控制了界面反应的强烈程度。

附图说明

图1为激光-感应(预热)复合熔注***示意图。

图2中(a)为激光熔注金属陶瓷复合层横截面示意图，(b)为激光-感应(预热)复合熔注金属陶瓷复合层横截面示意图。

图3中(a)为激光熔注金属陶瓷复合层中颗粒间基体的微观组织图，(b)为激光-感应(预热)复合熔注金属陶瓷复合层中颗粒间基体的微观组织图。

图4中(a)为激光熔注金属陶瓷复合层中WC/Ti界面反应层形貌图，(b)为激光-感应(预热)复合熔注金属陶瓷复合层中WC/Ti界面反应层形貌图，(c)为激光-感应(预热+后热)复合熔注金属陶瓷复合层中WC/Ti界面反应层形貌图，(d)为三种基体加热方式对复合层中WC/Ti界面反应层平均厚度的影响柱状图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体说来，本发明中抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，具体可以包括以下主要步骤：采用感应线圈预热金属基体表面至设定温度；打开自动送粉器，将送粉速率和送粉气流量调至合理的参数；开启激光器，激光束辐射金属基体表面形成液态熔池，将增强颗粒从金属基体表面形成的激光熔池注入；当激光热源离开后，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”在熔池中，最终在金属基体表面形成金属陶瓷复合层。

实施例1

利用本发明中的激光-感应复合熔注方法，同时利用现有技术中常规的激光熔注作为对比，制备WC颗粒增强Ti-6Al-4V基复合层。

本实例的实施过程为：

步骤a：增强颗粒的选择：由于WC与钛合金Ti-6Al-4V高温反应稳定，线膨胀系数相近；增强颗粒选用平均粒度为45～75μm的球形铸造WC颗粒，由WC和W₂C两相组成，然后将增强颗粒装入自动送粉器的装料斗中；

步骤b：基材的准备：基材选用直径为110mm的钛合金Ti-6Al-4V棒材，其化学成分为(质量百分比)5.5-6.8％Al，3.5-4.5％V，0.3％Fe，0.2％O，0.15％Si，0.1％C，0.05％N，0.01％H，0.5％其它，余量为Ti。Ti-6Al-4V棒经过除锈、酒精清洗处理后待用。

步骤c：调节金属基材与感应线圈、激光器的相对位置。调节激光器焦距为415mm，激光束光斑直径为12mmx2mm。此外，光斑大小也可以采用其他值。

步骤d：调节自动送粉器的粉末喷嘴(主要是送粉角度)与激光束、感应加热区的相对位置。送粉角度为55°，保证将增强颗粒从激光熔池的“尾部”精确注入，同时将聚焦激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热线圈后面1-10mm处，实现激光热源与感应加热源的复合。

步骤e：确定实验工艺参数。前期研究了一系列工艺参数对激光熔注金属陶瓷复合层和激光-感应熔注金属陶瓷复合层的影响，其中为了比较激光熔注金属陶瓷复合层与激光-感应复合熔注陶瓷复合层中脆性化合物的析出量，任意选择两组相同激光工艺参数进行比较，分别为：

激光熔注工艺参数：激光功率4kW，扫描速度484mm/min，感应温度25℃，送粉速率28.3g/min、送粉气流量3.5L/min、保护气流量10L/min。

激光-感应(预热、预热+后热)复合熔注工艺参数：激光功率4kW，扫描速度484mm/min，感应温度800℃，送粉速率28.3g/min、送粉气流量3.5L/min、保护气流量10L/min。

步骤f：打开惰性保护气体，防止Ti-6Al-4V基材表面高温氧化。

步骤g：激光-感应(预热)复合熔注实验过程：利用感应加热电源(恒温控制)预热Ti-6Al-4V基体表面至800℃；打开自动送粉器电源，将送粉速率调至18r/min，送粉气流量调至3.5L/min；在确定送粉稳定的情况下，打开激光热源，高密度激光强度分布的激光束辐射Ti-6Al-4V基体表面；随着Ti-6Al-4V基体的旋转，WC颗粒从激光熔池“尾部”注入；当激光热源离开后，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”在熔池中，最终形成WC颗粒增强Ti-6Al-4V基复合层。

步骤h：激光-感应(预热+后热)复合熔注实验过程：基本与步骤g相同，不同的是重新选择感应线圈，将感应加热方式改成预热+后热。

步骤i：激光熔注实验过程：不加感应线圈；打开自动送粉器电源，将送粉速率调至18r/min，送粉气流量调至3.5L/min；在确定送粉稳定的情况下，打开激光热源，高密度激光强度分布的激光束辐射Ti-6Al-4V基体表面；随着Ti-6Al-4V基体的旋转，WC颗粒从激光熔池“尾部”注入；当激光热源离开后，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”在熔池中，最终形成WC颗粒增强Ti-6Al-4V基复合层。

实验结果如图2中的(a)、(b)所示，在相同的激光能量密度下，激光-感应复合熔注金属陶瓷复合层深度是单纯激光熔注金属陶瓷复合层的1.98倍，熔注效率为28.3g/min。此外，由于Ti-6Al-4V基体受到感应预热与激光热源的双重热作用，熔池的存在时间长、冷却速率慢，有效抑制金属陶瓷复合层中脆性化合物TiC的析出。也就是说，相同激光工艺参数条件下，激光熔注金属陶瓷复合层深度为0.54mm(如图2中的(a)所示)，激光-感应(预热)复合熔注金属陶瓷复合层深度1.07mm(如图2中的(b)所示)，约为激光熔注金属陶瓷复合层深度的1.98倍，熔注效率为28.3g/min，说明相同激光工艺参数下，激光-感应(预热)复合熔注大幅度提高了颗粒增强金属陶瓷复合层深度，有利于满足工业应用需求。

如图3中的(a)、(b)所示，激光-感应复合熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物TiC的析出量约占颗粒间基体的6.2％，远小于激光熔注金属陶瓷复合层中颗粒间基体的TiC析出量(14.5％)。这说明此方法(激光-感应复合熔注技术)不仅可以抑制金属陶瓷复合层中脆性化合物TiC的析出，还可以显著提高熔注效率与复合层的深度。也就是说，激光熔注金属陶瓷复合层中TiC析出量约占WC颗粒间基体的14.5％(如图3中的(a)所示)，激光-感应(预热)复合熔注金属陶瓷复合层中TiC析出量约占WC颗粒间基体的6.2％(如图3中的(b)所示)，说明激光-感应(预热)复合熔注方法有效抑制了复合层中脆性化合物TiC的析出，有利于改善颗粒增强金属陶瓷复合层的强韧性。

同时，如图4中的(d)所示，激光熔注过程中，对基体只进行单纯激光熔注时复合层中WC/Ti界面反应层平均厚度为1.495μm；对基体只进行预热处理时，复合层中WC/Ti界面反应层平均厚度为1.652μm，相比较单纯激光熔注其平均厚度增加了10.5％；对基体进行预热+后热处理时，复合层中WC/Ti界面反应层平均厚度为2.302μm，相比较单纯激光熔注其平均厚度增加了54％；说明激光熔注方法中通过感应预热金属基体，有效控制了界面反应的强烈程度。

根据待处理的金属基材的具体类型、以及陶瓷增强颗粒的具体种类的不同，可按照现有技术中的激光熔注工艺方法设置具体的工艺参数；例如，激光功率、激光光斑大小和形状、扫描速度、送粉速率、送粉气流量、保护气流量等激光熔注工艺参数，均可参照现有技术进行设置，并根据实际要求调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，其特征在于，该方法是对金属基材同时进行感应预热和激光辐照，其中，激光光斑位于感应线圈的后方，从而使金属基材先被感应预热，再经激光辐照；在激光辐照的作用下，该金属基材表面将形成熔池；接着，再将陶瓷增强颗粒注入所述熔池中，未完全熔化的增强颗粒即被捕获在熔池中，从而在金属基材表面上形成陶瓷颗粒增强的金属陶瓷复合层；

其中，所述感应线圈仅能够对所述金属基材进行感应预热作用，而陶瓷颗粒在进入激光熔池前处于冷态；并且，感应预热作用，一方面能够使激光熔注获得更高的熔注效率和复合层深度；另一方面，感应预热能够减缓熔池冷却速率，降低增强颗粒与金属基材表面熔池反应析出的脆性化合物的形核率，从而抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出；

并且，所述感应线圈预热，具体指的是对金属基材只做预热处理，不含后热处理；

所述方法，通过激光和感应能量的合理匹配，既能够显著提升激光熔注效率和复合层深，又能够解决传统激光熔注金属陶瓷复合层过程中，快速凝固条件下脆性化合物析出量过多导致的开裂问题，抑制激光熔注复合层中脆性化合物的析出，同时有效控制界面反应的强烈程度，从而能够兼顾激光熔注效率、复合层深和冶金质量。

2.如权利要求1所述抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，其特征在于，感应线圈的预热，对应于单独向所述金属基材进行感应预热处理时，使感应线圈的预热区域内金属基材表面的温度维持在0.8Tm以下，其中Tm为所述金属基材的熔点。

3.如权利要求1所述抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，其特征在于，在所述激光处理过程中，所述激光光斑在所述金属基材表面上将发生相对位移，进而形成激光扫描轨迹；由于该激光扫描轨迹，激光光斑照射形成的熔池区域将先后冷却凝固，所述陶瓷增强颗粒则是从熔池率先冷却的部分注入所述熔池中的。

4.如权利要求3所述抑制激光熔注金属陶瓷复合层中脆性化合物析出的方法，其特征在于，所述激光光斑在所述金属基材表面上发生的相对位移，是由用于向该金属基材表面射出激光的激光器其空间位置的变化带来的。

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