專利名稱：激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備金屬陶瓷涂層的方法，尤其涉及一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法。
背景技術(shù)：
在具有一定塑性的基材表面制備高硬度與高耐磨等性能的金屬陶瓷涂層，既可以充分發(fā)揮基材的塑性與韌性優(yōu)勢，也可以充分利用金屬陶瓷涂層的高硬度與高耐磨性能， 從而大幅度提升基材的整體性能(高強(qiáng)度、高韌性、高硬度及高耐磨性能的結(jié)合)。因此，金屬陶瓷涂層制備技術(shù)在耐磨損構(gòu)件的制造與關(guān)鍵零部件的表面強(qiáng)化與修復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，制備金屬陶瓷涂層的技術(shù)主要有熱噴涂、熱噴焊、堆焊、激光熔覆、激光熔注等。其中，熱噴涂技術(shù)具有工藝成熟、操作簡單、施噴環(huán)境寬泛及效率高等優(yōu)點(diǎn)，但涂層與基材呈機(jī)械結(jié)合，在使用的過程中易剝落。熱噴焊技術(shù)可以有效改善噴涂時(shí)結(jié)合力低的缺點(diǎn)，但由于火焰溫度低及加熱時(shí)間長，使粘結(jié)金屬與陶瓷相的交互作用時(shí)間過長，導(dǎo)致陶瓷相在噴焊過程中燒損嚴(yán)重，耐磨功能相的硬度嚴(yán)重降低，從而降低了涂層的硬度與耐磨損性能，因此應(yīng)用受到限制?；诟吣苁鵁嵩吹亩押讣夹g(shù)(等離子弧堆焊、電子束堆焊等)為制備金屬陶瓷涂層注入了新的活力，該技術(shù)可提高焊接效率，提高堆焊層結(jié)合強(qiáng)度。但是， 由于熱源的輸入功率較大，不但使陶瓷相發(fā)生大量的燒損，導(dǎo)致涂層的硬度與耐磨性降低， 而且容易使涂層的稀釋率與基材的熱影響區(qū)變大，導(dǎo)致基材發(fā)生嚴(yán)重的變形；激光熔覆是目前制備金屬陶瓷涂層的一種常用方法，相對于熱噴涂、熱噴焊與堆焊而言，其具備以下優(yōu)點(diǎn)組織致密、稀釋率低、粘結(jié)金屬與陶瓷相選擇范圍廣、基材熱影響與熱變形小、涂層與基材呈結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合。但是，激光熔覆效率低與熔覆層易產(chǎn)生裂紋的問題極大地限制了激光熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。激光熔注技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新興表面強(qiáng)化技術(shù)，它是利用激光束熔化金屬基材表面的同時(shí)，將陶瓷相顆粒注入到激光熔池內(nèi)，當(dāng)激光束掃描過后，注入的陶瓷相顆粒并沒有完全熔化，而是以固態(tài)粒子的形式被“凍結(jié)”起來，從而形成金屬陶瓷涂層的工藝。與激光熔覆技術(shù)相比，該技術(shù)最大的優(yōu)勢是能夠在一些可焊性差而又缺乏其它表面強(qiáng)化手段的鈦合金、鋁合金與鎂合金表面注入wc、SiC與TiC等陶瓷相顆粒，形成金屬陶瓷涂層。但是，該技術(shù)也存在激光熔注效率低、陶瓷相含量低與注入的深度小、金屬陶瓷涂層易產(chǎn)生氣孔與裂紋等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，該方法能夠解決常規(guī)激光熔注時(shí)基材對激光反射率高而導(dǎo)致熔注效率低、陶瓷相注入深度小與體積百分含量低以及金屬陶瓷涂層易開裂等問題。它的基本原理是利用感應(yīng)加熱線圈在基材表面產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，使基材表面在短時(shí)間內(nèi)被加熱到紅熱狀態(tài)，然后將激光束與
4粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合，同時(shí)將陶瓷相顆粒直接注入到激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材表面形成的熔池內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，注入的陶瓷相顆粒并沒有完全熔化而是以固態(tài)粒子的形式被“凍結(jié)”起來，從而形成金屬陶瓷涂層?？梢?，采用激光感應(yīng)復(fù)合熔注的方法制備的金屬陶瓷涂層，其粘結(jié)金屬為基材本身。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，其特征是方法步驟為(1)先將高熔點(diǎn)、高硬度的陶瓷相裝入自動送粉器的裝料斗內(nèi)，然后將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)將基材表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在2 IOmm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈，并通過感應(yīng)加熱電源調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使基材表面被感應(yīng)加熱的溫度為 300 1000°C，同時(shí)利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴將陶瓷顆粒注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材表面形成的熔池內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的陶瓷相顆粒在熔池內(nèi)而形成金屬陶瓷涂層；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床， 其移動的距離為激光光斑直徑的80 20% ；(5)檢測金屬陶瓷涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟 0)- )，直到金屬陶瓷涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。所述的金屬陶瓷涂層由粘結(jié)金屬與陶瓷相組成，其中，粘結(jié)金屬為基材本身，如鎳基高溫合金GH4133與Rene，88DT，鈦合金Ti6A14V、TC4與TC17等，鋁及鋁合金ZL102與 LY12，鋼鐵材料A3鋼與4Cr5W2SiV模具鋼，鎂合金AZ91D與AZ91HP ；陶瓷相為高硬度、高熔點(diǎn)的氧化物如Al2O3與、碳化物如WC、SiC與TiC、硅化物如MoSi2與CoSi2或金屬間化合物如 NiAl、TiAl 與 FeAl。所述在步驟O)時(shí)，感應(yīng)加熱電源為高頻或超音頻感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱功率為 10 200kW，感應(yīng)加熱頻率為30 90kHz。所述在步驟(3)時(shí)，激光束采用(X)2激光、Nd: YAG激光或光纖激光，激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中，激光功率為1 10kw，激光束光斑直徑為2 20mm，激光掃描速度為1 15m/ min，粉末噴嘴與基材表面法向間的夾角為30 70°，粉末噴嘴與基材表面的垂直距離為 8 15mm，粉末流量為1 20kg/h。所述在步驟時(shí)，沿激光掃描速度的垂直方向(Y軸方向)移動數(shù)控機(jī)床，其移動的距離為激光光斑直徑的80 20%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為20 80%。所述在步驟(3)時(shí)，激光束定位于感應(yīng)線圈的中心，從而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱時(shí)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合，為了提高感應(yīng)加熱效率，感應(yīng)線圈上安裝有專用導(dǎo)磁體。實(shí)現(xiàn)激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的裝置包括計(jì)算機(jī)、激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、激光頭、聚焦系統(tǒng)、粉末噴嘴、雙斗自動送粉器、感應(yīng)加熱線圈、感應(yīng)加熱電源、數(shù)控機(jī)床、基材、導(dǎo)磁體、導(dǎo)氣管，其特征是計(jì)算機(jī)分別連接數(shù)控機(jī)床、感應(yīng)加熱電源和激光器，激光器連接激光頭，數(shù)控機(jī)床上表面放置有基材，基材上表面放置有感應(yīng)加熱線圈，基材的表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離在2 10mm，感應(yīng)加熱線圈連接感應(yīng)加熱電源，激光頭側(cè)壁固定連接粉末噴嘴，粉末噴嘴與基材法向的夾角為30-70°，粉末噴嘴的末端與基材表面垂直距離為10-15mm，激光頭和粉末咂嘴在感應(yīng)加熱線圈上方，感應(yīng)加熱線圈兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)磁體，粉末噴嘴末端連有雙斗自動送粉器，激光頭內(nèi)依次連有導(dǎo)光系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，激光頭頂端側(cè)壁連有導(dǎo)氣管，感應(yīng)加熱線圈上有溶池。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)陶瓷相在基材內(nèi)的注入深度大、體積百分含量高，金屬陶瓷涂層與基材的化學(xué)成分呈平緩梯度過渡，陶瓷相在激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中的燒損小，獲得的金屬陶瓷涂層具有組織致密、硬度高、韌性好、耐磨損、無氣孔和裂紋等一系列優(yōu)異性能。(2)在預(yù)熱的同時(shí)進(jìn)行激光熔注，使得激光束的能量主要用于熔化基材表面，大幅度提高了激光能量的利用率與激光熔注的效率。此外，陶瓷相顆粒與激光束相互作用的時(shí)間很短，陶瓷相顆粒進(jìn)入熔池后仍是固相粒子，從而最大程度上保持了陶瓷相顆粒高硬度的特征，可以大幅度提高涂層的硬度與耐磨性能。(3)激光熔注每一道時(shí)都經(jīng)過了感應(yīng)預(yù)熱處理，大幅度降低了激光熔注過程中的溫度梯度，而且金屬陶瓷涂層的粘結(jié)金屬是基材本身，可以將涂層與基材的界面應(yīng)力降低到最小程度，從而獲得組織致密且無裂紋的金屬陶瓷涂層。 (4)與常規(guī)激光熔注制備金屬陶瓷涂層的方法相比，激光感應(yīng)復(fù)合熔注的速度提高了 2 30倍，陶瓷相顆粒的熔注深度提高了 1 5倍，陶瓷相顆粒的體積百分含量提高了 1 3倍。(5)制備的金屬陶瓷涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能，相對于常規(guī)激光熔注相同成分材料的耐磨性能可以提高1 8倍，服役壽命提高5 10倍。(6)本發(fā)明制備的金屬陶瓷涂層可廣泛應(yīng)用于高溫合金、刀具、模具、汽車部件以及一些可焊性差而又缺乏其它表面強(qiáng)化手段的鈦合金、鋁合金與鎂合金的表面強(qiáng)化領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明金屬陶瓷涂層激光感應(yīng)復(fù)合熔注系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明激光感應(yīng)復(fù)合熔注專用感應(yīng)加熱線圈的示意圖。在圖中，在圖中，1、計(jì)算機(jī) 2、激光器 3、導(dǎo)光系統(tǒng) 4、激光頭 5、聚焦系統(tǒng) 6、粉末噴嘴7、裝料斗 8、復(fù)合粉末9、雙斗自動送粉器 10、感應(yīng)加熱線圈11、感應(yīng)加熱區(qū) 12、感應(yīng)加熱電源 13、數(shù)控機(jī)床 14、基材 15、涂層 16、導(dǎo)磁體 17、熔池 18、導(dǎo)氣管
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例子對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明制備的金屬陶瓷涂層，主要由粘結(jié)金屬與陶瓷相組成。所述的粘結(jié)金屬為基材本身，如Ni基高溫合金GH4133與Rene，88DT等，鈦合金Ti6A14V、TC4與TC17等，鋁及鋁合金ZL102與LY12等，鋼鐵材料A3鋼與4Cr5W2SiV模具鋼等，鎂合金AZ91D與AZ91HP 等；陶瓷相為高硬度、高熔點(diǎn)的氧化物如Al2O3與^O2等、碳化物如WC、SiC與TiC等、硅化物如MoSi2與CoSi2等或金屬間化合物如NiAl、TiAl與!^eAl等。本發(fā)明采用激光感應(yīng)復(fù)合熔注的方法制備金屬陶瓷涂層，包括下列步驟
(1)先將高熔點(diǎn)、高硬度的陶瓷相如氧化物( 與Al2O3)、碳化物(WC、SiC與 TiC)、硼化物(TiB2與CrB2)、硅化物(MoSi2與Mo2Ni3Si)以及金屬間化合物(TiAUNiAl與 FeAl)裝入自動送粉器的裝料斗內(nèi)，然后將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)將基材表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在2 IOmm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈，并調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使基材表面被感應(yīng)加熱的溫度為300 1000°C，同時(shí)利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴將陶瓷顆粒注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材表面形成的熔池內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的陶瓷相顆粒被“凍結(jié)”在熔池內(nèi)而形成金屬陶瓷涂層。(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床， 其移動的距離為激光光斑直徑的80 20% ；(5)檢測金屬陶瓷涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟 0)- )，直到金屬陶瓷涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。如圖1所示，實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括計(jì)算機(jī)1、激光器2、導(dǎo)光系統(tǒng)3和聚焦系統(tǒng) 5、自動送粉器9、感應(yīng)加熱裝置和激光感應(yīng)復(fù)合加工數(shù)控工作臺。激光器2、導(dǎo)光系統(tǒng)3和聚焦系統(tǒng)5位于同一光路上，其中導(dǎo)光系統(tǒng)3與激光頭4 相連，聚焦系統(tǒng)5位于激光頭4內(nèi)，激光器2發(fā)出的激光束經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)3傳輸?shù)骄劢瓜到y(tǒng) 5后被聚焦成圓形光斑并輻射到基材14的表面。與惰性保護(hù)氣體源相連的導(dǎo)氣管18的出氣口位于聚焦系統(tǒng)5與基材14之間，并對準(zhǔn)在基材14表面的感應(yīng)加熱區(qū)11。自動送粉器 9包括裝料斗7以及粉末噴嘴6，粉末噴嘴6固定在激光頭4上；粉末噴嘴6與基材14表面法向的夾角為30 70°，粉末噴嘴6的末端與基材14表面的垂直距離為8 15mm。激光感應(yīng)復(fù)合熔注時(shí)，調(diào)節(jié)自動送粉器9的裝料斗7的送粉率，并利用粉末噴嘴6將陶瓷相顆粒 8注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材14表面形成的熔池17內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的陶瓷相顆粒8被“冷凍”在熔池內(nèi)而形成金屬陶瓷涂層15。感應(yīng)加熱裝置由感應(yīng)加熱電源12和感應(yīng)加熱線圈10組成，感應(yīng)加熱線圈10與感應(yīng)加熱電源12相連， 用于對基材14進(jìn)行加熱。激光感應(yīng)復(fù)合熔注時(shí)，將基材14的表面與感應(yīng)加熱線圈10之間的距離控制在2 IOmm范圍內(nèi)(如圖2所示)。如圖2所示，為提高感應(yīng)加熱線圈10對基材14的加熱效率，在感應(yīng)加熱線圈10 上安裝有專用導(dǎo)磁體16。激光感應(yīng)復(fù)合加工數(shù)控工作臺由計(jì)算機(jī)1、數(shù)控機(jī)床13與基材夾持裝置組成。計(jì)算機(jī)1與激光器2、感應(yīng)加熱電源12以及數(shù)控機(jī)床13相連，并控制激光器 2的激光輸出、感應(yīng)加熱電源12的感應(yīng)加熱功率以及數(shù)控機(jī)床13的運(yùn)動。數(shù)控機(jī)床13采用兩軸聯(lián)動的控制并作X、Y軸方向的直線運(yùn)動?；膴A持裝置固定在數(shù)控機(jī)床13上，用于將基材14安裝在數(shù)控機(jī)床13上。實(shí)例一采用激光感應(yīng)復(fù)合熔注的方法，將鑄造WC顆粒直接注入鎳高溫合金GH4133的表面而形成WC/Ni金屬陶瓷涂層。該金屬陶瓷涂層內(nèi)WC顆粒的體積百分含量為30%，WC顆粒的注入深度為0. 8mm，涂層的面積為100X 150mm2。本實(shí)施例的實(shí)施過程為
(1)陶瓷相顆粒的選擇與基材的準(zhǔn)備。陶瓷相8為鑄造WC顆粒，由片狀的WC+W2C 其晶組成，平均粒徑為40 μ m,將其置于150°C的保溫箱內(nèi)干燥2小時(shí)，然后放入自動送粉器 9的裝料斗7內(nèi)?；?4為鎳基高溫合金GH4133，其化學(xué)成分為(質(zhì)量百分比)0. 032
0.038% C、19 22% Cr、0. 05 0. 07Si、0. 01 0. 03Mn、0. 8 1. 2% Al,2. 5 3% Ti、
1.2 1. 4Nb、0. 002 0. 003B、0. 01 0. 02Fe、余量為Ni，其表面經(jīng)除銹、除油、清洗與噴砂處理后待用；(2)將基材鎳基高溫合金14的表面與感應(yīng)加熱線圈10之間的距離調(diào)整為4mm，通入電流至感應(yīng)加熱線圈10，并利用計(jì)算機(jī)1調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱線圈10的感應(yīng)加熱功率，使鎳基高溫合金14的表面被感應(yīng)加熱的溫度為900°C，同時(shí)利用銅管18向感應(yīng)加熱區(qū)11吹入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，防止感應(yīng)加熱區(qū)11的高溫氧化；(3)將聚焦后的CO2激光束與自動送粉器9的粉末噴嘴6定位于感應(yīng)加熱區(qū)11內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴6將鑄造WC顆粒8注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材鎳基高溫合金14表面形成的熔池17內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的鑄造WC顆粒8被“冷凍”在熔池內(nèi)而形成WC/Ni金屬陶瓷涂層15。在激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14的表面法向間的夾角為45°，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14表面的垂直距離為8mm，粉末流量為Wkg/h，激光束光斑直徑為6mm，激光功率為8kW，感應(yīng)加熱功率為80kW，激光掃描速度為18m/min，激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源沿X軸方向運(yùn)動的距離為IOOmm ；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向(Y軸方向)移動數(shù)控機(jī)床13，其移動的距離為激光光斑直徑的60%，從而挖制涂層的搭接率為40% ；(5)檢測涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟0)- ),直到涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。實(shí)例二采用激光感應(yīng)復(fù)合熔注的方法，將MoSi2顆粒直接注入TC4合金的表面而形成 MoSi2Ai金屬陶瓷涂層。該金屬陶瓷涂層內(nèi)MoSi2顆粒的體積百分含量為50%，MoSi2顆粒的注入深度為1. 2_，涂層的面積為120X 180mm2。本實(shí)施例的實(shí)施過程為(1)陶瓷相顆粒的選擇與基材的準(zhǔn)備。陶瓷相8為MoSi2顆粒，其平均粒徑為 50 μ m,將其置于150°C的保溫箱內(nèi)干燥2小時(shí)，然后放入自動送粉器9的裝料斗7內(nèi)?；?14為TC4合金，其化學(xué)成分為(質(zhì)量百分比)5. 5 6. 0% Al、3. 5 4. 5% V、余量為Ti，其表面經(jīng)除銹、除油、清洗與噴砂處理后待用；(2)將基材TC4合金14的表面與感應(yīng)加熱線圈10之間的距離調(diào)整為6mm，通入電流至感應(yīng)加熱線圈10，并利用計(jì)算機(jī)1調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱線圈10的感應(yīng)加熱功率，使基材TC4 合金14的表面被感應(yīng)加熱的溫度為600°C，同時(shí)利用銅管18向感應(yīng)加熱區(qū)11吹入氬氣作為保護(hù)氣體，防止感應(yīng)加熱區(qū)11的高溫氧化；(3)將聚焦后的CO2激光束與自動送粉器9的粉末噴嘴6定位于感應(yīng)加熱區(qū)11內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴6將MoSi2顆粒8注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材TC4合金14表面形成的熔池17內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的MoSi2顆粒8被“冷凍”在熔池內(nèi)而形成MoSi2/Ti金屬陶瓷涂層15。
在激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中，粉末噴嘴6與基材TC4合金14的表面法向間的夾角為50°，粉末噴嘴6與基材TC4合金14表面的垂直距離為10mm，粉末流量為Ukg/h，激光束光斑直徑為5mm，激光功率為5kW，感應(yīng)加熱功率為40kW，激光掃描速度為8m/min，激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源沿X軸方向運(yùn)動的距離為120mm ；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向(Y軸方向)移動數(shù)控機(jī)床13，其移動的距離為激光光斑直徑的50%，從而控制涂層的搭接率為50% ；(5)檢測涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟0)- ),直到涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。實(shí)例三采用激光感應(yīng)復(fù)合熔注的方法，將Al2O3顆粒直接注入鑄造鋁合金(Al_7wt. % Si) 的表面而形成Al2O3Al-Si金屬陶瓷涂層。該金屬陶瓷涂層內(nèi)Al2O3顆粒的體積百分含量為 70%，Al2O3顆粒的注入濃深度為2mm，涂層的面積為150X200mm2。本實(shí)施例的實(shí)施過程為(1)陶瓷相顆粒的選擇與基材的準(zhǔn)備。陶瓷相8為Al2O3顆粒，其平均粒徑為 60 μ m,將其置于150°C的保溫箱內(nèi)干燥2小時(shí)，然后放入自動送粉器9的裝料斗7內(nèi)?；?14為鑄造鋁合金(Al-7wt. % Si)，其表面經(jīng)除銹、除油、清洗與噴砂處理后待用；(2)將基材鑄造鋁合金(Al_7wt. % Si) 14的表面與感應(yīng)加熱線圈10之間的距離調(diào)整為8mm，通入電流至感應(yīng)加熱線圈10，并利用計(jì)算機(jī)1調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱線圈10的感應(yīng)加熱功率，使基材鑄造鋁合金(Al-7wt. % Si) 14的表面被感應(yīng)加熱的溫度為500°C，同時(shí)利用銅管18向感應(yīng)加熱區(qū)11吹入氦氣作為保護(hù)氣體，防止感應(yīng)加熱區(qū)11的高溫氧化；(3)將聚焦后的Nd:YAG激光束與自動送粉器9的粉末噴嘴6定位于感應(yīng)加熱區(qū) 11內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴6將Al2O3顆粒8注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材鑄造鋁合金(Al-7wt. % Si) 14表面形成的熔池17內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的MoSi2顆粒8被“冷凍”在熔池內(nèi)而形成Al2O3Al-Si金屬陶瓷涂層15。在激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中，粉末噴嘴6與基材鑄造鋁合金(Al_7wt. % Si) 14的表面法向間的夾角為53°，粉末噴嘴6與基材鑄造鋁合金(Al-7wt. %Si)14表面的垂直距離為12mm，粉末流量為10kg/h，激光束光斑直徑為7mm，激光功率為2kW，感應(yīng)加熱功率為 30kW，激光掃描速度為6m/min，激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源沿X軸方向運(yùn)動的距離為150mm ；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向(Y軸方向)移動數(shù)控機(jī)床13，其移動的距離為激光光斑直徑的40%，從而控制涂層的搭接率為60% ；(5)檢測涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟0)- ),直到涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征是方法步驟為(1)先將高熔點(diǎn)、高硬度的陶瓷相裝入自動送粉器的裝料斗內(nèi)，然后將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)將基材表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在2 IOmm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈，并通過感應(yīng)加熱電源調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使基材表面被感應(yīng)加熱的溫度為300 1000°C，同時(shí)利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴將陶瓷顆粒注入激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源在基材表面形成的熔池內(nèi)，當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注熱源移開后，未完全溶解的陶瓷相顆粒在熔池內(nèi)而形成金屬陶瓷涂層；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔注完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床，其移動的距離為激光光斑直徑的80 20% ；(5)檢測金屬陶瓷涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，重復(fù)步驟0)- )，直到金屬陶瓷涂層達(dá)到所要求的面積；否則，工作結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征是所述的金屬陶瓷涂層由粘結(jié)金屬與陶瓷相組成，其中，粘結(jié)金屬為基材本身，如鎳基高溫合金GH4133與Rene，88DT，鈦合金Ti6A14V、TC4與TC17等，鋁及鋁合金ZL102與LY12， 鋼鐵材料A3鋼與4Cr5W2SiV模具鋼，鎂合金AZ91D與AZ91HP ；陶瓷相為高硬度、高熔點(diǎn)的氧化物如Al2O3與、碳化物如WC、SiC與TiC、硅化物如MoSi2與CoSi2或金屬間化合物如 NiAl、TiAl 與 FeAl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征是所述在步驟O)時(shí)，感應(yīng)加熱電源為高頻或超音頻感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱功率為10 200kW，感應(yīng)加熱頻率為30 90kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征是所述在步驟(3)時(shí)，激光束采用CO2激光、Nd:YAG激光或光纖激光，激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中，激光功率為1 10kW，激光束光斑直徑為2 20mm，激光掃描速度為1 15m/min， 粉末噴嘴與基材表面法向間的夾角為30 70°，粉末噴嘴與基材表面的垂直距離為8 15mm，粉末流量為1 20kg/h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征是所述在步驟(4)時(shí)，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床，其移動的距離為激光光斑直徑的80 20%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為20 80%。
6.一種權(quán)利要求1所述的激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的裝置，其特征是包括計(jì)算機(jī)、激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、激光頭、聚焦系統(tǒng)、粉末噴嘴、雙斗自動送粉器、感應(yīng)加熱線圈、感應(yīng)加熱電源、數(shù)控機(jī)床、基材、導(dǎo)磁體、導(dǎo)氣管，計(jì)算機(jī)分別連接數(shù)控機(jī)床、感應(yīng)加熱電源和激光器，激光器連接激光頭，數(shù)控機(jī)床上表面放置有基材，基材上表面放置有感應(yīng)加熱線圈，基材的表而與感應(yīng)加熱線圈之間的距離在2 10mm，感應(yīng)加熱線圈連接感應(yīng)加熱電源，激光頭側(cè)壁固定連接粉末噴嘴，粉末噴嘴與基材法向的夾角為30-70°，粉末噴嘴的末端與基材表面垂直距離為10-15mm，激光頭和粉末咂嘴在感應(yīng)加熱線圈上方，感應(yīng)加熱線圈兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)磁體，粉末噴嘴末端連有雙斗自動送粉器，激光頭內(nèi)依次連有導(dǎo)光系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，激光頭頂端側(cè)壁連有導(dǎo)氣管，感應(yīng)加熱線圈上有溶池。
全文摘要
一種激光感應(yīng)復(fù)合熔注快速制備金屬陶瓷涂層的方法，其方法步驟為(1)先將高熔點(diǎn)、高硬度的陶瓷相裝入自動送粉器的裝料斗內(nèi)；(2)防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；(4)其移動的距離為激光光斑直徑的80～20％；(5)工作結(jié)束。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)陶瓷相在基材內(nèi)的注入深度大、體積百分含量高，金屬陶瓷涂層與基材的化學(xué)成分呈平緩梯度過渡，陶瓷相在激光感應(yīng)復(fù)合熔注過程中的燒損小，獲得的金屬陶瓷涂層具有組織致密、硬度高、韌性好、耐磨損、無氣孔和裂紋等一系列優(yōu)異性能。
文檔編號C23C24/10GK102191495SQ20101011878
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者劉光明, 周圣豐, 戴曉琴, 杜楠 申請人:南昌航空大學(xué)