一種激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。
[0003]激光沖擊強(qiáng)化是一種利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、耐磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。而激光空化強(qiáng)化技術(shù)則是利用激光聚焦于水中，誘導(dǎo)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，利用空化泡生長直至潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波、水射流以及局部高溫高壓，沖擊金屬表面，在金屬表面形成了殘余應(yīng)力層，使金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度等性能得以提高。激光空化強(qiáng)化較普通的激光強(qiáng)化比，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠有效用于金屬材料的表面強(qiáng)化，并且由于激光空化強(qiáng)化有一種復(fù)合強(qiáng)化的作用，故其表面強(qiáng)化效果強(qiáng)于普通的激光沖擊強(qiáng)化，而且激光空化強(qiáng)化過程中不需要吸收層和約束層，所以工藝過程較簡單，更加適合于自動(dòng)化加工。
[0004]專利號(hào)為CN103409758A的中國專利公開了一種栗類殼體及葉片微細(xì)裂紋激光強(qiáng)化延壽方法，該方法是利用了激光熔覆與激光強(qiáng)化復(fù)合的方法對栗類零件進(jìn)行修復(fù)，雖然該方法解決了激光熔覆過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋的問題，但是該方法需要使用到惰性氣體的保護(hù)，工藝較復(fù)雜，會(huì)對原始基材其他不用修復(fù)的區(qū)域造成材料損傷，激光能量利用率也不太高，會(huì)造成能源浪費(fèi)。專利號(hào)為CN102312237A的中國專利公開了一種汽輪機(jī)鈦合金葉片的激光強(qiáng)化方法，該方法通過先添加一層金屬鎳鍍層，再通過激光熔覆的方法來完成表面強(qiáng)化，但是存在著激光熔覆帶來的裂紋，由于鍍層的加入使結(jié)合較沒有鍍層的時(shí)候緊密，容易發(fā)生開裂、裂紋擴(kuò)散等問題。
[0005]綜上，目前已經(jīng)存在的一些金屬材料的抗氣蝕、耐磨損能力的方法，存在著激光效率利用不高、工藝復(fù)雜、對基材的損傷或者熔覆層產(chǎn)生裂紋、熔覆層與基材開裂，結(jié)合度不夠等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的方法和裝置，解決了(I)激光對未強(qiáng)化區(qū)域的熱力損傷問題；(2)激光熔覆及強(qiáng)化過程中對于周圍氣體環(huán)境的限制問題；(3)使金屬熔覆層、過渡層、基材間的連接較只有熔覆層、基材這種方法更加緊密；(4)在較少能源消耗的前提下，進(jìn)一步提高了基材強(qiáng)化區(qū)的殘余壓應(yīng)力，綜合改善了材料的機(jī)械性能。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0008]—種激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的方法，包括如下步驟:
[0009]S1、將金屬材料加工區(qū)域去除材料，然后表面鍍上一層金屬鍍層，固定在載物臺(tái)上，所述金屬鍍層的主要成分與所述金屬材料為相同金屬；
[0010]S2、將金屬粉末均勾鋪設(shè)到SI所述鍍層的金屬材料表面，激光光束對所述金屬材料的鋪設(shè)金屬粉末區(qū)域進(jìn)行激光熔覆，所述金屬粉末的主要成分與所述金屬材料為相同金屬；
[0011]S3、將S2所述熔覆的金屬材料置于水中，激光光束對所述金屬材料的熔覆區(qū)域進(jìn)行激光空化強(qiáng)化；
[0012]S4、對S3所述空化強(qiáng)化的金屬材料表面進(jìn)行清理、加工。
[0013]進(jìn)一步，SI所述金屬材料的加工區(qū)域表面去除I?1.5mm厚度。
[0014]進(jìn)一步，SI所述的金屬鍍層厚度為0.2?0.4mm ;所述金屬鍍層中加入抗氧化金屬O
[0015]抗氧化金屬如N1、Cr等。
[0016]進(jìn)一步，S2所述金屬粉末形成的恪覆層厚度為0.5?1mm，所述金屬粉末中加入娃、硼、碳或鎘。
[0017]硅、硼、碳或鎘等起到抗氣蝕、耐磨損等作用。
[0018]在上述方案中，所述熔覆的激光參數(shù)為激光的功率密度為105?106W/cm2，激光束的使用功率為1000?2000W，激光光斑尺寸為10mmX2mm，掃描速度為I?10mm/s，送粉量為10?20g/min，搭接率為20%?30% ；
[0019]所述激光空化強(qiáng)化的激光參數(shù)為輸出波長為1064nm，脈沖能量為200?500mJ，搭接率為50%。
[0020]本發(fā)明還包括一種激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的裝置，所述裝置包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)分別與工作臺(tái)、水栗和激光控制器連接，所述工作臺(tái)上設(shè)有水箱，所述金屬材料位于所述水箱中，所述水栗分別與所述水箱和儲(chǔ)水箱連接，所述激光控制器與激光器連接，所述激光器位于所述金屬材料的加工區(qū)域正上方。
[0021]進(jìn)一步，所述裝置還包括通過管道依次連接的儲(chǔ)料罐、流量調(diào)節(jié)裝置和噴頭，所述流量調(diào)節(jié)裝置與所述控制系統(tǒng)連接，所述噴頭對準(zhǔn)所述金屬材料的加工區(qū)域，所述儲(chǔ)料罐中裝有用于激光熔覆的金屬粉末。
[0022]在上述方案中，所述激光器與所述金屬材料之間設(shè)有透鏡組，所述透鏡組包括一組凹透鏡和凸透鏡，所述凹透鏡和所述凸透鏡分別靠近所述激光器和所述金屬材料。
[0023]在上述方案中，所述水箱中設(shè)有載物臺(tái)，所述金屬材料通過夾具固定于所述載物臺(tái)上。
[0024]本發(fā)明有益效果如下:
[0025](I)通過給金屬材料表面鍍上一層金屬鍍層，將基材與空氣分隔開來，解決了激光熔覆過程中對于大氣環(huán)境要求過高的問題；由于鍍護(hù)層的存在，隔絕開了強(qiáng)化區(qū)與非強(qiáng)化區(qū)，從而防止了激光熱作用對非強(qiáng)化區(qū)的材料燒灼氧化作用；同時(shí)該鍍層由于金屬元素成分還起一種金屬過渡層作用，使基材和熔覆層的結(jié)合比簡單的激光熔覆處理過程更加緊
LU O
[0026](2)激光熔覆技術(shù)及激光空化強(qiáng)化技術(shù)的聯(lián)合使用，使得激光熔覆過程中產(chǎn)生的裂紋消失，并且強(qiáng)化的作用也使得熔覆層與保護(hù)層，保護(hù)層與基材間的連接比使用鍍鎳層和激光熔覆技術(shù)的方法結(jié)合得更加緊密，更加不容易脫落。
[0027](3)激光空化強(qiáng)化技術(shù)的引進(jìn)，使得工藝過程更加簡單，不需要添加約束層及吸收層，強(qiáng)化過程更加自動(dòng)化。
[0028](4)激光空化強(qiáng)化過程是一種復(fù)合沖擊過程，除了激光沖擊效應(yīng)外，還有一種由激光沖擊引起的空化泡的潰滅而產(chǎn)生的一種瞬間射流沖擊，在兩種沖擊作用的同時(shí)作用下，使得熔覆層、鍍層、金屬材料間的連接更加緊密，表面熔覆層殘余應(yīng)力較相同的激光沖擊作用提高了 0.6倍左右，殘余應(yīng)力層深度提高了 0.5倍，疲勞壽命更是提高了 I倍左右。
[0029](5)將激光熔覆層調(diào)配成黑色或深色，提高了金屬表面對于激光能量的吸收，進(jìn)一步提高了激光能量利用率。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明所述激光復(fù)合強(qiáng)化金屬材料的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]附圖標(biāo)記說明如下:
[0032]1-儲(chǔ)水箱，2-水栗，3-控制系統(tǒng)，4-激光控制器，5-激光器，6_透鏡組，7_凹透鏡，8-凸透鏡，9-管道，10-儲(chǔ)料罐，11-流量調(diào)節(jié)裝置，12-噴頭，13-金屬材料，14-夾具，15-載物臺(tái)，16-水箱，17-工作臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。<