[发明专利]一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置

说明书

本发明提供了一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，所述的装置包括光纤激光器、液氮强制冷却平台、电磁搅拌平台、温度检测反馈系统、计算机控制系统。发明方法为把试样放置于紫铜加工而成的专用夹具上，通过液氮强制冷却紫铜夹具间接传递至试样，实现试样在熔覆过程中的强制冷却。同时，通过计算机调控电磁搅拌平台的磁场强度，实现强制冷却下电磁搅拌激光熔覆工艺。本发明在强制冷却及电磁搅拌辅助下进行激光熔覆制备复合涂层，能显著提高复合涂层与基体良好的冶金结合能力，同时实现熔覆层内硬质相、组织分布均匀，晶粒细化、避免应力集中，消除激光熔覆层的裂纹和气孔等缺陷，提高熔覆层质量。

技术领域

本发明涉及一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置，属于激光加工及材料表面改性装备技术领域。

背景技术

近些年国内外对激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层研究较多的是在Ni、Co基粉中添加WC、SiC等陶瓷相的硬质复合涂层。其中，WC是耐磨性极佳的硬质材料，可借助于起钎料作用的胎体金属形成硬质合金或相应的耐磨材料及复合涂层。Ni基合金对WC有很好的润湿性。因此，激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层以其优良的耐磨性能和适中的价格在工业界得到了广泛应用。目前对激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层的研究主要集中在激光熔覆的基础理论、工艺参数、冶金分析、熔覆层性能测试方面，然而由于Ni基合金与WC硬质相之间存在明显的界面和较大的性能差异，容易出现WC颗粒脱落、应力集中及产生裂纹等问题，成为困扰其工程化应用的最大障碍，这也是文献中普遍反映出的问题。因此，采用合理的方法来提高复合涂层与基体冶金结合强度，减轻涂层稀释，同时设法使熔覆层内硬质相均匀分布，消除涂层中的裂纹和气孔等缺陷，已成为未来激光熔覆的研究重点。

针对复合涂层与基体冶金结合强度不高、熔覆层耐磨性不高的问题，在激光熔覆过程中通过对基材强制冷却，基材与熔池过大的温度梯度及熔池极快的凝固速度，会在熔覆层底部定向凝固成取向一致，均匀致密并且对称性最好的细枝晶组织，这种特殊的定向组织结构，不但提高与基体的结合强度，而且这种结构也提高了复合涂层的纵向力学性能(如抗高温蠕变和疲劳能力)，阻止裂纹扩展、晶界滑移、位错移动，从而大大提高涂层的耐磨性能。另一方面，加快激光熔覆过程的冷却速度，使得熔覆层的晶粒更加细小。目前，王鹏春(参见王鹏春,路阳,杨效田,肖荣振,杨晓伟.中国有色金属学报,2016,02:375-382.)通过强制冷却对感应重熔制备Ni60合金涂层，使涂层表面形成了一定取向的比较细小致密分布的“十字架”结构，且其对称性最好，定向凝固组织结构相对比较良好，从而大大提高了复合涂层的耐磨性能。专利号为“CN105414746A”的“一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法”通过对热源直接喷洒冷却气体或冷却液(惰性气体或液氮)，实现对试样的强制冷却，从而使凝固组织内部晶粒细化，提高构件性能，并且避免性能各向异性产生。但这种方法由于散热方向的分散性并不适用于强制冷却激光熔覆制备定向凝固组织。此外，单独采用强制冷却技术辅助激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层，由于熔池凝固速度很短，WC强化相颗粒的密度较大，很容易沉积熔覆层下层，使熔覆层强化相颗粒分布不均，很容易使熔覆层产生裂纹和气孔等缺陷。

针对熔覆层中WC陶瓷增强颗粒易沉底聚集，应力集中，产生微裂纹等问题，目前，有研究者通过添加某些特殊合金元素或氧化物,或通过优化激光熔覆工艺解决开裂问题,但通过添加某些特殊合金元素或氧化物减小裂纹会增加成本、降低效率，优化激光熔覆工艺也没有突破性进展。为了提高激光熔覆层的质量，减小裂纹状态，一个重要的方法是使熔覆层内硬质相均匀分布，目前研究者多采用电磁搅拌辅助激光熔覆。中国专利CN102703898A公开了一种交变磁场细化激光熔覆层凝固组织的方法及其装置，利用交变磁场细化激光熔覆层组织的方法，实现了使熔覆层晶粒细化、组织分布均匀，避免应力集中，已达到消除激光熔覆层的裂纹，提高质量的目的，但是，利用电磁搅拌辅助激光熔覆金属基陶瓷增强颗粒复合涂层，可能会打碎熔覆层与基体结合区凝固形成树状晶组织，造成熔覆层与基体结合强度减弱的问题，并不能有效解决复合涂层与基体冶金结合强度问题。

发明内容