[发明专利]一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法

权利要求书

1.一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝镍合金粉、镍铬硼硅铁合金粉、钕粉、氧气、乙炔气体、氩气、无水乙醇、镁铝合金板、镁铝合金棒，其量值如下：以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位

铝镍合金粉： AlNi     1000g±10g

镍铬硼硅铁合金粉：  NiCrBSiFe    2280g±10g

钕粉：  Nd    120g±1g

氧气：  O₂     10000cm³±100cm³

乙炔气体： C₂H₂     10000cm³±100cm³

氩气：  Ar    10000cm³±100cm³

无水乙醇： C₂H₆O    1000ml±10ml

矩形镁铝合金板： AZ31B  MgAl  300×200×20mm

圆柱形镁铝合金棒： AZ31B  MgAl  φ100×400mm

矩形镁铝合金板表面火焰喷涂、激光重熔方法如下：

(1)精选化学物质材料

对使用的化学物质材料要进行精选，并进行精度、纯度控制：

铝镍合金粉：固态粉体 99.99％

镍铬硼硅铁合金粉：固态粉体 99.95％

钕粉：固态粉体   99.9％

氧气：气态气体   99.9％

乙炔气体：气态气体   99.9％

氩气：气态气体     99.99％

无水乙醇：液态液体  99.7％

矩形镁铝合金板：表面粗糙度R_a0.63-1.25μm

(2)表面处理镁铝合金板

①修平镁铝合金板，各边垂直；

②镁铝合金板工作面用石英砂进行喷砂粗化，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

③用无水乙醇清洗镁铝合金板工作面；

④阴凉处晾干；

(3)球磨、干燥处理合金粉

①用球磨机分别研磨铝镍合金粉、镍铬硼硅铁合金粉和钕粉，并用200目筛网分别过筛，成细粉，细粉粒径均≤0.075mm；

②合金粉混合：将研磨的镍铬硼硅铁合金粉、钕粉置于不锈钢容器中混合，搅拌均匀，成混合细粉；

③将研磨后的铝镍合金粉和镍铬硼硅铁+钕混合粉分别置于烘干箱内干燥，干燥温度110℃±2℃，干燥时间240min±5min；

(4)在镁铝合金板表面喷涂铝镍合金粉、镍铬硼硅铁+钕混合粉

①将矩形镁铝合金板置于火焰喷涂工作台上；

②喷涂座、料斗、送粉控制器、喷涂枪、氧气瓶、乙炔瓶均处于准工作状态；

③将喷涂枪对准镁铝合金板，喷涂枪联结氧气瓶、氧气管、乙炔瓶、乙炔管；

④将铝镍合金粉置于料斗内；

⑤开启氧气瓶，氧气压力为0.8～1.0kgf/cm²；开启乙炔瓶，乙炔气压力为0.7～0.8kgf/cm²，有效送粉量为30～45g/min；

⑥点燃火焰，预热镁铝合金板，预热温度为110℃±2℃，预热时间1min；

⑦喷涂铝镍层：打开料斗开关、送粉控制器，铝镍合金粉随氧气+乙炔气流喷至镁铝合金板表面，喷涂温度280℃±2℃，喷涂厚度0.2mm；

⑧喷涂镍铬硼硅铁+钕合金层：将镍铬硼硅铁+钕混合粉置于料斗内，开启氧气+乙炔气体瓶，开启送粉控制器，混合粉随气流喷至铝镍层表面，成合金层，合金层厚度为0.5mm；

⑨喷涂后自然冷却固化，冷却至20℃±3℃；

(5)激光束扫描照射固熔喷涂粉末，表面合金化

①将喷涂的矩形镁铝合金板平直置于激光机的三坐标工作台上，调整好X、Y、Z坐标距离高度，并固定；

②调整激光束正离焦量为20mm；

③激光器产生激光束通过光栅传至反射镜，反射镜折射后垂直传至聚焦镜，激光束聚焦后，垂直对准镁铝合金板上的喷涂粉末；

④激光束对镁铝合金板上的喷涂合金粉末按轨迹曲线逐点逐线进行往复照射固熔；

激光束照射轨迹按矩形镁铝合金板设置，成矩形往复轨迹曲线，激光束先从轨迹起点开始照射，经顺时针轨迹行程，至轨迹终点，回程冷却，然后从另一轨迹起点照射，至轨迹终点，回程冷却，形成多条错位轨迹曲线连续进行，轨迹曲线为等间距错位顺时针奇数设置；

激光束辐照镁铝合金板表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成，程序由G代码编制；

激光束照射固熔参数：

激光器：CO₂ 气体激光器

激光波长：10.6μm

激光束输出功率：3500W

光斑直径：3mm

正离焦量：20mm

激光束照射固熔温度：1200-1500℃

扫描速度：600mm/min

扫描时间：45min

瞬时固熔时间：0.02s

在激光束照射扫描过程中，全程进行氩气保护，氩气输入速度为10cm³/min；

激光束扫描照射固熔后，在镁铝合金板表面形成合金层，即：铝镍层+镍铬硼硅铁钕层，固熔后合金层厚度为0.6mm，表面呈灰色；在激光束照射固熔过程中将进行合金化反应，反应式如下：

(6)激光固熔后自然冷却至20℃±3℃；

(7)镁铝合金板冷却后，用200号砂纸打磨合金表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

(8)清洗镁铝合金板，用无水乙醇50ml进行清洗，然后晾干；

(9)检测、分析、表征

对激光重熔后的镁铝合金板上的合金层表面进行形貌、显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性分析和表征；

用电子扫描电镜对表面形貌及断面结合面进行观察分析；

用显微硬度仪对镁铝合金板表面及断面显微硬度进行测试分析；

用磨损试验机对镁铝合金板表面进行磨损试验；

用电化学腐蚀试验仪对镁铝合金板表面进行腐蚀性能检测分析；

结论：

镁铝合金板与合金层达到冶金结合；

显微硬度：由基体的HV45-50升高到HV350-400，表面硬度可提高8～10倍；

耐磨性：平均摩擦系数由基体的0.578降到0.257，耐磨性可提高56％；

电化学腐蚀：腐蚀电位由基体的-1.549V升高到-0.675V，耐腐蚀性提高56.4％；

矩形镁铝合金板喷涂合金层后的重熔是在激光机上进行的，其特征在于：在机座(16)上设置XYZ三坐标工作台(17)，在三坐标工作台(17)的正侧面设有温度场测量仪(18)，在三座标工作台(17)的两侧对称设置温度传感器(19、20)，在三坐标工作台(17)上部安装镁铝合金板(14)，镁铝合金板(14)上部为铝镍层(15)、镍铬硼硅铁+钕层(13)；在三坐标工作台(17)上部垂直设置聚焦镜(24)，聚焦镜(24)上部设置激光器(21)，激光器(21)通过光栅(22)发出激光束，激光束对准反射镜(23)，激光束经反射镜(23)反射后垂直传递至聚焦镜(24)，激光束聚焦点(25)垂直对准镁铝合金板(14)上的合金层(15、13)；在聚焦镜(24)右侧面设置观察镜(26)并联接摄像机(27)，摄像机通过第一导线联接计算机并传递摄像信息；激光器通过第二导线与计算机联接；温度场测量仪(18)上设有液晶显示屏(35)、指示灯(36)、控制器(37)，电源开关(38)；在镁铝合金板(33)上侧部设有氩气管(31)，氩气管(31)联接氩气阀(30)、氩气瓶(29)，中间由支架(32)支撑，在合金层重熔时同时输出氩气，进行全程氩气保护；

所述的火焰喷涂合金粉是在喷涂工作台上进行的，其特征在于：在火焰喷涂工作台(1)上，左边置放镁铝合金板(14)，右部放置喷涂座(2)，喷涂座(2)上部设置料斗(6)，料斗(6)上部设置送粉控制器(33)，料斗(6)内为铝镍合金粉(12)，喷涂座(2)内为喷涂腔(11)，喷涂腔(11)左部联接喷涂枪(3)、喷咀(4)、火焰点燃器(5)，喷涂腔(11)右部通过氧气管(8)、乙炔管(10)分别连通氧气瓶(7)、乙炔瓶(9)；氧气、乙炔气体进入喷涂腔(11)后与铝镍合金粉(12)混合，并由喷涂枪(3)内的通道进入喷咀(4)喷出，同时点火器(5)点火，进行火焰喷涂，铝镍层(15)厚度为0.2mm，喷涂时间3min；用同样方法喷涂镍铬硼硅铁+钕合金层(13)，喷涂厚度为0.5mm，喷涂时间7min，然后冷却。

2.根据权利要求1所述的一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法，其特征在于：所述的φ100×400mm圆柱形镁铝合金棒的表面火焰喷涂、激光重熔方法如下：

(1)表面处理圆柱形镁铝合金棒，喷砂粗化，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

(2)在镁铝合金棒表面用氧-乙炔火焰喷枪喷涂铝镍层、镍铬硼硅铁+钕层，镁铝合金棒的喷涂是在专用夹具的装卡转动下进行的，铝镍层厚度为0.2mm，镍铬硼硅铁+钕层厚度为0.5mm；

(3)在激光机上，将圆柱形镁铝合金棒夹在三爪卡盘上，激光束从右向左行进，按φ100×400mm镁铝合金棒设置轨迹曲线扫描照射固熔，速度为0.076mm/s，圆周转速为7.2rad/min；

激光束照射按螺旋导程轨迹进行顺时针照射，激光聚焦照射圆柱形镁铝合金棒，照射间距为4mm，螺旋升角为4.2°，照射轨迹由轨迹起点开始照射，经顺时针轨迹行程，至轨迹终点，回程冷却，然后从另一轨迹起点照射，至轨迹终点，回程冷却，形成多条轨迹曲线连续进行，轨迹曲线为等间距错位顺时针设置；轨迹由计算机程序控制并完成，程序由G代码编制；

(4)激光固熔后自然冷却至20℃±3℃；

(5)镁铝合金棒冷却后，用200号砂纸打磨合金表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

(6)清洗镁铝合金棒，用无水乙醇进行清洗，然后晾干；

(7)检测、分析、表征与矩形镁铝合金板相同；表面硬度提高8-10倍，耐磨性提高56％，耐腐蚀性提高56.4％。