[发明专利]一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法

说明书

技术领域

本发明属于激光表面改性技术领域，涉及一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法。

背景技术

激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将粉末材料熔覆在零件的表面，以获得优良力学性能涂层的一种激光表面改性技术。激光束将粉末熔化后形成的液态合金由于基体材料的迅速导热而产生极高的冷却速度而快速凝固结晶，不但产生牢固、良好的冶金结合，而且还获得细小均匀的显微组织（即涂层微观组织优良），因此可获得具有非常优异力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面涂层。

相对传统的热处理技术，激光熔覆技术具有以下主要优点：(1) 激光能量密度高，加热速度快，对基材热影响小，零件变形小，易于实现自动化柔性加工。(2) 通过调节激光输入能量，可将基材的稀释率控制在极低范围( 一般为2%～8%，质量分数)，从而保持了熔覆层材料原本的优异性能。(3) 激光熔覆层与基材间牢固结合，为冶金结合。(4) 熔覆层组织致密均匀，极大提高了零件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀及抗疲劳等性能，且延长了材料的使用寿命，尤其在废件维修的应用上具有难以估计的价值。(5) 适用范围广，理论上任何基材表面上都能采用激光熔覆上几乎所有的金属或陶瓷材料。因此，目前采用激光熔覆技术对金属零部件进行强化处理已成为提高金属零件力学性能及价值的利器。

激光熔覆可分为送粉式激光熔覆和预置式激光熔覆两大类。送粉式激光熔覆工艺具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔等优点，但须用到专用的激光熔覆喷头、送粉机构以及大功率激光器，因而设备成本高。同时，相对于预置式激光熔覆工艺，其成型表面较为粗糙，需较多的后处理加工。预置式激光熔覆具有不受材料的限制、易于进行复合成分粉末的熔覆、工艺简单、操作灵活等优点。目前常采用的粉末预置方法主要包括热喷涂法和化学黏结法：热喷涂法在预置粉末的过程中除需要专用的喷涂设备外，其粉末的损失量很大( 约为30% ～ 40%) ，此外该方法还存在对粉末粒度的要求较高等不足；对于化学粘结法而言，由于使用了各种黏结剂，在熔覆过程中极易产生气孔等缺陷，同时粘结剂的加入对熔覆层成分也会产生不同程度的不利影响。

另外，现有激光熔覆工艺多采用大功率激光（如千瓦级的CO₂激光器）作为成型能量源，以电机+丝杆控制的三维工作台或电机+丝杆控制的回转机构作为运动机构以控制熔覆工位的变动。大功率激光器一般体积较大，且成本昂贵，对其制冷、后续光路元件也要求苛刻（如要求镜片的耐热性能更高，水冷机制冷量更大）等，因此无论熔覆系统构建成本还是运行成本都较为昂贵；而采用电机+丝杆作为熔覆工位变动控制机构使得熔覆效率较低，通常熔覆速度为10mm/s以下，因此，传统的激光熔覆工艺并不适合于批量生产的金属零件。因此极需要发展低成本及快速的激光熔覆技术。

申报专利（申报号201110440356.3）提出一种采用光纤激光的熔覆装置，该装置采用大功率光纤激光作为能量源，以伺服电机控制的X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片及Z轴动态聚焦模块控制光束熔化铺粉滚预置的金属粉末实现激光熔覆，与传统激光熔覆工艺相比，具有体积小、运行维护成本相对低、熔覆速度更快的优点。但需采用大功率连续光纤激光器（如该申报专利说明书提到的IPG-2000W光纤激光器），导致装置的构建成本高（大功率光纤激光器本身的成本就很高，对冷却及后续光路系统也要求苛刻，因此导致系统构建成本高昂）；同时具有两个粉缸及一个铺粉滚的铺粉系统运作起来至少需四个电机协调工作，也不利于提高熔覆效率。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法，具有设备构建及运行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆层表面质量好、熔覆层厚度可控的特点，既降低系统构建及运行成本，也提高了生产效率，还获得了好的熔覆质量，能够满足以较低成本批量快速高质量熔覆平面类零件的要求。