[发明专利]超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置

说明书

一种超声振动‑电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置，其特征是所述的装置主要包括激光器、超声波振动设备和交流励磁装置等。本装置在激光熔覆过程中同时施加超声场和电磁场，使激光融化区域受到超声振动‑电磁搅拌的协同作用，从而对熔池中的组织形态进行调控，晶粒尺寸进行控制，宏观表面形貌进行改善，进而获得优异的熔覆层性能。该装置有效解决了在单一施加超声场中超声处理作用范围小的不足，以及单一施加电磁场中组织细化效果不明显的缺点。本发明实现了超声振动‑电磁搅拌复合能场对激光熔覆层组织性能的调控，可获得无裂纹孔洞、组织细化、性能优异的熔覆层，具有结构简单、操作方便、成本低廉、适用范围广等特点。

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术，尤其是一种利用激光熔覆技术对材料表面进行激光熔覆处理的方法和装置，具体地说是一种利用超声振动和电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。

背景技术

激光熔覆技术以其热源可控和快速凝固、以及具有结合强度高和组织细化等特点，在航空航天、化工、模具、机械、钢铁等行业得到广泛的应用。但激光熔覆工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括熔覆层内的气孔、裂纹、粗大柱状晶粒等缺陷以及由于激光熔覆过程中急热骤冷而产生的较大残余应力。目前对于这些缺陷的解决主要包括通过添加某些特殊合金元素或稀土氧化物，或通过优化激光熔覆工艺及预热和后热等措施来减轻这些问题，但以上措施对消除激光熔覆层裂纹、孔隙及残余应力没有突破性进展。

针对上述的问题，目前国内外已有学者通过外加物理场来改善金属凝固组织，减少内部缺陷，降低残余应力来提高熔覆层力学性能，其中主要方法有超声振动及电磁搅拌等手段。王维（参见王维，郭鹏飞，张建中等. 中国激光，2013,40（8）：0803004）通过在钛合金基体上添加频率为19.56kHz 的超声振动，进行激光熔覆实验。结果表明，功率的超声振动使得熔覆层的表面平整性良好，内部组织气孔率下降到0.75%，熔覆层晶粒尺寸减小了约42%，片层长度减小了23.9%，但沉积生长方向的堆垛效率降低了36.7%。Wu Dongjiang（Dongjiang Wu ,Minhai Guo, Guangyi Ma etal. Materials Letters, 2015(141):207–209）采用超声辅助激光熔覆YSZ 热障涂层并对其显微组织及稀释率进行了研究，发现在激光熔覆中施加超声振动可以改变涂层截面形貌，细化组织，同时由于超声非线性的影响使得基体与粉末完全混合从而可对稀释率进行控制。但是由于超声声压振幅主要集中在超声探头附近，并且随着距离的增大，超声强度也会随之明显降低；另一方面，超声产生的声流效应可以在熔体中产生对流，但是效果较弱，不能充分搅拌熔体。故在激光熔覆过程中施加单一的超声场并不能取得非常理想的组织调控效果。电磁搅拌是借助电磁力促使金属熔体运动从而改变熔池中熔体的流动，热传导，打碎枝晶，进而细化晶粒，改善微观组织。余小斌（余小斌，刘奋成，林鑫，等.应用激光，2014，34(6)：513-517.）研究了不同磁场强度下旋转磁场辅助激光立体成形镍基高温合金，发现电磁搅拌激光立体成形镍基高温合金仍具有外延连续生长粗大柱状晶特征，但组织致密，无冶金缺陷。由于在激光熔覆过程中电磁搅拌只对液态熔池进行搅拌，而熔覆过程中液态熔池存在的时间非常的短暂，即对熔池的搅拌时间很短，所以对熔覆层的组织细化效果不是非常显著。故在进行超声振动的同时施加电磁搅拌可以有效改善超声处理的作用范围小的不足，促进添加的增强颗粒均匀分布到熔覆层中，改善熔覆层组织成分偏析的现象，同时在电磁搅拌过程中引入超声振动可以弥补电磁搅拌细化效果不明显的缺点。

因此，本发明提出一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。在激光熔覆过程中施加超声振动与电磁搅拌，利用复合能场的协同效应来细化和均匀激光熔覆层组织，改善成份偏析和松弛残余应力、改善熔覆层的裂纹、气孔等缺陷，提高激光熔覆层性能目的。

通过对国内外文献进行检索，当前更多的研究者主要集中于单一的电磁搅拌或超声振动对熔覆层组织性能的影响，而将两者结合在激光熔覆中的应用甚少，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容