[发明专利]一种减少熔覆层裂纹的脉冲电场-行波磁场复合方法

说明书

一种减少熔覆层裂纹的脉冲电场‑行波磁场复合方法，该方法所用装置包括：激光熔覆数控装置、行波磁场装置和正负脉冲电场装置。在熔覆过程中对熔池施加行波磁场，使熔池中非磁性粒子及带电荷少的粒子在外加电流作用下，其带电荷量增多。这些液态金属粒子在外加随动行波磁场中，受到洛伦兹力显著增强，对熔池搅拌作用增强，使枝晶受到流体冲刷、破碎等作用增加，晶粒尺寸得以减小，细晶强化效果明显，气孔、夹杂、成分偏析等缺陷减少，熔覆层裂纹产生机率变小。该复合装置有效解决了非磁性及带电荷少粒子在电磁场中受到洛伦兹力小，磁场对熔池电磁搅拌作用小的问题。

技术领域

本发明是通过对液态熔池施加正负脉冲电流而增强行波磁场对熔池强烈搅拌效果的复合装置，可大幅度改善熔覆质量，减少熔覆层缺陷（如气孔、夹杂、裂纹等）的产生，属于材料表面改性领域。

背景技术

激光熔覆技术及3D打印技术是近年来在工业上快速发展的新技术。二者的共同点都是利用高密度激光束，通过短时间辐照在激光束焦点附近的粉末，将其与基材上表面部分熔化并快速冷却，可在塑韧性较好的基材上得到强度硬度较高、耐磨性极好的合金熔覆层。由于基材与待熔覆粉末的线膨胀系数、弹性模量等理化参数差别很大，在熔池快速冷却时，二者之间产生的热应力极大，极易产生裂纹、空洞、气孔等缺陷，这些缺陷已严重影响到熔覆质量，进而阻碍激光熔覆及3D打印技术的发展。

针对熔覆层尤其是高硬熔覆层易产生裂纹的问题，各国研究者进行了大量的研究，由于激光熔覆快速加热及冷却的特点，对熔池无接触的电磁搅拌成为近年来提高熔覆层质量的有效手段。在外加的电磁场中，由液态金属粒子流动产生的洛伦兹力受熔池液体流动速度、液态金属粒子的荷电状态、熔池存在时间较短等因素的影响，单靠电磁场磁感应强度的提高，较难实现对熔池充分的电磁搅拌。

针对传统金属构件裂纹止裂的研究，燕山大学付宇明团队对含有裂纹的金属构件进行脉冲放电止裂，裂纹尖端由于电流的绕流热集中效应，在瞬间使裂尖熔化形成焊口，使裂纹尖端钝化，不再扩展，起到裂纹止裂作用；王亮（参见王亮,范学燚,骆良顺等.稀有金属材料与工程,2016,45（12）:3177-3180）通过对ZL205A合金的金属液施加行波磁场，在冷却凝固后，将制成的试件与未加磁场的试件相比，微观组织和力学性能均有较大程度的改善，但该方法对于行波磁场装置的形式及具体考虑的磁场工艺参数并未涉及过多。

与交变磁场、旋转磁场相比，行波磁场不需将电磁铁或永磁铁相对于熔池成环形布置或对称布置，结构简单易行，液态熔池粒子在外加磁场中受到的洛伦兹力可使粒子强迫流动、搅拌熔池进而破碎枝晶等作用，可显著改善激光熔覆层质量，但熔池处于液态时间较短，使外磁场所起作用有限。

因此，本发明提出一种正负脉冲电场与行波磁场结合起来的方法，将二者同时作用于激光熔覆过程中的熔池，增加熔池粒子电荷量，进而引起熔池粒子运动的增强，在电场和磁场的共同作用下，使熔池中由电磁力驱动金属熔体产生的强制对流搅拌效应可破碎枝晶，增加非自发形核晶核的数目、延长气泡逸出时间等，最终获得组织细化、裂纹气孔少等的优良熔覆层。与仅加载行波磁场相比，正负脉冲可增强液态熔池的金属粒子的带电能力及双向流动能力，进而增强电磁力的作用效果。

通过对国内外文献进行检索，当前研究者主要集中于对焊接或激光熔覆加磁场或电场，但并未考虑到激光熔覆特有的熔覆速度快、熔池存在时间短等特点。为了改善激光熔覆各辅助方法的缺点，特提出二者的结合方法，经检索，该方法为本发明首次提出。

发明内容

本发明针对行波磁场对液态熔池作用时间短的缺点，利用正负脉冲电源装置对熔池施加正负脉冲电流，将二者进行复合，通过电磁力引起熔池大强度强制双向流动、破碎枝晶等，减少气孔、夹杂、成分偏析、粗大枝晶等缺陷的产生，大大缓解应力集中等，进而减少裂纹产生的概率。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

1、本发明的正负脉冲电场-行波磁场复合装置