[发明专利]一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置

说明书

本发明属于表面涂层加工领域，并具体公开了一种超高速激光‑感应复合熔覆方法及装置，其针对作为加工对象的待熔覆工件，在其附近布置用于实现工件预热的感应加热线圈，且通过该感应加热线圈的自身形状及相对于待熔覆工件的空间布置将工件待熔覆区域加热到设定温度；在工件待熔覆区域上方，采用超高速激光熔覆与感应加热方式进行超高速激光‑感应复合熔覆，使得激光束斑与粉末束流在熔覆区域的目标位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池进而制备所需的熔覆层。本发明可在金属构件表面实现各种材料的高精度、高性能、无冶金缺陷的金属熔覆层的超高效沉积。

技术领域

本发明属于表面涂层加工技术领域，更具体地，涉及一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置。

背景技术

作为一种先进的表面涂层技术，激光熔覆可以在金属材料表面制备与基材冶金结合、稀释率低、组织结构致密的高性能覆层，因此在金属构件表面强化和修复领域已经得到广泛的应用。但是，传统的激光熔覆技术(LC)存在以下几个问题：(1)沉积效率偏低、制备成本高；(2)沉积精度虽然相比传统堆焊工艺而言较高，但是与物理气相沉积和化学气相沉积等工艺相比仍然偏低、后续加工成本高，尤其对于表面超薄的耐磨和耐蚀涂层制备需求，以及硬度较高和机加工性能差的涂层材料，局限性较大；(3)熔覆层容易产生冶金缺陷，激光熔覆具有快速加热和快速冷却的特点，熔池温度梯度和冷却速率较大，导致残余应力增大，熔覆层极易出现裂纹和气孔等冶金缺陷，尤其在沉积高硬度和高开裂敏感性材料涂层时具有较大局限性。

为解决上述问题，现有技术中已有一些解决方案。例如，专利文献(公开号CN101125394A)公开了一种自动送粉激光-感应复合熔覆工艺方法及装置，它将激光和感应热源结合起来实现复合加工，不但激光熔覆效率大幅度提高，还能解决焊接性差、开裂敏感性高的合金材料在激光熔覆过程中易开裂难题。然而，激光-感应复合熔覆工艺方法沉积效率仍然偏低，导致成本偏高，在许多应用场合仍不能与传统工艺竞争。此外，激光-感应复合熔覆技术过程中，激光束作用于基体材料表面，使得部分基材和合金粉末同时熔化。随着感应加热使得基板预热温度升高，其对激光束的吸收率不断增大，导致激光-感应复合熔覆层的熔深比单纯激光熔覆层增大，熔覆层稀释率增大。因此，激光-感应复合熔覆在解决熔覆层开裂问题的同时，会在一定程度上牺牲熔覆层的性能。

再如，专利文献(公开号CN111041473A)公开了一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其通过电磁辅助系统结合超高速激光熔覆加工系统，消除熔覆层裂纹和气孔、提高熔覆层表面质量和性能、增加粉末利用率。但是，该方法中的电磁辅助作用需通过安装在工件下方的电磁发生装置和安装在工件上方的激磁线圈协同作用共同实现，由此使得加工过程中的影响因素众多、工序复杂，难以保证熔覆效果和质量。另外，该方法中的电磁装置仅作用于轴类工件表面的局部位置，导致工件表面加热不均匀、在加工过程中需经历频繁的快冷快热循环，造成熔覆层成形质量不稳定。尤其是对于大轴径或大尺寸工件表面开裂敏感性高、加工难度大的材料涂层高速熔覆时，很难保证熔覆层成形质量。

因此，本领域仍需进行探索与研究，以便进一步提升熔覆层的成形质量、沉积效率，拓展熔覆材料范围，从而使得激光熔覆技术在更宽的工业领域得到应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置，它将超高速激光熔覆与感应加热相结合，可在金属构件表面实现高精度、高性能、无冶金缺陷的金属熔覆层超高效沉积，特别适用于壁厚小、易变形薄壁件表面高硬度耐磨涂层的强化和修复。