[发明专利]一种采用激光熔覆制备超细等轴晶涂层的方法及装置

说明书

本发明提供了一种激光熔覆制备超细等轴晶涂层的方法及装置，属于激光特种加工领域。在激光表面改性中同时施加电场、磁场和超声场来制备超细等轴晶金属涂层的方法，具体为在改性材料的底部施加向上的超声场，同时在熔池内部施加电场、磁场，产生电磁搅拌作用，实现稳定调控熔池内温度梯度，增加形核质点，从而制备出超细等轴晶涂层。本发明方法制备超细等轴晶涂层工艺简单、清洁环保、稳定可靠，生产成本低，在金属涂层制备领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于激光表面改性特种加工领域，具体为多物理场辅助激光表面改性制备超细等轴晶涂层的涂层，具体涉及一种采用激光熔覆制备超细等轴晶涂层的方法及装置。

背景技术

在激光表面改性以及增材过程中，具有“极热骤冷”的特点，在熔池内部温度梯度极大，内部形核质点较少，极易产生粗大的柱状晶，粗大的柱状晶具有显著的外延式生长特点，而粗大的柱状晶极易产生应力集中，为裂纹扩展提供了可能性，同时也会造成材料各向异性,目前针对抑制粗大柱状晶的手段还比较有限。

国外的Todaro在2019年已通过超声辅助激光3D打印Ti合金的方法，已经制备出全等轴晶的Ti合金材料。而Bermingham也通过在增材过程中添加稀土La₂O₃的方法，抑制了在增材过程中的柱状晶的生长，制备出等轴晶的Ti合金材料。在激光增材或者表面改性中，还没有相关超细等轴晶材料的制备方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光熔覆制备超细等轴晶涂层的方法及装置，具体为采用多物理场辅助激光表面改性，以解决现有激光增材中材料组织为粗大的柱状晶以及等轴晶等技术问题，制备出超细等轴晶的涂层。

本发明的具体技术方案如下：

一种激光熔覆制备超细等轴晶涂层的方法，其特征在于，在激光熔覆的过程中，同时施加电场、磁场和超声场；所述超声振动方向为竖直方向，且工件固定于超声变幅杆的端部，超声变幅杆与样品之间采用绝缘性良好的材料进行绝缘；工件通过铜牌与电源连接构成闭合回路，使工件内部通电，将电场施加在工件上、且电场方向和熔覆方向平行；所述磁场通过在工件两端放置磁场发生装置来获得磁场，使所产生的磁场的磁感线为水平方向，并与电流方向垂直，磁场的强度通过磁隙间距和调整磁场发生装置产生磁场强度来调节。

优选的，在熔覆开始前20-30s同时施加电场、磁场和超声场，以保证在熔覆过程中电磁超声等参数的稳定，实现电磁超声协同作用下进行激光表面改性。

优选的，所采用的电场参数范围为300-900A，1-3V；所施加磁场强度为0.08-0.32T。

优选的，所采用的超声振动参数为：功率为80-240W，振幅为8-24μm，振动频率为20-24kHz。

优选的，所述采用的激光器为YLS-2000-TR激光器，激光功率为1000-1500W；所采用的送粉器为NCL-PF2双筒自动送粉器，采用氩气进行送粉，氩气流量为5-15L/min，送粉量为10-30g/min。

优选的，所述熔覆所采用粉末为Inconel718粉末，粒径为50-150μm，使用前进行烘干处理。

优选的，采用的激光扫描速率为400-600mm/min。

优选的，采用的光斑直径为2mm，搭接率为50％。

用于所述激光熔覆制备超细等轴晶涂层方法的装置，其特征在于，主要包括激光增材系统1、超声振动系统2、电场系统10、磁场发生装置8，所述磁场发生装置分别位于待处理工件3工位的两端，超声振动系统2置于所述工位的下部，电场系统10包括电源，所述电源通过铜牌5与待处理工件3连接构成闭合回路。此外，超声振动系统2与样品夹具6之间采用陶瓷件7进行绝缘保护。

优选的，所述超声振动系统2的变幅杆的端部与陶瓷绝缘件7的螺孔连接；样品夹具6与陶瓷件7通过螺栓连接。