[发明专利]双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法

说明书

本发明提供一种双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法，包括：在金属工件表面利用超高速熔覆连续激光束对金属粉材进行超高速熔覆，当熔覆金属的温度达到锻造温度时，利用锻打短脉冲激光束直接作用在锻造温度范围内的熔覆金属表面，利用冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的熔覆层进行冲击锻造；通过所述超高速熔覆连续激光束和所述锻打短脉冲激光束协调地逐层堆叠实现超高速熔覆。本发明充分利用了热效应和冲击波力学效应，实现了短流程同步耦合加工，锻打光束使每一层熔覆涂层晶粒细化，能够提高熔覆涂层的强度和塑性以及晶粒尺寸的均匀性，降低应力集中，解决超薄熔覆层易产生裂纹问题。

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体地，涉及一种双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法。

背景技术

激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的功能涂层，能够有效地改善和增强基体的表面特性，使零件表面硬度、耐磨性和耐蚀性等性能全面提升，具有广阔的应用前景。

煤机行业中的液压支架、海洋平台立柱等轴类构件长期服役于恶劣的工况环境，工件表面在腐蚀环境的作用下容易遭受腐蚀破坏，导致整个轴类构件的报废失效，极大地浪费了材料，增加了生产成本。工业生产中，为了节约成本以及提高零件的工作时间，通常采用表面改性的方式提高零件的服役性能。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆、电镀以及热喷涂三种方式。其中激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，该工艺无废液或其他有害物质产生，可以大幅降低对环境的污染。

超高速激光熔覆作为一项新兴的表面改性技术，其超高的熔覆线速度导致涂层制备过程中的冷却速度、涂层组织结构都明显区别于传统激光熔覆技术。超高速激光熔覆技术的熔覆线速度可以达到15～200m/min，远高于传统激光熔覆0.1～7m/min的熔覆线速度。在超高的熔覆线速度基础上，让激光在零件表面上方直接加热粉末，使得粉末在空间熔化后再落入零件表面上，涂层的热输入可以低至2.2J/mm，涂层的制备效率可以高达1.2m2/min以上。其加工效率比常规激光熔覆技术提高2～3倍，同时粉末的利用率大大提升，达到90％以上。由于粉末吸收了激光的大部分能量，基体获得的能量较少，在保证形成浅而薄熔池的同时，也使得超高速激光熔覆涂层的稀释率极小，仅为不到1％。因此，采用超高速激光熔覆技术可以制备超薄且质量很高的保护涂层。通过调节熔覆线速度、送粉速度等工艺参数，超高速激光熔覆涂层的厚度基本可以控制在25～200μm之间，并且涂层表面具有很好的光洁度(Rz10)。在实际应用时，仅需要简单的磨削与抛光即可投入使用。目前，超高速激光熔覆被认为使电镀工艺的最佳替代技术而受到广泛关注，提供一种超高速激光熔覆的表面改性技术具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法。

根据本发明的一个方面，提供一种双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法，包括：

S1，在金属工件表面利用超高速熔覆连续激光束对金属粉材进行超高速熔覆；

S2，当熔覆金属的温度达到锻造温度时，利用锻打短脉冲激光束直接作用在锻造温度范围内的熔覆金属表面，利用冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的熔覆层进行冲击锻造；

通过所述超高速熔覆连续激光束和所述锻打短脉冲激光束协调地逐层堆叠实现超高速熔覆。

进一步地，所述超高速熔覆连续激光束与所述锻打短脉冲激光束之间形成闭环耦合控制。

进一步地，所述超高速熔覆连续激光束和所述锻打短脉冲激光束的工艺参数均实行在线检测和控制。

进一步地，熔覆层的高度和宽度根据送粉量、熔覆线速度、焦点位置和保护气流量确定。

进一步地，所述锻打短脉冲激光束的脉冲宽度根据熔覆层高度确定，确保每一层获得充分锻打。