一种超声微锻强化激光熔丝熔覆层的方法技术

本发明专利技术提出一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，在单一激光熔丝或者传统激光熔覆的基础上，加入了超声微锻造同步辅助工艺，即在一定的超声频率和压力的条件下，使超声微锻造装置与激光器同步进行熔覆层的制备工作，本发明专利技术通过超声微锻的方法，改善了熔覆层组织的不均匀程度，使熔覆层组织更加细化，提高了熔覆层的组织致密性，同时有效的改善了由于快速凝固与冷却环境在熔覆层中引起的残余应力，有效的抑制了熔覆层中裂纹、孔洞等缺陷的产生，并有效的改善了熔覆层的强度。

A Method of Strengthening Laser Fuse Cladding Layer by Ultrasound Micro-forging

The invention provides a method for strengthening laser cladding layer by ultrasonic micro-forging. On the basis of single laser fuse or traditional laser cladding, a synchronous assistant process of ultrasonic micro-forging is added, that is, under certain ultrasonic frequency and pressure, the ultrasonic micro-forging device and the laser are synchronized to prepare the cladding layer. The invention is modified by the method of ultrasonic micro-forging. The non-uniformity of the cladding layer structure is improved, the structure of the cladding layer is refined, and the compactness of the cladding layer is improved. At the same time, the residual stress caused by rapid solidification and cooling environment in the cladding layer is effectively improved, the generation of cracks, holes and other defects in the cladding layer is effectively restrained, and the strength of the cladding layer is effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
一种超声微锻强化激光熔丝熔覆层的方法
本专利技术涉及增材制造
，特别涉及一种超声微锻强化激光熔丝熔覆层的方法。
技术介绍
激光增材制造技术是一种新型制造技术，与传统的制造技术相比，激光增材制造技术可制造出传统制造技术难以胜任的复杂结构零件，并且可简化加工工序，快速成型，提高生产效率，缩短生产周期，并且制造的零件组织细密均匀，性能优异，是复杂结构件快速成型的首选技术。而在激光增材制造领域，主要有两种方式，粉末增材制造以及丝材增材制造(即激光熔丝)，相比于粉末增材制造，丝材增材制造具有成本低、材料利用率高、熔覆效率高等特点，是一种极具潜力的增材制造技术。在激光熔丝增材制造过程中，由于激光能量分布不均匀，材料融化凝固速度快等原因，容易导致熔池温度梯度大，温度场分布不均匀，从而引起凝固的组织分布不均匀，且容易产生残余拉应力。因此，在激光熔丝增材制造过程中，裂纹以及孔洞是常见的材料缺陷，直接影响到零件的物理性能及其可靠性。可见，如何抑制或者减少材料缺陷是增材制造领域的关键技术问题。目前，用于抑制或减少激光熔丝过程中常见的裂纹和孔洞的工艺途径是优化工艺参数，并进行后续热处理如优化退火工艺等，该方法对于熔丝过程的残余应力有一定改善，但对已经产生的裂纹却无法补救。此外，熔丝制造后续的超声冲击也是常用的减小残余应力的方法，但其作用深度有限，同样无法补救已经产生的微裂纹。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种超声微锻强化激光熔丝熔覆层的方法，通过超声微锻的方法，改善了熔覆层组织的不均匀程度，使熔覆层组织更加细化，提高了熔覆层的组织致密性，同时有效的改善了由于快速凝固与冷却环境在熔覆层中引起的残余应力，有效的抑制了熔覆层中裂纹、孔洞等缺陷的产生，并有效的改善了熔覆层的强度。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提出了一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，包括以下步骤：S1、在铣床上对金属基板的待熔覆面进行打磨，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的金属基板进行清洗，得到待熔覆面平整的金属基板；S2、将磨削好后的金属基板固定在数控机床工作台上，并将合金丝材装入送丝机中；S3、开启激光器，将激光器的激光头以及送丝机的送丝头移动到金属基板的熔覆开始点处，控制送丝机的送丝速度，使激光器在一定的激光功率、扫描速度、光斑直径以及搭接率的条件下在金属基板上进行熔覆层的制备工作；S4、开启超声微锻造装置，在一定的超声频率和压力的条件下，使超声微锻造装置与激光器同步进行熔覆层的制备工作，直至完成熔覆层的熔覆过程，并得到一定厚度的熔覆层。优选的，所述金属基板的材质为45#钢。优选的，所述合金丝材为GH3039镍基高温合金丝材。优选的，所述合金丝材的直径为1mm。优选的，所述激光器为光纤激光器。更优选的，所述激光器的型号为YLS-4000。优选的，所述送丝机的送丝速度20mm/s。优选的，所述激光器的激光功率为1600W，扫描速度为4mm/s，光斑直径为2.5mm，搭接率为30％。优选的，所述超声微锻造装置的超声频率为20KHz，压力为500N。优选的，S4步骤中所述的熔覆层的厚度为4.5mm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，在单一激光熔丝或者传统激光熔覆的基础上，加入了超声微锻造同步辅助工艺，改善了熔覆层组织的不均匀程度，使熔覆层组织更加细化，提高了熔覆层的组织致密性，同时有效的改善了由于快速凝固与冷却环境在熔覆层中引起的残余应力，有效的抑制了熔覆层中裂纹、孔洞等缺陷的产生，并有效的改善了熔覆层的强度，从而大大提高了熔覆层的性能，在航空航天领域有着巨大的潜在应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例和对比例中的熔覆层在不同深度下的显微硬度。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例：本实施例提出了一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，包括以下步骤：S1、在铣床(型号为XF736)上对材质为45#钢的金属基板的待熔覆面进行打磨，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的金属基板进行清洗，得到待熔覆面平整的金属基板；S2、将磨削好后的金属基板固定在数控机床(型号为SLC-2025D)工作台上，并将GH3039镍基高温合金丝材装入送丝机(型号为MillerS-74S)中，该合金丝材的直径为1mm；S3、开启光纤激光器(型号为YLS-4000)，将激光器的激光头以及送丝机的送丝头移动到金属基板的熔覆开始点处，将送丝机的送丝速度调整为20mm/s，使激光器在激光功率为1600W，扫描速度为4mm/s，光斑直径为2.5mm，搭接率为30％的条件下在金属基板上进行熔覆层的制备工作；S4、开启超声微锻造装置(Hy2050型超声冲击设备)，在超声频率为20KHz，压力为500N的条件下，使超声微锻造装置与激光器同步进行熔覆层的制备工作，直至完成熔覆层的熔覆过程，并得到厚度为4.5mm的熔覆层。对比例：对比例为常规的激光熔丝熔覆层的制备方法，包括以下步骤：S1、在铣床上对材质为45#钢的金属基板的待熔覆面进行打磨，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的金属基板进行清洗，得到待熔覆面平整的金属基板；S2、将磨削好后的金属基板固定在数控机床工作台上，并将GH3039镍基高温合金丝材装入送丝机中，该合金丝材的直径为1mm；S3、开启激光器，将激光器的激光头以及送丝机的送丝头移动到金属基板的熔覆开始点处，将送丝机的送丝速度调整为20mm/s，使激光器在激光功率为1600W，扫描速度为4mm/s，光斑直径为2.5mm，搭接率为30％的条件下在金属基板上进行熔覆层的制备工作，直至完成熔覆层的熔覆过程，并得到厚度为4.5mm的熔覆层。性能测试：为验证本专利技术的技术效果，以实施例和对比例中所制备得到的熔覆层为测试对象，对它们的微观组织、残余应力、孔洞率和显微硬度进行研究分析：(1)微观组织观察：采用蔡司显微镜与荷兰FEIQuanta200扫描电子显微镜分别观察实施例和对比例中的熔覆层的微观组织，结果发现，与对比例相比，实施例中的熔覆层均匀性更好，组织晶粒度更小，组织更加细化，致密性更好。(2)残余应力的测量：采用MSF-2MX型射线应力测定仪分别测量实施例和对比例中的熔覆层的残余应力，结果表明，实施例中的熔覆层的残余应力约为300MPa，而对比例中的熔覆层的残余应力约为-110MPa，可见，加入超声微锻造以后，可以有效的改善由于快速凝固与冷却环境在熔覆层中引起的残余应力。(3)孔洞率：采用电子显微镜和裂缝综合检测仪分别对实施例和对比例中的熔覆层的直径进行测量，并计算它们的孔洞平均直径(μm)和孔洞占比(％)，结果表明(图1)，实施例中的熔覆层的孔洞平均直径(μm)和孔洞占比(％)分别为258.23μm和3.2％，而对比例中的熔覆层的孔洞平均直径(μm)和孔洞占比(％)分别为798μm和9.0％，可见，加入超声微锻造以后，可以有效的抑制了熔覆层中裂纹、孔洞等缺陷的产生，表1实施例和对比例中的熔覆层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在铣床上对金属基板的待熔覆面进行打磨，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的金属基板进行清洗，得到待熔覆面平整的金属基板；S2、将磨削好后的金属基板固定在数控机床工作台上，并将合金丝材装入送丝机中；S3、开启激光器，将激光器的激光头以及送丝机的送丝头移动到金属基板的熔覆开始点处，控制送丝机的送丝速度，使激光器在一定的激光功率、扫描速度、光斑直径以及搭接率的条件下在金属基板上进行熔覆层的制备工作；S4、开启超声微锻造装置，在一定的超声频率和压力的条件下，使超声微锻造装置与激光器同步进行熔覆层的制备工作，直至完成熔覆层的熔覆过程，并得到一定厚度的熔覆层。

【技术特征摘要】
1.一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在铣床上对金属基板的待熔覆面进行打磨，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的金属基板进行清洗，得到待熔覆面平整的金属基板；S2、将磨削好后的金属基板固定在数控机床工作台上，并将合金丝材装入送丝机中；S3、开启激光器，将激光器的激光头以及送丝机的送丝头移动到金属基板的熔覆开始点处，控制送丝机的送丝速度，使激光器在一定的激光功率、扫描速度、光斑直径以及搭接率的条件下在金属基板上进行熔覆层的制备工作；S4、开启超声微锻造装置，在一定的超声频率和压力的条件下，使超声微锻造装置与激光器同步进行熔覆层的制备工作，直至完成熔覆层的熔覆过程，并得到一定厚度的熔覆层。2.根据权利要求1所述的一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，其特征在于：所述金属基板的材质为45#钢。3.根据权利要求1所述的一种超声微锻造强化激光熔丝熔覆层的方法，其特征在于：所述合金丝材为GH3039镍基高温合金丝...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，吴云鹏，郭步高，叶寒，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36