一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于表面涂层加工领域，并具体公开了一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置，其首先在待处理工件的表面激光刻蚀出微结构阵列，然后利用超高速激光熔覆技术或超高速激光

【技术实现步骤摘要】
一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置


[0001]本专利技术属于表面涂层加工领域，更具体地，涉及一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置。

技术介绍

[0002]随着现代工业向更快、更精、更高效率方向快速发展，各种机械零部件的服役工况愈加恶劣，由表面磨损、疲劳和腐蚀等表面局部失效行为导致零部件整体报废周期大幅缩短。表面涂层技术，可以在基本不改变基体材料内部组织性能的基础上，在零部件表面熔覆高性能覆层材料，使其整体服役性能显著提高。
[0003]目前，金属材料的常用涂层制备技术主要有电镀、热喷涂、喷焊和激光熔覆等。与其他表面涂层技术相比，激光熔覆技术(LC)具有熔覆层稀释率低、组织结构致密、基材变形小、热影响区小、自动化程度高等优点，因此在金属构件表面强化和修复领域得到广泛应用。然而，传统激光熔覆技术沉积效率偏低、远低于传统堆焊和热喷涂等工艺，导致熔覆层制备成本高；并且传统激光熔覆层沉积厚度大、尺寸精度低、表面搭接痕迹明显、粗糙度大，后续需要大量的机加工工序才能投入使用，使得加工成本增大，尤其是对于表面超薄涂层制备需求，以及硬度较高和机加工性能差的涂层材料，局限性很大。
[0004]为了解决传统激光熔覆技术存在的上述问题，本领域提出了超高速激光熔覆技术，以实现熔覆层的高效率和高精度制备。并且，与传统激光熔覆层对比，超高速激光熔覆层稀释率更低、组织更加精细均匀、硬度和耐蚀性均增大。然而在实际应用时发现超高速激光熔覆制备的熔覆层在服役过程中容易产生开裂及脱落现象，经研究发现其主要原因在于覆层材料和基体材料在物理和力学性能上差异很大，超高速激光熔覆技术中熔覆层“稀释率极低”这一特点使熔覆层和基底的结合面积相对传统激光熔覆技术减小，还使熔覆层和基底之间的过渡层(即基底稀释层)宽度很小，不能有效缓释两者之间的性能差异，进而使得后续服役过程中覆层/基体界面处的应力大，导致熔覆层易产生开裂或脱落现象。
[0005]基于此，本领域有待进一步的研究，以高效率制备高性能涂覆层的同时，提高熔覆层与基体的结合力，进而提高熔覆层抗断裂和抗脱落能力。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置，其通过先激光刻蚀微结构阵列再超高速激光熔覆或超高速激光-感应复合熔覆涂层的方式，实现在金属构件表面制备高性能熔覆层的同时，提高覆层/基底界面结合面积和结合强度，减小覆层/基底界面应力，提高覆层疲劳性能和摩擦磨损性能，避免熔覆层在服役过程中发生断裂和剥落现象。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种高效率制备高性能涂覆层的方法，其首先在待处理工件的表面激光刻蚀出微结构阵列，然后利用超高速激光熔覆或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此实现高
性能涂覆层的高效率制备。
[0008]作为进一步优选的，包括如下步骤：
[0009]S1对待处理工件的表面进行预处理，在预处理后的工件表面激光刻蚀出微结构阵列；
[0010]S2清洗工件表面，利用超高速激光熔覆技术或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此高效率制备与工件表面结合强度高的高性能涂覆层。
[0011]作为进一步优选的，步骤S1中，采用脉冲激光在工件表面实现微结构阵列的激光精密刻蚀。
[0012]作为进一步优选的，激光刻蚀时，激光输出波长为1064nm；激光平均输出功率为20W～1000W，优选为20W～100W；激光脉冲频率为1Hz～10KHz，优选为5Hz～5KHz；激光脉冲宽度为0.05ms～5ms，优选为0.1ms～3ms；激光扫描速度为10mm/s～5000mm/s，优选为10mm/s～500mm/s。
[0013]作为进一步优选的，激光刻蚀时，激光束的扫描路径为点阵、平行线、交叉线或交叉曲线形式，微结构阵列为离散凹坑、线状沟槽、网格状沟槽或交叉曲线状沟槽。
[0014]作为进一步优选的，所述离散凹坑、线状沟槽或网格状沟槽中的各凹坑或沟槽单元的直径或宽度d设计为10μm～1000μm，优选为50μm～1000μm；深度h设计为30μm～1000μm，优选为50μm～500μm；两相邻单元的间距s为1.5d～3d，优选为1.5d～2d。
[0015]作为进一步优选的，步骤S2中，采用超高速激光熔覆工艺进行熔覆层的沉积，沉积时激光束斑与粉末束流在工件上方充分作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，同时部分激光束能量作用于工件的微结构阵列表面形成微熔池，而加热至熔滴或半熔滴态的合金粉末则以液体或半固体形式喷射于微熔池，冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层。
[0016]作为进一步优选的，激光束斑直径为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光功率为1kW～15kW，优选为1kW～8kW；激光加工速度为10m/min-250m/min，优选为20m/min～150m/min；送粉气流量为2L/min～15L/min，优选为5L/min～15L/min；保护气流量为5L/min～25L/min，优选为8L/min～20L/min；送粉量为10g/min～300g/min，优选为20g/min～200g/min；搭接率为40％～90％，优选为60％～80％。
[0017]作为进一步优选的，步骤S2中，采用超高速激光-感应复合熔覆工艺进行熔覆层的沉积，沉积时先通过感应加热对工件表面待熔覆区域进行预热，使其达到预设温度，再利用激光束斑与粉末束流在工件上方的充分作用，将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，同时部分激光束能量作用于工件的微结构阵列表面形成微熔池，加热至熔滴或半熔滴态的合金粉末则以液体或半固体形式喷射于微熔池，冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层。
[0018]作为进一步优选的，激光束斑直径为0.5mm～3mm，优选为1mm～3mm；激光功率为1kW～10kW，优选为2kW～10kW；激光加工速度为10m/min～300m/min，优选为30m/min～200m/min；送粉气流量为5L/min～25L/min，优选为8L/min～15L/min；保护气流量为5L/min～25L/min，优选为8L/min～15L/min；送粉量为10g/min～300g/min，优选为20g/min～300g/min；搭接率为40％～90％，优选为60％～80％；感应加热温度为300℃～800℃，优选为400℃～700℃。
[0019]作为进一步优选的，超高速激光熔覆或超高速激光-感应复合熔覆工艺在工件表
面形成的微熔池深度小于或等于微结构阵列中凹坑或沟槽单元的深度，且熔覆层能够完全填满微结构阵列单元，实现覆层和基底的完全冶金结合，尤其可避免微结构阵列单元内熔覆层与基底界面处的未熔合或气孔夹杂，以保证后续的服役性能。
[0020]按照本专利技术的另一方面，提供了一种高效率制备高性能涂覆层的装置，该装置包括激光刻蚀单元和超高速激光熔覆单元，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，首先在待处理工件的表面采用激光刻蚀出微结构阵列，然后利用超高速激光熔覆技术或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此实现高性能涂覆层的高效率制备。2.如权利要求1所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1对待处理工件的表面进行预处理，在预处理后的工件表面激光刻蚀出微结构阵列；S2清洗工件表面，利用超高速激光熔覆技术或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此高效率制备与工件表面结合强度高的高性能涂覆层。3.如权利要求2所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，步骤S1中，采用准连续激光在工件表面实现微结构阵列的激光精密刻蚀。4.如权利要求2或3所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，激光刻蚀时，激光输出波长为1064nm；激光平均输出功率为20W～1000W，优选为20W～100W；激光脉冲频率为1Hz～10KHz，优选为5Hz～5KHz；激光脉冲宽度为0.05ms～5ms，优选为0.1ms～3ms；激光扫描速度为10mm/s～5000mm/s，优选为10mm/s～500mm/s。5.如权利要求2-4任一项所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，激光刻蚀时，激光束的扫描路径为点阵、平行线、交叉线或者交叉曲线形式，微结构阵列为离散凹坑、线状沟槽、网格状沟槽或交叉曲线状沟槽。6.如权利要求5所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，所述离散凹坑、线状沟槽或网格状沟槽中的各凹坑或沟槽单元的直径或宽度d设计为10μm～1000μm，优选为50μm～1000μm；深度h设计为30μm～1000μm，优选为50μm～500μm；两相邻单元的间距s设计为1.5d～3d，优选为1.5d～2d。7.如权利要求2-6任一项所述的高效率制备高性能涂覆层的方法，其特征在于，步骤S2中，采用超高速激光熔覆工艺进行熔覆层的沉积，沉积时激光束斑与粉末束流在工件上方充分作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，同时部分激光束能量作用于工件的微结构阵列表面形成微熔池，而加热至熔滴或半熔滴态的合金粉末则以液体或半固体形式喷射于微熔池，冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层；优选的，激光束斑直径为0.5mm～5mm，优选为1mm～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，孟丽，王邓志，胡乾午，郭平华，许晓明，魏世星，
申请(专利权)人：武汉飞能达激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：