一種激光熔凝工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光熔凝工藝。
【背景技術】
[0002]激光是20世紀60年代一項重大科學成果，它不僅在光學領域開辟了一個新紀元，而且也促進了其他科學領域的發展。60年代，在機械工程領域，激光除了作為非接觸測量或準直工具外，作為材料的一種特種加工手段，如集成電路的焊接、金剛石的打孔、陶瓷和硬質合金的切割以及核反應堆堆芯零部件的打孔、切割等，解決了許多關鍵性的技術問題，稱“激光加工”的第一代。70年代開始，由于激光技術的發展和千瓦級大型激光器的研制成功，人們研究激光和材料的相互作用，在改善零件表面的結構和性能方面，取得了可喜的成果，稱“激光加工〃的第二代。
[0003]目前，激光表面工程已發展成為材料工程學科的重要方向之?，被譽為光加工時代的一個標志性技術，各國(尤其是發達國家)均予以重點發展。我國是80年代初開始研究激光表面技術的，二十多年來，已取得了一些重要成果。隨著我國制造業的崛起和發展，激光表面工程的市場需求正在快速增長，雖然激光加工目前還是一種成本較高的加工方式，但其優異的性能價格比使其越來越成為許多重要、關鍵零部件的表面改性方式，人們認識到它的良好前景并在各行各業積極開展應用研究。
[0004]激光是一種原子系統在受激輻射放大過程中產生的具有高亮度的相干光。與普通光相比，激光具有極高單色性、空間相干性、方向性和高能量密度。其中激光束的空間相干性和方向對它的聚焦性能有重要影響。激光表現出良好的聚焦特性，聚焦后的激光在焦點附近可以達到107 — 1012w/cm以上的能量密度，產生數千度乃至上萬度的高溫，可以熔化和汽化任何材料，從而實現各種加工。與傳統加工方法相比，有以下特點:
[0005]1.激光能量密度高，可以在瞬間熔化和汽化任何材料，實現各種金屬和非金屬的加工，包括各種難熔材料和高導熱性材料。
[0006]2.激光加工為非接觸加工，與被加工工件之間沒有力的作用，不存在刀具的磨損，可以加工脆性材料和高硬度材料。
[0007]3.激光束易于聚焦和成型，根據需要可以任意改變光斑形狀、大小和能量密度，實現材料的表面改性。
[0008]4.激光束的導向和能量傳遞方便快捷，與光傳輸數控系統配合，可以實現高度自動化的三維柔性加工。
[0009]5.激光與被加工材料之間的相互作用可以精確控制，加工質量高。
[0010]6.激光加工節省能源，不產生環境污染，是一種綠色制造技術。
[0011]材料的表面狀態對耐蝕性能有很大影響。通過表面加工處理在不銹鋼的表面形成更耐腐蝕的表層，使其能經受苛刻的使用環境，可延長使用壽命，提高工作可靠性。對不銹鋼進行激光表面加工，改變其性能的研究，主要依據其應用環境，目的大多是為了提高抗蝕性。國內外學者己作過一些研究，如激光熔覆曲、激光沖擊強化、激光表面合金化、離子注入和等離子滲氮。不同的方法各有其特點，其中研究較為熱門的是激光熔覆，但由于迄今采用的涂覆材料大多為傳統熱噴涂用Fe、N1、co基合金粉末，顆粒粗細以“目”計算，使激光高能量密度的作用未充分發揮，激光熔覆層或合金化層的開裂敏感性及與基體結合力仍然是困擾著國內外研究者的一個難題，也是工程應用及產業化的障礙。而激光熔凝是一種可控性極強的凝固技術，在改善材料的耐磨、耐腐蝕性能方面有明顯的效果，愈來愈受到重視。
[0012]隨著現代核能技術的發展，不銹鋼除了用量在不斷增加外，對不銹鋼的耐蝕性要求也越來越高，人們期盼這類材料在腐蝕性介質中、惡劣工況條件下的耐蝕能力進一步提高。近年來，納米材料及應用技術獲得了引人注目的發展。由于納米材料的小尺寸效應和表面效應，已經發現:納米微粒的熔點、開始燒結溫度和晶化溫度比常規粉體低很多；顆粒小，界面多，為原子短程擴散提供了途徑，因此納米材料的固溶擴散能力提高。最近，張光鈞等在不銹鋼基體上采用激光制備鎳基納米碳化鎢復合鍍層，得到了一些獨特的實驗結果，材料的性能大幅度提高。這是由于激光快速熔凝及納米材料的“納米效應”的綜合作用所致。無疑，嫁接納米技術的激光熔凝將是未來的發展方向。激光與其它表面處理技術相結合的復合表面工程也是非常好的思路。
[0013]激光熔凝是材料表面熔融強化技術的一種重要方法，也稱激光熔化淬火。它是將激光束加熱工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔層凝固，獲得較為細化均勻的組織和所需性質的表面改性技術。
[0014]主要特點有:
[0015]1.表面熔化時一般不添加任何合金元素，熔凝層與材料基體是天然的冶金結合。
[0016]2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質和氣體，同時急冷重結晶獲得的組織有較高的硬度、耐磨性和抗蝕性。
[0017]3.其熔層薄，熱作用區小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可以不再進行后續磨光而直接使用。
[0018]文獻報道，中國工程物理研究所，為提高不銹鋼在介質中耐晶間腐蝕能力，利用激光快速熔凝處理和用Nb激光表面合金化等手段改變了不銹鋼的組織結構，使其耐腐蝕的能力明顯增強，在用Nb激光表面合金化的部分樣品中，還發現了無序結構。核工程結構中常用的材料鈦合金表面進行激光重熔，熔區微觀結構由單相組織轉變成針狀馬氏體組織，且隨著處理參數的改變在試樣表面生成了不同的鈦氧化物，從而增強了鈦合金的抗蝕性能。Mudali等采用激光表面熔凝處理在改善不銹鋼的點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等方面也取得了較好的效果。此外，廣泛用來制造蒸汽渦輪葉片、水壓機閥等零件的馬氏體不銹鋼，由于受水的不斷沖刷，要求表面具有一定的耐蝕性、耐磨性和疲勞強度等，因而需要表面具有較高的硬度、均勻的組織等。蔡偉平等對該鋼表面激光熔凝的組織特性進行了研究。結果表明，經激光照射后，熔化層近乎無擴散凝固，致使凝固成分均勻分布。國內的一些學者，對T10、Crl2、2Crl3、CrffMn, HT200灰口鑄鐵、不銹鋼也作了激光熔凝處理的試驗研究，結果表明，激光溶凝能產生很好的硬化效果，有助于提高耐磨性，對于不銹鋼，主要是抗晶間腐蝕的能力明顯增強。
[0019]目前，這些研究主要是針對基體材料，在不同的應用環境中進行試驗。不銹鋼焊接接頭上進行激光處理的研究開展不多，少見激光熔凝凝焊接接頭的報道。
【發明內容】
[0020]本發明的目的在于提出一種激光熔凝工藝。
[0021]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0022]一種激光熔凝工藝，通過對合金鋼的預處理以后，采用激光束將基材加熱到熔化溫度以上，以獲取合金鋼的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度較低，適合進一步加工，包括:合金鋼的預處理一一選擇合適的激光器參數，包括功率、光斑直徑等一一確定激光掃描路徑和速度一一檢測激光熔凝效果。預處理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器功率為
Ikff--4KW，離焦量為-0.5mm---2mm，激光掃描速度為10mm/s--30mm/s，保護氣體流量為4L/min——5L/min，須確保激光器的功率密度達到基體的熔點。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]一種激光熔凝工藝，通過對合金鋼的預處理以后，采用激光束將基材加熱到熔化溫度以上，以獲取合金鋼的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度較低，適合進一步加工，包括:合金鋼的預處理一一選擇合適的激光器參數，包括功率、光斑直徑等一一確定激光掃描路徑和速度一一檢測激光熔凝效果。合金鋼采用30CrMnSi，預處理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器采用多模連續二氧化碳激光器，激光器功率為2.5kW，離焦量為-0.5mm,激光掃描速度為lOmm/s，保護氣體為氬氣，流量為4L/min——5L/min，須確保激光器的功率密度達到基體的恪點，硬化深度為1.3mm。
[0025]實施例2
[0026]一種激光熔凝工藝，通過對合金鋼的預處理以后，采用激光束將基材加熱到熔化溫度以上，以獲取合金鋼的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度較低，適合進一步加工，包括:合金鋼的預處理一一選擇合適的激光器參數，包括功率、光斑直徑等一一確定激光掃描路徑和速度——檢測激光熔凝效果。合金鋼采用lCrl8Ni9Si，為長方體形狀，厚度為5mm，預處理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器采用多模連續二氧化碳激光器，激光器功率為2kW，離焦量為-0.5mm，激光掃描速度為10mm/s，保護氣體為氬氣，流量為2.5L/min，光斑直徑為3mm,須確保激光器的功率密度達到基體的熔點，硬化深度為0.9mm，熔凝層的最高硬度為300HV。
【主權項】
1.一種激光熔凝工藝，其特征在于通過對合金鋼的預處理以后，采用激光束將基材加熱到熔化溫度以上，以獲取合金鋼的高硬度和高耐磨性，并且表面硬度較低，適合進一步加工，包括:合金鋼的預處理一一選擇合適的激光器參數，包括功率、光斑直徑等一一確定激光掃描路徑和速度一一檢測激光熔凝效果。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的預處理包括除油、水洗、酸洗和氧化。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器功率為lkW—一4KW，離焦量為-0.5mm---2mm，激光掃描速度為10mm/s--30mm/s，保護氣體流量為4L/min--5L/min，須確保激光器的功率密度達到基體的熔點。
【專利摘要】本發明公開了一種激光熔凝工藝，通過對合金鋼的預處理以后，采用激光束將基材加熱到熔化溫度以上，以獲取合金鋼的高硬度和高耐磨性，包括：合金鋼的預處理—選擇合適的激光器參數，包括功率、光斑直徑等—確定激光掃描路徑和速度—檢測激光熔凝效果。預處理包括除油、水洗、酸洗和氧化。激光器功率為1kW—4KW，離焦量為-0.5mm—-2mm，激光掃描速度為10mm/s—30mm/s，保護氣體流量為4L/min—5L/min，須確保激光器的功率密度達到基體的熔點。該發明可以獲得極高的表面硬度、抗腐蝕性和耐磨性，并且表層的硬度較低，便于對合金鋼進行進一步的深加工，減小加工難度。
【IPC分類】C21D1/09
【公開號】CN105349735
【申請號】CN201510677749
【發明人】唐靖嵐
【申請人】無錫清楊機械制造有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月19日