一种同轴交变磁场辅助激光熔覆制备涂层的方法与流程

本发明涉及激光熔覆，具体为一种同轴交变磁场辅助激光熔覆制备涂层的方法。

背景技术：

1、在激光熔覆制备陶瓷金属涂层的过程中，激光光束具有快速加热和快速冷却的特性。激光光束作用区域的温度梯度大，在金属熔池凝固冷却阶段会积累残余拉应力。残余拉应力超过材料断裂强度会诱发贯穿性冷裂纹。为了消除冷裂纹，常规加工工艺采用感应加热装置对待加工基体进行预热处理。

2、预先加热待加工基体的操作延长了液态金属熔池的持续时间。长时间的高温状态增加了待加工基体内部铁元素向上溶解进入金属熔池的数量，造成铁元素在金属熔池内部产生热稀释偏析缺陷，降低了熔覆涂层内部元素的均质化程度。延长的凝固冷却时间促使金属熔池内部生成粗大柱状枝晶，破坏了熔覆涂层的微观组织强化效果。

3、液态金属熔池持续时间的延长使得碳化铬颗粒长时间暴露在高温液态环境中。碳化铬在高温液态环境中发生相变脱碳行为，碳化铬分解并生成低碳碳化物和游离碳。低碳碳化物的硬度低于原始碳化铬的硬度。碳化铬的分解反应降低了熔覆涂层内部高硬度相的保留数量，削弱了熔覆涂层的耐磨性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种同轴交变磁场辅助激光熔覆制备涂层的方法，解决了纯激光熔覆过程中极易产生热应力冷裂纹，和单纯采用感应加热导致熔池内元素严重热稀释偏析、枝晶粗化和碳化物发生严重脱碳分解的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种同轴交变磁场辅助激光熔覆制备涂层的方法，包括以下步骤：

4、将cr3c2粉末与nicr粉末输入混粉机中进行混合得到混合后的材料，把所述混合后的材料通过网筛进行筛选，得到混合物料；

5、采用砂纸对待熔覆的45#钢基体的加工表面进行打磨，并使用无水乙醇清洗，得到去除了氧化层和油污的45#钢基体；

6、操作感应加热设备对所述去除了氧化层和油污的45#钢基体进行加热并保温；

7、开启同轴交变磁场发生装置和激光加工设备，采用同轴交变磁场发生装置在激光熔覆位置产生磁场轴线与激光束轴线共轴对齐的交变磁场，通入保护气，采用载气将混合物料同轴输送至交变磁场内，并采用激光加工设备在去除了氧化层和油污的45#钢基体表面进行激光熔化形成金属熔池；

8、把包含所述金属熔池的所述45#钢基体放置于空气环境中进行冷却降温，生成同轴交变磁场辅助激光熔覆制备的涂层。

9、通过采用上述技术方案，由于采用感应加热设备对45#钢基体进行加热并保温，减小了固液界面温度梯度，降低了残余热应力，避免了冷裂纹的产生；同时由于采用同轴交变磁场发生装置在激光熔覆位置产生交变磁场，交变磁场作用于高温导电液态金属熔池产生交变洛伦兹力，驱动金属熔池产生强制涡旋对流，实现了微观组织的细晶强化，并且调控了元素均质化分布与相变演变，抑制了碳化物的高温脱碳分解。因此，获得无宏观裂纹、元素分布均匀且具有高硬度碳化物保留率的熔覆涂层效果。

10、常规加热导致基体铁元素热溶解进入熔池，形成热稀释偏析。交变磁场在液态金属熔池内部产生空间对称的交变洛伦兹力，形成旋转式强制涡旋对流。强制涡旋对流的流速大于自然对流，打破了元素沿温度梯度的定向扩散。铁元素、铬元素和镍元素在三维空间内进行充分混合，减小了局部热点区域的溶质聚集，实现了涂层内部元素的均质化分布。

11、碳化铬在高温液态环境中存在自发脱碳分解趋势，发生脱碳反应生成低碳碳化物和游离碳。一方面，强制涡旋对流提升了金属熔池内部的传质速率。金属熔池局部高温过热点区域的液态金属快速流离，与低温边缘区域的液态金属发生替换。强制涡旋对流引发的液态金属替换过程缩短了碳化铬颗粒在高温脱碳区的滞留时间。另一方面，元素均质化分布降低了熔池中碳元素的化学势梯度，减缓了脱碳反应的驱动力，遏制了脱碳分解反应的进行。

12、强制涡旋对流产生的剪切力冲刷并破碎了固液界面前沿生长的初生柱状枝晶。游离的枝晶碎段进入熔池内部充当新的非均匀形核核心。同时，液态金属的流动均匀化了整个熔池的温度场，降低了凝固界面前沿的温度梯度，促使涂层晶粒由粗大柱状枝晶转变为细小等轴晶。

13、优选的，制备得到的所述混合物料由20-30质量份的所述cr3c2粉末与70-80质量份的所述nicr粉末组成。

14、通过采用上述技术方案，维持限定质量份的cr3c2粉末含量，保证了涂层具备充足的硬质相粒子来源，提供了基础耐磨性能。同时限定质量份的nicr粉末熔化后形成具有良好韧性和耐腐蚀性能的基体相，在凝固过程中包覆未完全熔化的cr3c2颗粒，缓冲了应力并防止涂层脆裂。

15、优选的，进行混合和筛选的具体条件为：控制混粉机的转速为200～400r/min进行混合1～3h，并把混合后的材料通过网筛筛选得到了粒径处于40～180μm范围内的混合物料。

16、通过采用上述技术方案，控制粉末粒径处于所述限定数值区间内，保证了粉末在送粉管道内的流动性，避免了因为粉末过细导致的团聚堵塞问题。限定粒径区间的粉末在穿过激光束时，能够吸收到适量的能量并在落入熔池前达到微熔状态，提高了粉末沉积率，避免了粉末过大造成的未熔透缺陷和粉末过小造成的过度烧损。

17、优选的，对去除了氧化层和油污的45#钢基体进行加热并保温的具体条件为：操作感应加热设备把去除了氧化层和油污的45#钢基体的温度升高至450～550℃并保温10～30min。

18、通过采用上述技术方案，将基体预先加热至所述温度区间并保温，能够缩小液态金属与固态基体之间的初始温度差，降低凝固过程的冷却速率。较慢的冷却速率提供了残余热应力释放的时间窗口，从热力学源头消除了应力诱发开裂的现象。最高加热温度限制在设定数值内，防止了基体铁元素产生过度热激活，配合交变磁场的作用，抑制了基体热稀释量过度增加。

19、优选的，产生所述交变磁场的具体实现方式为：将所述同轴交变磁场发生装置的感应线圈与所述激光加工设备的激光头同轴固连布置，调节所述同轴交变磁场发生装置输出1100～1300a的交变电流，调节所述同轴交变磁场发生装置输出40～60khz的振荡频率。

20、通过采用上述技术方案，同轴固连布置使得交变磁场的中心与激光束中心重合，在熔池内部产生空间对称的电磁力分布，防止了不对称力场引起的单向堆积，保证了涂层表面的平整度。控制交变电流和振荡频率处于所述数值区间内，确保了电磁能量向液态金属内部的穿透，诱导出能够克服自然对流阻力的感应电流，形成稳态的强制涡旋流场，保障了传质均质化效果。

21、优选的，所述交变电流进入直径为55～60mm且匝数为5～7匝的所述感应线圈内。

22、通过采用上述技术方案，采用设定直径和匝数的感应线圈，构成了匹配基体与光斑作用区域的空间耦合磁场环境，提高了磁场能量的空间转化率。

23、优选的，产生的所述交变磁场的强度为0.15～0.25t。

24、通过采用上述技术方案，设定的交变磁场强度决定了电磁搅拌力的大小。限定数值区间的磁场强度能够产生满足破碎柱状枝晶所需剪切力的强制对流，同时避免了磁场强度过大导致的熔池翻滚和液态金属飞溅问题。

25、优选的，进行激光熔化的具体参数为：调节所述激光加工设备的激光功率为2500～2800w，调节所述激光加工设备的激光扫描速度为10～12mm/s。

26、通过采用上述技术方案，限定区间的激光功率提供了使粉末与表层金属同步熔化的输入热源。结合限定区间的扫描速度，控制了单位面积上的热输入量，使得熔池的宽度和深度达到配比状态，保证了冶金结合质量，避免了热输入过剩引发的晶粒粗化现象。

27、优选的，输送混合物料的具体条件为：采用流量为4～6l/min的氩气作为载气，按照10～12g/min的速率把混合物料同轴输送至交变磁场内；其中通入流量为10～15l/min的氩气作为保护气。

28、通过采用上述技术方案，设定预设的送粉速率与激光参数相匹配，确保了单位时间内进入光斑区域的粉末能够完全吸收能量并熔化。送粉速率稳定，维持了涂层厚度的均一性，避免了粉末过多遮挡光束或粉末过少导致基体烧蚀的问题。

29、优选的，进行冷却降温的具体实现方式为：把包含所述金属熔池的所述45#钢基体放置于20～30℃的所述空气环境中进行冷却降温。

30、通过采用上述技术方案，在常温空气中进行自然冷却降温，操作步骤简便，降低了工艺复杂度和设备成本。适中的环境温度避免了急冷产生的二次热应力，保证了成型件的最终结构完整性。

31、本发明提供了一种同轴交变磁场辅助激光熔覆制备涂层的方法。具备以下有益效果：

32、1、本发明通过开启同轴交变磁场发生装置在金属熔池位置产生交变磁场，交变磁场在液态金属内部诱导产生交变洛伦兹力，驱动金属熔池产生旋转式强制涡旋对流，强制涡旋对流的流速大于金属熔池内部自然对流的流速，打破了铁元素、铬元素和镍元素沿温度梯度的定向扩散状态，促使铁元素、铬元素和镍元素在三维空间内充分混合，减小了局部热点区域的溶质聚集现象，实现了熔覆涂层内部元素的均质化分布，消除了基体铁元素进入金属熔池形成的热稀释偏析缺陷。

33、2、本发明通过交变磁场驱动金属熔池产生的强制涡旋对流提升了金属熔池内部的传质速率，促使金属熔池高温过热点区域的液态金属快速流走，并和低温边缘区域的液态金属发生替换，缩短了碳化铬颗粒在高温脱碳区域的滞留时间，并且元素均质化分布状态降低了金属熔池中碳元素的化学势梯度，减缓了脱碳反应的驱动力，遏制了碳化铬在高温液态环境中向低碳碳化物转化的分解反应，提高了熔覆涂层内部高硬度碳化物相的保留数量。

34、3、本发明通过强制涡旋对流在金属熔池内部产生剪切力，剪切力冲刷并破碎了固液界面前沿生长的初生柱状枝晶，破碎脱落的枝晶碎段进入金属熔池内部充当非均匀形核核心，同时液态金属的循环流动均匀化了金属熔池内部的温度场分布，降低了凝固界面前沿的温度梯度，促使熔覆涂层的晶粒形貌由粗大柱状枝晶转变为细小等轴晶，完成了微观组织的细晶强化过程。