【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光熔覆，具体涉及一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层装置及方法。
技术介绍
1、镍基合金因其耐高温、耐氧化以及良好的高温力学性能，被广泛地应用于核电、石油化工、船舰、地面燃气轮机及航空航天领域。其中具有代表性的是用于制造航空发动机的涡轮盘、燃烧室及叶片等高温部件。近年来，随着国家工艺科技与国防领域的不断发展及节能减排的要求，航空发动机内部的进气温度不断提高，涡轮泵和涡轮叶片等关键零部件在高温负载工作环境下开始出现氧化、腐蚀及疲劳断裂等破坏现象。
2、镍基高温合金零件制造成本高昂，因此周期性的检查与修复成为延长其服役寿命的必备措施。其中，在合金基板表面施加具有抗高温氧化性能的改性涂层已成为一种提高发动机工作温度的有效零件修复方式。在高温服役环境下，改性涂层表面形成的致密氧化膜可以有效隔断合金基板材料与环境的接触，提升合金材料的抗氧化性能，延长高温部件的使用寿命。当前制备表面改性层的工艺方法主要有电镀、等离子喷涂、铸造合金化以及气相沉积等，但通过这些方法制备的涂层通常具备厚度较薄(<100μm)，微观结构致密性差，与基材结合强度低等不足。而激光熔覆技术能有效地解决上述方法存在的缺点，可以在微米到毫米的范围内调节涂层厚度，获得致密的熔覆组织，实现涂层与基体之间良好的冶金结合。此外，由于其多功能性以及高达106k/s的加热(冷却)速率，激光熔覆工艺可实现表面性能精确调控的同时保留材料的整体机械性能，制备出具备优异性能的表面改性层。
3、考虑到高温环境下涂层成分对涂层表面氧化膜的生
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层装置及方法，在现有激光熔覆镍基合金涂层工艺的基础上，通过微波等离子体源系统将活性元素hf电离成低温等离子体，低温等离子体受磁场约束传输至熔池上方，在激光能量持续辐照下解离出活性hf原子，受等离子体内部能量团影响，具备高动能的活性hf原子在磁场辅助及超高压作用下渗入熔池，并与熔融物质发生剧烈搅拌，活性元素hf在镍基合金涂层中呈现弥散均匀分布，显著提高了涂层的抗高温氧化性能。随动磁场的辅助施加一方面可以增加熔池中熔体的能量起伏，为熔池中的晶体形核提供额外能量从而提高形核率，另外磁场在熔池中产生大小与方向周期变化的磁场力，引起熔池内部振动与强迫对流，促使溶质重新均匀分布，细化晶粒结构的同时降低了凝固组织的偏析程度；另一方面等离子体受随动磁场约束凝聚成能量团形状并始终作用于熔池上方，实现了活性元素hf对镍基合金涂层的有效掺杂，进一步提升了涂层的耐高温性能。在磁场辅助基础上使用超高压工艺可以降低晶体与熔体界面的自由能，增加成核位点数，进一步细化涂层晶粒结构并抑制涂层的开裂倾向，与常规高压环境相比，超高压技术不仅可以提高试样成形表面平整度，还可以增加熔体中物相之间的润湿能力，提高活性元素在涂层中的固溶度，增强涂层界面结合强度，使镍基合金涂层达到细晶强化与固溶强化的效果，涂层的高温性能与机械稳定性得到有效提升。
2、本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，包括如下步骤：
4、将镍基合金基板放置在密闭的工作箱内；在密闭的工作箱内持续注入惰性气体，使工作箱内保持超高压环境；
5、通过激光辐照镍基合金基板表面铺设的镍基合金粉末形成熔池，同时使用金属等离子体作为镍基合金涂层中的元素掺杂，将金属等离子体喷射至镍基合金基板表面上方，等离子体态活性元素掺杂物在磁场控制下聚集在熔池表面，在超高压环境和交变磁场的协同作用下，金属等离子渗入熔池并与熔融材料发生搅拌反应，得到具有均匀活性元素掺杂的镍基合金熔覆涂层。
6、进一步，通过控制熔覆过程施加的磁场强度，使得熔覆过程中的磁场强度保持在20～40mt。
7、进一步，通过加压泵使工作箱内保持的超高压为100～120mpa。
8、进一步，所述金属等离子体为金属铪等离子体，通过微波等离子体源系统制备生成并通过激光熔覆头与激光束同轴射出。
9、进一步，通过微波等离子体源系统调节金属等离子体射流流量为1.5l/min～2.5l/min。
10、进一步，所述镍基合金粉末直径范围为53～150μm，所述铺设一层粉末厚度范围为0.8～1.2mm。
11、进一步，所述激光辐照过程中使用的连续激光的参数为：波长1070nm，激光功率≤2000w，光斑直径≥0.4mm；激光功率为800～1000w，扫描速度为500mm/s，扫描间距为100～150μm，熔覆扫描路径为弓字形。
12、一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法的装置，包括工作箱、微波等离子体源系统、激光熔覆头、交流磁场装置和保压系统；所述工作箱内放置镍基合金基板，所述微波等离子体源系统用于产生金属等离子体；所述微波等离子体源系统与激光熔覆头连接，用于使金属等离子体与激光束同轴射出；所述镍基合金基板底部设有交流磁场装置，用于产生交变磁场；所述保压系统与工作箱连通，用于使工作箱产生超高压环境。
13、进一步，所述交流磁场装置包括励磁线圈、硅钢铁芯、隔离电压调节器和工作台；所述硅钢铁芯外套设励磁线圈，所述励磁线圈与隔离电压调节器连接，用于调节磁场强度；所述硅钢铁芯安装在可移动的工作台上，所述工作台用于使硅钢铁芯与激光束同步移动。
14、本专利技术的有益效果在于：
15、1.本专利技术所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，使用hf等离子体作为镍基合金涂层中的元素掺杂，hf等离子体由微波等离子体源系统稳定激发而成，通过熔覆头与激光束同轴排出后，在随动磁场约束下始终保持在高温熔池上方，相比于传统的金属粉末掺杂，等离子体态hf元素是蕴含丰富能量的激光态物质，且内部存在大量纳米尺度均匀的hf原子团簇颗粒，这些高动能粒子在磁场辅助及超高压协同作用下与熔池内部熔融物质发生剧烈搅拌，活性元素hf在镍基涂层中的分布变得弥散均匀，涂层的抗高温氧化性能得到显著提高。
16、2.本专利技术所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过控制熔覆过程施加的磁场强度，使得熔覆过程中的磁场强度保持在20～40mT。
3.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过加压泵(10)使工作箱(1)内保持的超高压为100～120MPa。
4.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所述金属等离子体为金属铪等离子体，通过微波等离子体源系统(3)制备生成并通过激光熔覆头(4)与激光束同轴射出。
5.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过微波等离子体源系统(3)调节金属等离子体射流流量为1.5L/min～2.5L/min。
6.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所述镍基合金粉末直径范围为53～150μm，所述铺设一层粉末厚
7.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所述激光辐照过程中使用的连续激光的参数为：波长1070nm，激光功率≤2000W，光斑直径≥0.4mm；激光功率为800～1000W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为100～150μm，熔覆扫描路径为弓字形。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法的装置，其特征在于，包括工作箱(2)、微波等离子体源系统(3)、激光熔覆头(4)、交流磁场装置和保压系统；所述工作箱(2)内放置镍基合金基板(1)，所述微波等离子体源系统(3)用于产生金属等离子体；所述微波等离子体源系统(3)与激光熔覆头(4)连接，用于使金属等离子体与激光束同轴射出；所述镍基合金基板(1)底部设有交流磁场装置，用于产生交变磁场；所述保压系统与工作箱(2)连通，用于使工作箱(2)产生超高压环境。
9.根据权利要求8所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法的装置，其特征在于，所述交流磁场装置包括励磁线圈(5)、硅钢铁芯(6)、隔离电压调节器(7)和工作台(8)；所述硅钢铁芯(6)外套设励磁线圈(5)，所述励磁线圈(5)与隔离电压调节器(7)连接，用于调节磁场强度；所述硅钢铁芯(6)安装在可移动的工作台(8)上，所述工作台(8)用于使硅钢铁芯(6)与激光束同步移动。
...【技术特征摘要】
1.一种超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过控制熔覆过程施加的磁场强度，使得熔覆过程中的磁场强度保持在20～40mt。
3.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过加压泵(10)使工作箱(1)内保持的超高压为100～120mpa。
4.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所述金属等离子体为金属铪等离子体，通过微波等离子体源系统(3)制备生成并通过激光熔覆头(4)与激光束同轴射出。
5.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，通过微波等离子体源系统(3)调节金属等离子体射流流量为1.5l/min～2.5l/min。
6.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所述镍基合金粉末直径范围为53～150μm，所述铺设一层粉末厚度范围为0.8～1.2mm。
7.根据权利要求1所述的超高压环境下磁场辅助等离子体改性激光熔覆涂层方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄蕾，周建忠，缑延强，李礼，孟宪凯，黄舒，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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