阅读说明：本技术 一种非均匀热源促熔池对流的金属表面合金化方法 (Metal surface alloying method for promoting molten pool convection by non-uniform heat source ) 是由 石玗 郭晋昌 顾玉芬 朱明� 张刚 李春凯 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非均匀热源促熔池对流的金属表面合金化方法,包括以下步骤：1)采用第一热源对金属表面进行加热并熔化形成熔池；2)合金化气体进入熔池进行反应生成高熔点的化合物,化合物有凝固形成凝固层的趋势,采用第二热源加热化合物所在区域,保证化合物不发生凝固,促进熔池发生对流,形成成分和组织均匀的合金化层,第一热源和第二热源沿热源的移动方向依次布置,且第二热源的功率密度大于第一热源的功率密度；3)沿热源的移动方向,第一热源和第二热源整体移动,上述熔池凝固形成合金化层。采用上述非均匀热源进行金属表面的激光气体合金化,最后得到具有较佳组织和性能的合金化层。(The invention relates to a metal surface alloying method for promoting molten pool convection by a non-uniform heat source, which comprises the following steps: 1) heating and melting the metal surface by adopting a first heat source to form a molten pool; 2) alloying gas enters a molten pool to react to generate a high-melting-point compound, the compound has a tendency of solidifying to form a solidified layer, a second heat source is adopted to heat the area where the compound is located, the compound is ensured not to solidify, the molten pool is promoted to generate convection, an alloying layer with uniform components and tissues is formed, the first heat source and the second heat source are sequentially arranged along the moving direction of the heat source, and the power density of the second heat source is greater than that of the first heat source; 3) the first heat source and the second heat source are moved integrally in the moving direction of the heat source, and the molten pool is solidified to form an alloyed layer. The laser gas alloying of the metal surface is carried out by adopting the non-uniform heat source, and finally the alloying layer with better structure and performance is obtained.)

一种非均匀热源促熔池对流的金属表面合金化方法

技术领域

本发明涉及金属表面激光气体合金化技术领域，具体涉及一种非均匀热源促熔池对流的金属表面气体合金化方法。

背景技术

熔化焊接过程，熔池表面存在较大温度梯度，导致熔池表面形成较大表面张力梯度，进而驱动熔池内形成马兰戈尼对流。对流促进熔池内成分均匀化，优化焊缝组织和性能。

金属表面激光气体合金化可改善金属表面性能。将工艺工程分成三个阶段：第一阶段，激光加热金属，金属表面熔化形成熔池；第二阶段，合金化气体进入熔池，熔池发生反应；第三阶段，熔池凝固形成合金化层。我们希望第二阶段的熔池内形成类似于上述焊接过程的马兰戈尼对流，优化合金化层成分、组织和性能。但是第二阶段合金化气体与熔池发生反应，熔池表面形成化合物，化合物熔点高，优先凝固，则熔池表面形成“薄凝固层”，阻碍或减缓熔池流动，熔池内形成成分偏析，恶化合金化层组织和性能。

以往，金属表面激光气体合金化的激光功率密度有两种：第一、大激光功率密度，熔池表面温度更高保证第二阶段熔池表面的“薄凝固层”熔化，有利于熔池对流。但是大激光功率密度使第一阶段金属表面发生大量汽化、强烈蒸发，污染作业环境空气，并恶化合金化层表面质量。大激光功率密度不是最优方案。第二、小激光功率密度，熔池表面温度较低，保证第一阶段金属表面熔化形成熔池，但是不会发生剧烈蒸发，保证了合金化层表面质量。但是第二阶段熔池表面“薄凝固层”不会熔化，阻碍或减缓了熔池对流，熔池内形成成分偏析，恶化合金化层组织和性能。小激光功率密度也不是最优方案。

下面以钛表面激光气体氮化为例进一步说明。纯钛熔点约1600℃，沸点约3200℃，第二阶段在熔池表面形成TiN，TiN的熔点约3200℃。第一、采用大激光功率密度，熔池表面温度高于3200℃，则第一阶段，钛合金表面发生大量蒸发，污染作业环境空气，恶化氮化层表面质量，恶化氮化层表面质量。大激光功率不是最优方案。第二采用小激光功率密度，熔池表面温度高于1600℃并低于3200℃，第一阶段熔池表面不会发生大量蒸发，保证了氮化层表面质量。但是第二阶段，熔池表面形成“薄凝固层”，阻碍或减缓熔池对流，熔池形成偏析，恶化氮化层组织和性能。小激光功率密度也不是最优方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种非均匀热源促熔池对流的金属表面气体合金化方法，以解决现有技术中存在的金属表面合金化效果较差的问题

为实现上述目的，本发明的一种非均匀热源促熔池对流的金属表面气体合金化方法采用如下技术方案：一种非均匀热源促熔池对流的金属表面合金化方法，包括以下步骤：

1）采用第一热源对金属表面进行加热并熔化形成熔池；

2）合金化气体进入熔池进行反应生成高熔点的化合物，化合物有凝固形成凝固层的趋势，采用第二热源加热化合物所在区域，保证化合物不发生凝固，促进熔池发生对流，第一热源和第二热源沿热源的移动方向依次布置，且第二热源的功率密度大于第一热源的功率密度；

3）沿热源的移动方向，第一热源和第二热源整体移动，上述熔池凝固形成合金化层。

所述第一热源采用第一激光束来实现，第二热源采用第二激光束来实现。

所述第一激光束的焦平面光束直径为3mm，第二激光束的焦平面光束直径为3mm，第一激光束的中心点和第二激光束的中心点前后距离1.8mm。

本发明的有益效果：第一热源采用小功率密度热源，作用是保证第一阶段中金属表面熔化形成熔池，但是不会发生剧烈蒸发，保证作业环境质量，保证金属表面质量；气体进入熔池进行反应生成高熔点的化合物，化合物在熔池表面有凝固形成化合物凝固层的趋势，因此采用大功率密度的第二热源熔化加热该化合物区域，保证化合物不发生凝固，促进熔池内部的对流，减小熔池内部的成分偏析，优化合金成分、组织及性能。采用上述非均匀热源进行金属表面的激光气体合金化，最后得到具有较佳组织和性能的合金化层。

附图说明

图1是本发明的一种非均匀热源促熔池对流的金属表面气体合金化方法的一个实施例的原理示意图。

具体实施方式

本发明的一种非均匀热源促熔池对流的金属表面合金化方法的实施例，包括以下步骤：

1）采用第一热源对金属表面进行加热并熔化形成熔池；

2）合金化气体进入熔池进行反应生成高熔点的化合物，化合物有凝固形成凝固层的趋势，采用第二热源加热化合物所在区域，保证化合物不发生凝固，促进熔池发生对流，第一热源和第二热源沿热源的移动方向依次布置，且第二热源的功率密度大于第一热源的功率密度；

3）沿热源的移动方向，第一热源和第二热源整体，上述熔池凝固形成合金化层。

第一热源采用第一激光束来实现，第二热源采用第二激光束来实现。在本发明的其他实施例中，热源也可以不采用激光束，可以采用电子束、等离子弧和普通电弧中的一种。热源也可以采用同一个激光发生器，通过激光整形，实现同一个光斑在沿热源激动方向光斑前部功率密度大，光斑后部功率密度小。

第一激光束的焦平面光束直径为3mm，第二激光束的焦平面光束直径为3mm，第一激光束的中心点和第二激光束的中心点前后距离1.8mm。也就是两个激光束的光斑中心点之间的距离为1.8mm。

第一激光束为低功率密度的激光束。激光类型：光纤激光，激光器输出类型：连续输出，激光波长1064nm，激光束离焦量0mm，激光喷嘴距30mm。热源分布类型：高斯分布。热源功率1400W，中心点最大功率密度约：5.94*10⁴W/cm²，平均功率密度约：1.98*10⁴W/cm²。

第二激光束为高功率密度的激光束。激光类型：光纤激光，激光器输出类型：连续输出，激光波长：1064nm，激光束离焦量0mm，激光碰嘴距30mm。热源分布类型：高斯分布。热源功率3200W，光束中心点最大功率密度约：1.36*10⁵W/cm²，平均功率密度约：4.53*10⁴W/cm²。

合金化气体流量15L/min, 气体纯度99.99％，供气方式：气体与激光束同轴。

实验例：

以纯钛金属表面激光气体氮化进行试验。试验过程中，参数为：第一激光束为光纤激光，激光发生器采用德国IPG公司生产，型号的YLS4000的激光发生器。激光波长：1064nm，焦平面光束直径为3mm，激光束离焦量0mm，激光碰嘴距30mm。激光束移动速度：30mm/s，功率1400W，中心点最大功率密度约：5.94*10⁴W/cm²，平均功率密度约：1.98*10⁴W/cm²。第二激光束薇光纤激光，激光发生器采用德国IPG公司生产，型号的YLS4000的激光发生器。激光波长：1064nm，焦平面光束直径为3mm，激光束离焦量0mm，激光碰嘴距30mm。激光束移动速度：30mm/s，功率3200W，光束中心点最大功率密度约：1.36*10⁵W/cm²，平均功率密度约：4.53*10⁴W/cm²。只采用第一激光束，发现氮化层成分不均匀，内部存在裂纹缺陷。只采用第二激光束进行氮化，发现氮化层表面非常粗糙。采用本发明的金属表面合金化方法，采用第一激光束和第二激光束非均匀地对金属表面进行加热，保持第一激光束的中心点和第二激光束的中心点前后距离1.8mm，即第一激光束的光斑和第二激光束的光斑前后重叠1.2mm。结果纯钛表面的TiN合金层表面光滑平整、成分均匀、内部无气孔、裂纹等缺陷。

应当理解的是：本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于奔赴买那个所附区里要求的保护范围。