一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法

本发明涉及一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，具体属于激光熔覆。

背景技术：

1、非晶合金（amorphous alloys），也称为非晶态金属或非晶态合金，是一类具有无规则原子结构的金属材料。当熔融液态合金以极快的速度冷却凝固时，合金中原子来不及有序排列、结晶，得到的固态合金是一种长程有序、短程无序的状态。非晶合金在结构上与晶态金属存在差异。晶态金属的原子排列有序，具有明确的晶格结构。而非晶合金的原子排列无规则，呈现出高度紧密堆积的非晶态结构。

2、与传统的结晶金属相比，非晶合金的无序性导致其具有优异的机械性能，独特的物理和化学性质，如高强度、高硬度、优异的韧性、优良的阻尼性能等，在多个领域具有广泛的应用潜力。此外，非晶合金还具有大量的低配位表面原子和缺陷位点，这使得非晶合金在催化领域具有广阔的应用前景。研究非晶合金的制备、结构与性能关系，能够为材料设计和加工提供重要指导，成为材料科学领域的重要研究课题。

3、制备非晶合金最常用的方法为铜模吸铸法，冷却速率大，得到的非晶纯度高。不过该方法模具形状受限，难以制备结构复杂的大尺寸非晶构件。于是研究人员将目光转向3d打印技术上。3d打印（3dp）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它不需要模具，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它能制备出比传统制造方法形状多样、尺寸更大的零件。目前选区激光熔化(slm)、选区激光烧结(sls)、激光熔化沉积(lmd)和电子束熔融(ebm)是最常使用的3d打印技术。

4、激光熔覆的加工方法主要分为预置送粉式激光熔覆、同步送粉式激光熔覆和走丝激光熔覆等几类，其中要数同步送粉式应用最为广泛。同步送粉式在激光熔覆过程中，通过载气的带动从送粉管道送出熔覆粉体，与激光束同时到达基材表面。粉体与激光作用后进入熔池，随着激光束和送粉喷嘴同步移动形成熔覆层。由于激光光斑直径较小和扫描速度较快，形成熔池尺寸小，这给粉末的熔化凝固创造了很高的冷却速度(103~108k/s)，这完全高于形成非晶合金所需要的临界冷却速率。

5、但是，激光3d打印技术在打印过程中具有较为复杂的热历史，非晶成分容易再次晶化，降低构件中的非晶含量；另一方面激光输入能量密度大，造成较大的热应力，在应力作用下，非晶内发生原子重排形成剪切转变区并扩展为剪切带。能量集中在几十纳米的剪切带内，发生热力耦合和剪切软化，形成孔洞并扩展成裂纹。

技术实现思路

1、本发明提出一种倾斜双层基板激光熔覆铁基非晶合金的方法，目的在于克服传统技术中存在的上述问题，本发明通过增强打印过程中熔池的流动性和打印件的变形释放热应力以抑制裂纹生成。

2、本发明一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法采用未切割断层的双层平行板材作为基板，并将基板以倾斜放置的方式进行激光熔覆，以减少非晶合金激光熔覆产生的裂纹；

3、具体过程为：

4、将基板材料切割成未断层的双层平行板材作为激光熔覆的基板，采取倾斜放置的方式，将基板夹装在激光熔覆打印设备中，其后将铁基非晶合金粉末倒入送粉器内，使用激光对基板预热处理后进行激光熔覆，熔覆后的打印工件自然冷却到室温，得到裂纹少的铁基非晶合金；其中，双层平行板材倾斜放置的倾斜角度为5°~30°。

5、所述的未断层的双层平行板材是将45号钢板进行线切割，得到未完全断层的、薄厚两层的双层平行板材，其中薄层的厚度为1~2mm，厚层的厚度为2.5~3.5mm，两层之间的间隙为0.5mm。

6、所述的铁基非晶合金粉末的原子成分为fe41co7cr15mo14c15b6y2，粒度为300~400目。

7、所述预热处理的工艺参数为：光斑直径2.0mm，激光功率400~900w，激光扫描速度12.0~20mm/s，激光扫描间隙为2mm，离焦量控制在10±2.0mm以内。

8、所述激光熔覆的工艺参数为：光斑直径2.0mm，激光功率700~2000w，激光扫描速度12.0~30mm/s，离焦量控制在±2.0mm以内，氩气纯度为99.9％，气体流量12～20l/min。

9、本发明的有益效果是：本发明通过增强打印过程中熔池的流动性和打印件的变形释放热应力以抑制裂纹生成。通过对基板进行切割处理，分割成未断层的厚薄两层的双层平行板材，通过薄板的变形释放打印过程中的热应力。另外，通过双层平行板材倾斜放置和打印方式的调整，借助重力增强打印过程中激光熔池的流动性，并采取预热降低打印过程中的温度梯度，以减少热应力，抑制了裂纹的生成。

技术特征：

1.一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，其特征在于：所述的方法采用未切割断层的双层平行板材作为基板，并将基板以倾斜放置的方式进行激光熔覆，以减少非晶合金激光熔覆产生的裂纹；

2.根据权利要求1所述的一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，其特征在于：所述的未断层的双层平行板材是将45号钢板进行线切割，得到未完全断层的、薄厚两层的双层平行板材，其中薄层的厚度为1~2mm，厚层的厚度为2.5~3.5mm，两层之间的间隙为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，其特征在于：所述的铁基非晶合金粉末的原子成分为fe41co7cr15mo14c15b6y2，粒度为300~400目。

4.根据权利要求1所述的一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，其特征在于：所述预热处理的工艺参数为：光斑直径2.0mm，激光功率400~900w，激光扫描速度12.0~20mm/s，激光扫描间隙为2mm，离焦量控制在10±2.0mm以内。

5.根据权利要求1所述的一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法，其特征在于：所述激光熔覆的工艺参数为：光斑直径2.0mm，激光功率700~2000w，激光扫描速度12.0~30mm/s，离焦量控制在±2.0mm以内，氩气纯度为99.9％，气体流量12～20l/min。

技术总结本发明一种利用倾斜双层基板减少非晶合金激光熔覆裂纹的方法采用未切割断层的双层平行板材作为基板，并将基板以倾斜放置的方式进行激光熔覆，以减少非晶合金激光熔覆产生的裂纹，其中双层平行板材倾斜放置的倾斜角度θ为5°~30°。本发明通过增强打印过程中熔池的流动性和打印件的变形释放热应力以抑制裂纹生成。对基板进行切割处理，分割成未断层的厚薄两层的双层平行板材，通过薄板的变形释放打印过程中的热应力。通过双层平行板材倾斜放置和打印方式的调整，借助重力增强打印过程中激光熔池的流动性，并采取预热降低打印过程中的温度梯度，以减少热应力，抑制了裂纹的生成。技术研发人员：陈庆军,张喆,吉丽,高霁雯受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5