CN111676477A - 一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面涂层加工领域，并具体公开了一种超高速激光‑感应复合熔覆方法及装置，其针对作为加工对象的待熔覆工件，在其附近布置用于实现工件预热的感应加热线圈，且通过该感应加热线圈的自身形状及相对于待熔覆工件的空间布置将工件待熔覆区域加热到设定温度；在工件待熔覆区域上方，采用超高速激光熔覆与感应加热方式进行超高速激光‑感应复合熔覆，使得激光束斑与粉末束流在熔覆区域的目标位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池进而制备所需的熔覆层。本发明可在金属构件表面实现各种材料的高精度、高性能、无冶金缺陷的金属熔覆层的超高效沉积。

Description

一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置

技术领域

本发明属于表面涂层加工技术领域，更具体地，涉及一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置。

背景技术

作为一种先进的表面涂层技术，激光熔覆可以在金属材料表面制备与基材冶金结合、稀释率低、组织结构致密的高性能覆层，因此在金属构件表面强化和修复领域已经得到广泛的应用。但是，传统的激光熔覆技术(LC)存在以下几个问题：(1)沉积效率偏低、制备成本高；(2)沉积精度虽然相比传统堆焊工艺而言较高，但是与物理气相沉积和化学气相沉积等工艺相比仍然偏低、后续加工成本高，尤其对于表面超薄的耐磨和耐蚀涂层制备需求，以及硬度较高和机加工性能差的涂层材料，局限性较大；(3)熔覆层容易产生冶金缺陷，激光熔覆具有快速加热和快速冷却的特点，熔池温度梯度和冷却速率较大，导致残余应力增大，熔覆层极易出现裂纹和气孔等冶金缺陷，尤其在沉积高硬度和高开裂敏感性材料涂层时具有较大局限性。

为解决上述问题，现有技术中已有一些解决方案。例如，专利文献(公开号CN101125394A)公开了一种自动送粉激光-感应复合熔覆工艺方法及装置，它将激光和感应热源结合起来实现复合加工，不但激光熔覆效率大幅度提高，还能解决焊接性差、开裂敏感性高的合金材料在激光熔覆过程中易开裂难题。然而，激光-感应复合熔覆工艺方法沉积效率仍然偏低，导致成本偏高，在许多应用场合仍不能与传统工艺竞争。此外，激光-感应复合熔覆技术过程中，激光束作用于基体材料表面，使得部分基材和合金粉末同时熔化。随着感应加热使得基板预热温度升高，其对激光束的吸收率不断增大，导致激光-感应复合熔覆层的熔深比单纯激光熔覆层增大，熔覆层稀释率增大。因此，激光-感应复合熔覆在解决熔覆层开裂问题的同时，会在一定程度上牺牲熔覆层的性能。

再如，专利文献(公开号CN111041473A)公开了一种磁致预热和搅拌辅助制备超高速激光熔覆层的方法，其通过电磁辅助系统结合超高速激光熔覆加工系统，消除熔覆层裂纹和气孔、提高熔覆层表面质量和性能、增加粉末利用率。但是，该方法中的电磁辅助作用需通过安装在工件下方的电磁发生装置和安装在工件上方的激磁线圈协同作用共同实现，由此使得加工过程中的影响因素众多、工序复杂，难以保证熔覆效果和质量。另外，该方法中的电磁装置仅作用于轴类工件表面的局部位置，导致工件表面加热不均匀、在加工过程中需经历频繁的快冷快热循环，造成熔覆层成形质量不稳定。尤其是对于大轴径或大尺寸工件表面开裂敏感性高、加工难度大的材料涂层高速熔覆时，很难保证熔覆层成形质量。

因此，本领域仍需进行探索与研究，以便进一步提升熔覆层的成形质量、沉积效率，拓展熔覆材料范围，从而使得激光熔覆技术在更宽的工业领域得到应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超高速激光-感应复合熔覆方法及装置，它将超高速激光熔覆与感应加热相结合，可在金属构件表面实现高精度、高性能、无冶金缺陷的金属熔覆层超高效沉积，特别适用于壁厚小、易变形薄壁件表面高硬度耐磨涂层的强化和修复。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提出了一种超高速激光-感应复合熔覆方法，其针对作为加工对象的待熔覆工件，在其附近布置用于实现工件预热的感应加热线圈，且通过该感应加热线圈的自身形状及相对于待熔覆工件的空间布置实现工件待熔覆区域的全方位均匀加热，同时提高工件待熔覆区域温度场分布的均匀性；在待熔覆工件的熔覆区域上方，采用超高速激光熔覆与感应加热方式进行超高速激光-感应复合熔覆，使得激光束斑与粉末束流在熔覆区域上方的目标位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池，进而制备获得与工件呈冶金结合的无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

通过以上构思，一方面，本发明不仅实现了工件的预热以降低工件温度梯度，便于后续激光熔覆的有效进行，同时还考虑到了工件待熔覆区域温度不均匀的问题，通过感应加热线圈的针对性设计与布置，可实现工件待熔覆区域的全方位均匀加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层质量的稳定性；另一方面，本发明通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制与协同作用，将高速激光熔覆和感应加热有机结合，通过彼此之间的配合协作确保能够制备出铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层，致密度达到99.8％以上，并使粉末沉积效率和利用率得到大幅提升；再者，本发明通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制与协同作用，将高速激光熔覆和感应加热有机结合，可调控激光热影响区的冷却过程，避免高速激光作用下热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差的组织，尤其对于高碳钢和铸铁等可焊性差、淬硬和开裂倾向大的材料而言，价值巨大。通过上述设计，本发明不仅适用于一般材料的熔覆，还适用于大轴径或大尺寸工件表面开裂敏感性高、加工难度大的材料涂层的高速熔覆，大大拓展适用范围。

作为进一步优选的，根据待熔覆工件的形状特点设计感应加热线圈的形状及与待熔覆工件的布置方式，通过上述设计保证工件待熔覆区域的全方位均匀加热。

作为进一步优选的，通过设计超高速激光熔覆的具体熔覆工艺及感应加热的具体加热工艺，并利用上述工艺执行超高速激光-感应复合熔覆以实现超高速激光熔覆与感应加热的联动控制，进而利用超高速激光熔覆与感应加热的协同作用保证制备获得铺展性好、界面润湿性和结合力高、稀释率极低、表面精度高、无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

按照本发明的第二个方面，本发明不仅提出了一种超高速激光-感应复合熔覆方法的想法，还提供了具体的操作方案，具体而言，包括如下步骤：

S1固定待熔覆工件并进行预处理；

S2根据待熔覆工件的特点针对性的设计并布置用于实现工件预热的感应加热线圈，同时设计超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺；

S3利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现工件待熔覆区域的全方位均匀加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层的质量稳定性；

S4待工件表面加热至预设温度后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在工件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池，进而制备获得与工件呈冶金结合的熔覆层；

S5熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，若是，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度，以此获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

作为进一步优选的，根据待熔覆工件的形状特点设计感应加热线圈的具体形状及布置方式，具体而言，对于管件，感应加热线圈设计为环形，并布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式均匀加热。

作为进一步优选的，对于轴类实心零件，感应加热线圈设计为环形，并布置在零件的外部且与零件同轴设置，以此实现零件待熔覆区域的全方位包围式均匀加热。

作为进一步优选的，对于板状件和块状件，感应加热线圈设计为直线型，并布置在工件的上方，以此实现零件待熔覆区域的全方位均匀加热。

作为进一步优选的，超高速激光熔覆的熔覆工艺设计如下：激光束斑直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置设计为0.5mm～5mm；激光功率设计为1kW～15kW，优选为6kW～10kW；激光加工速度设计为20m/min～300m/min，优选为210m/min～250m/min；保护气流量设计为10L/min～25L/min，优选为15L/min～25L/min；送粉量设计为10g/min～500g/min，优选为160g/min～400g/min；送粉气流量设计为2L/min～15L/min，优选为3L/min～12L/min；搭接率设计为40％～90％，优选为60％～90％。

作为进一步优选的，感应加热工艺设计如下：感应加热线圈与工件表面的距离设计为1mm～10mm；工件的加热温度设计为350℃～800℃。

作为进一步优选的，熔覆过程中，激光束斑在工件表面的聚焦位置位于感应加热位置的前方、中间或后方。

作为进一步优选的，所述方法还包括如下步骤：S6熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测熔覆层表面。

作为进一步优选的，所述方法还包括如下步骤：S7对工件的熔覆层表面进行抛光处理。

按照本发明的第三个方面，本发明不仅提出了一种超高速激光-感应复合熔覆方法的具体操作方案，还针对具体的应用对象提出了一套针对性的操作方案，即还提供了一种专用于管件的超高速激光-感应复合熔覆方法，其包括如下步骤：

S1固定待熔覆的管件并进行预处理；

S2设计环形的感应加热线圈，并将其布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式均匀加热；同时设计用于管件的超高速激光-感应复合熔覆的超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺；

S3利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现管件待熔覆区域的全方位包围式均匀加热，保证管件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层的质量稳定性；

S4待管件待熔覆表面加热至预设温度后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在管件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于管件预热表面的微熔池，进而制备获得与管件呈冶金结合的熔覆层；

S5熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，若是，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度，以此在管件待熔覆表面获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

作为进一步优选的，激光熔覆在管件的外表面进行，感应加热线圈布置在管件的外部且与管件同轴设置。

作为进一步优选的，激光熔覆在管件的内表面进行，感应加热线圈布置在管件的内部或外部且与管件同轴设置。

作为进一步优选的，本发明针对管件这一特殊对象还针对性的设计了适用该对象的超高速激光熔覆的熔覆工艺：激光束斑直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置设计为0.5mm～5mm；激光功率设计为1kW～15kW，优选为6kW～10kW；激光加工速度设计为20m/min～300m/min，优选为210m/min～250m/min；保护气流量设计为10L/min～20L/min；送粉量设计为10g/min～500g/min，优选为160g/min～400g/min；送粉气流量设计为5L/min～12L/min；搭接率设计为70％～90％。

作为进一步优选的，本发明针对管件这一特殊对象还针对性的设计了适用该对象的感应加热工艺：感应加热线圈与工件表面的距离设计为5mm～10mm；工件的加热温度设计为400℃～700℃。

按照本发明的第四个方面，本发明不仅提出了一种超高速激光-感应复合熔覆方法的具体操作方案，还提供了与该操作方案配套的专用设备，即还提供了一种超高速激光-感应复合熔覆装置，其包括激光扫描单元、感应加热单元、粉末输送单元和三维移动单元，其中：

所述激光扫描单元用于输出能量呈高斯分布或均匀分布的激光束斑；

所述感应加热单元包括感应加热电源、感应加热线圈、红外测温仪和温度控制器，其中，所述感应加热线圈与感应加热电源相连，该感应加热线圈根据待熔覆工件的特点进行针对性设计与布置，以实现工件待熔覆区域的全方位均匀加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续熔覆层的质量稳定性；所述红外测温仪用于测量工件表面感应加热区域的温度，并将温度反馈给所述温度控制器，该温度控制器基于红外测温仪反馈的温度控制感应加热电源的输出功率，使感应加热线圈达到预设温度；

所述粉末输送单元用于输送粉末并在喷嘴处形成粉末束流，同时使粉末束流与激光束斑汇聚于工件表面上方的预设位置，以此通过激光束斑与粉末束流在工件上方的交互作用将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，最终合金粉末以液体或者半固体形式喷射于工件表面激光直接照射形成的微熔池，并快速冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层；

所述三维移动单元用于带动待熔覆工件进行三维运动，以保证超高速激光-感应复合熔覆在工件所需位置进行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过将感应加热与超高速激光熔覆相结合，充分利用超高速激光熔覆的高沉积精度和沉积效率、基底低热输入的特点，以及感应加热对基底的高效、高稳定性预热及后热作用，可以在保证基底熔深不显著改变的前提下(即不显著增大熔覆层稀释率)，增大熔覆层不同物相之间、以及熔融或半熔融态熔覆金属与基底之间的润湿性，进而提高熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力、以及熔覆层的铺展性；其次，可增大激光的有效利用率，进而增大单位时间内粉末沉积量和利用率；再者，可使激光熔池和热影响区温度梯度和冷却速率降低，避免熔覆层产生裂纹和气孔等冶金缺陷，同时可避免高碳钢和铸铁等可焊性差、开裂倾向大的基体材料热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差的组织。通过超高速激光-感应复合熔覆上述几个技术效果的综合作用，可实现工件的高精度、高质量、高效率熔覆。并且，本发明仅用到感应加热这一单独的技术与超高速激光熔覆融合，避免现有技术中需要利用电磁发生装置和激磁线圈等多个技术协同，有效减少熔覆影响因素及工序复杂度，保证熔覆效果和质量。

2.对于轴类实心零件而言，本发明的感应加热线圈安装在工件的外部，对于管件而言，本发明的感应加热线圈安装在工件的外部或工件的内部，可保证工件周向受热均匀，从而有效避免现有技术中对于轴类工件仅加热表面局部位置，导致工件表面加热不均匀、加工过程中需经历频繁快冷快热循环，造成熔覆层成形质量不稳定的问题。通过本发明的上述设计，本发明不仅适用于一般涂层的熔覆，同时还适用于大轴径或大尺寸工件表面开裂敏感性高、加工难度大的材料涂层(例如Ni60、金属陶瓷复合层和金属硅化物复合层)的高速熔覆，有效保证熔覆层的成形质量。

3.本发明将感应加热与超高速激光熔覆相结合，可通过激光热源与感应加热温度场的协同作用，调控熔池传热传质及流动过程，增大熔覆层不同物相之间、以及熔融或半熔融态熔覆金属与基底之间的润湿性，进而提高熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力、以及熔覆层的铺展性。

4.本发明将感应加热与超高速激光熔覆相结合，可通过调控熔覆过程中的激光光斑直径、激光功率、感应加热温度、激光加工速度、送粉量、送粉气流量、激光束斑和粉末束流汇聚点与工件表面的相对位置，实现激光能量分配的精确控制，使激光能量利用率增大，进而在不显著增大熔覆层稀释率的前提下，使粉末沉积效率和粉末利用率增大。

5.本发明将感应加热与超高速激光熔覆相结合，可通过控制工件表面的感应加热温度场分布(具体通过控制温度大小实现)，实现对激光熔池温度梯度和冷却速率的调控，使熔覆层凝固结晶的非平衡性减小，进而减小熔覆层残余应力，避免不同硬度、不同开裂倾向的熔覆层中产生气孔和裂纹等冶金缺陷，实现对熔覆层性能的调控；同时还可以调控基体热影响区的冷却过程，尤其对于高碳钢和铸铁等可焊性差、开裂倾向大的基体材料，可避免基体热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差的组织。

6.本发明通过感应加热技术与超高速激光熔覆技术的彼此协同作用，无需通过电磁搅拌，即可消除熔覆层中的裂纹和气孔，调控熔覆层中的组织和晶粒，增加粉末的利用率，制备铺展性好、界面润湿性和结合力高、表面精度高、组织结构致密、综合性能好的熔覆层。

7.本发明还对超高速激光-感应复合熔覆工艺中具体超高速激光熔覆工艺进行了研究与设计以获得最优工艺，具体的将激光光斑的直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm，激光束斑和粉末束流汇聚点与工件表面的相对位置设计为0.5mm～5mm，激光功率设计为1kW～15kW，激光加工速度设计为20m/min-300m/min，保护气流量设计为10L/min～25L/min，送粉量设计为10g/min～500g/min，送粉气流量设计为2L/min～15L/min，搭接率设计为40％～90％，以此实现激光-粉末-基底交互作用的最佳匹配，进而在基底表面得到高平整度(Ra＜10μm)、低稀释率(＜4％)、呈冶金结合的高质量熔覆层。

8.本发明还对超高速激光-感应复合熔覆中的具体感应加热工艺进行了研究与设计以获得最优工艺，具体的将感应加热线圈与工件表面的距离设计为1mm～10mm，工件表面加热温度设计为350℃～800℃，以实现工件表面及次表面一定深度材料的加热，可以使熔池温度和高温停留时间增大、熔融或半熔融态熔覆金属的流动性增强，进而增大熔覆层不同物相之间、以及熔融或半熔融态熔覆金属与基底之间的润湿性，提高熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力、以及熔覆层的铺展性；其次，还可以使基底表面形成相同尺寸微熔池所需的激光能量减小，用于激光与粉末在基底上方相互作用的激光能量增大，进而使粉末沉积率和利用率增大；同时，还可以使激光熔池和热影响区的温度梯度和冷却速率降低，减小不同合金材料凝固结晶时的非平衡性以及熔覆层的残余应力，避免熔覆层产生气孔和裂纹等冶金缺陷，还可避免高碳钢和铸铁等可焊性差、开裂倾向大的基体材料热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差的组织。

9.本发明通过上述设计的超高速激光-感应复合熔覆工艺和感应加热工艺的联动控制和协同作用，可保证最终制备界面结合力高，无裂纹，致密度高(达到99.8％以上)，稀释率低(＜4％，甚至低至2％)，平整度高(Ra＜10μm)，粉末利用率高(90％以上)，组织精细，综合服役性能良好的熔覆层。

10.本发明还提供了适用于本发明方法的装置，通过该装置可实现熔覆轴类实心零件、管件、板状件或块状件等多种工件的超高速激光-感应复合熔覆，具有熔覆层稀释率低、沉积精度高、熔覆层沉积效率高等优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超高速激光-感应复合熔覆方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的超高速激光-感应复合熔覆加工轴类实心部件外表面的装置示意图；

图3是本发明实施例提供的超高速激光-感应复合熔覆加工管状部件外表面的装置示意图；

图4是本发明实施例提供的感应线圈安装在工件内部的超高速激光-感应复合熔覆加工管状部件内表面的装置示意图；

图5是本发明实例提供的感应线圈安装在工件外部的超高速激光-感应复合熔覆加工管状部件内表面的装置示意图；

图6是本发明实施例提供的超高速激光-感应复合熔覆加工板状或块状部件外表面的装置示意图；

图7是通过超高速激光熔覆和超高速激光-感应复合熔覆得到的Ni60涂层截面的宏观形貌图，其中，(a)为单纯超高速激光熔覆得到的Ni60涂层，(b)为超高速激光-感应复合熔覆得到的Ni60涂层。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器，2-激光聚焦或整形装置，3-自动送粉器，4-高沉积率同轴送粉喷嘴，5-感应加热电源，6-温度控制器，7-感应加热线圈，8-红外测温仪，9-工件，10-熔覆层，11-数控机床，11a-旋转工作台，11b-三爪卡盘，12-机械手臂或三维运动轴，12a-夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种超高速激光-感应复合熔覆方法，其在保证熔覆层高沉积精度和低稀释率的前提下，可增大熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力，提高粉末沉积效率和利用率，避免熔覆层产生气孔和裂纹等冶金缺陷，使熔覆层性能得到大幅提升。其中，超高速激光熔覆技术是目前新兴的技术，由于其能量密度和激光扫描速率相对传统激光熔覆技术大幅增大，导致熔池冷却速率和凝固结晶速度均增大，熔覆层的开裂倾向也进一步增大，使得超高速激光熔覆技术在沉积高硬度涂层时的局限性更大。因此，直接利用上述超高速激光熔覆技术实现高硬度熔覆层的熔覆存在弊端，故本领域技术人员需要进行进一步的研究，以从其他角度入手，实现超高速激光熔覆技术的有效利用。

本发明通过将感应加热与超高速激光熔覆技术相融合，可有效利用超高速激光熔覆技术的上述优点，并且还可克服超高速激光熔覆技术存在的熔池冷却速率和凝固结晶速度大，熔覆层开裂倾向大，沉积高硬度熔覆层时具有局限性的缺陷。通过感应加热单元的具体设计与布置，可有效避免工件表面加热不均匀、加工过程中需经历频繁快冷快热循环，造成熔覆层成形质量不稳定的问题，尤其适用于大轴径或大尺寸工件表面开裂敏感性高、加工难度大的材料涂层的高速熔覆，有效保证熔覆层的成形质量。

如图1所示，本发明实施例提供的超高速激光-感应复合熔覆方法具体包括如下步骤：

S1工件预处理：

首先固定待熔覆工件并进行预处理，具体的，将工件固定在工作平台上，采用打磨机或砂纸对工件表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，也可以采用激光清洗技术清除表面的锈迹与污染物。

S2设计工艺参数并调节各项参数：

设计工艺参数主要包括感应加热线圈的设计以及超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺的设计。超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺具体包括激光束斑直径、激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置、激光功率、激光加工速度、保护气流量、送粉量、送粉气流量、搭接率、感应加热线圈与工件表面的距离、工件加热温度等。

关于感应加热线圈的设计，具体根据待熔覆工件的特点针对性的设计并布置用于实现工件预热的感应加热线圈，更为具体的根据待熔覆工件的形状特点设计感应加热线圈的具体形状及布置方式。本发明适用于轴类实心零件、管件、板件和块状件，对于轴类实心零件而言，感应加热线圈设计为环形，并布置在工件的外部且与工件同轴设置，以对轴类实心零件的外表面进行加热，以此保证工件表面待熔覆区域加热温度的均匀性，可有效解决现有技术中工件表面加热不均匀，导致高熔覆效率下熔覆层成形质量不稳定的技术缺陷。对于管件，感应加热线圈设计为环形，并布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热。具体的，熔覆外表面时，感应加热线圈为环形，布置在工件外部且与工件同轴设置，以对管件外表面进行加热便于在管件外表面沉积熔覆层；熔覆内表面时，感应加热线圈为环形，布置在工件的内部同样与工件同轴设置，以对管件内表面进行加热便于在管件内表面沉积熔覆层。而对于内径较小的管件，在对其进行内表面熔覆时，考虑到感应加热线圈安装及精确定位困难，为了提高超高速激光-感应复合熔覆工艺稳定性、保证熔覆层沉积质量，可将感应加热线圈设置在工件的外部并与工件同轴设置，以从外表面向内加热工件的内表面及次表层便于在管件内表面沉积熔覆层。通过设计环形线圈并与工件同轴设置，以保证工件表面待熔覆区域加热温度的均匀性，可有效解决现有技术中工件表面加热不均匀，导致高熔覆效率下熔覆层成形质量不稳定的技术缺陷。对于板件和块状件而言，感应加热线圈为直线型，其位于工件的上方，以此保证高熔覆效率下，基底能被快速地加热至设定温度。

调节时，通过调整用于熔覆的激光、感应加热线圈和粉末束流的参数和作用位置，使得激光光斑达到预设的直径、感应加热线圈与工件表面的距离达到预设的距离以及激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的预设位置。具体而言，通过调整激光束离焦量，使得激光光斑达到预设的直径。其中，预设的直径为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm，由此保证熔覆过程中激光能量密度达到10³W/cm²-10⁴W/cm²。通过调整感应加热线圈与待熔覆工件的相对位置，使感应加热线圈与工件表面的距离达到预设的距离，预设的距离优选为1mm～10mm，由此保证基底表面及次表面一定深度的材料可被加热至预设温度。通过调整激光束斑、粉末束流和待熔覆工件的相对位置，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的预设位置，预设位置优选为0.5mm～5mm，由此保证激光束与合金粉末在基底上方充分交互作用，使合金粉末加热至熔融或半熔融态、并以流体或半固体形式喷射于基底表面并与激光直接照射在基体材料上所形成的微熔池相结合，进而保证熔覆层表面高沉积精度(即表面平整度)。

S3进行感应加热：

利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现工件待熔覆区域的全方位均匀加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层的质量稳定性。具体的，利用感应加热线圈将工件表面加热至预设温度，以在工件表面至0.5～5mm深度范围内形成该预设温度至室温间的梯度分布的温度场。预设温度为350℃～800℃，通过将温度设计在上述范围内，可满足不同合金材料凝固结晶时的冷却条件，进而降低熔覆层残余应力、避免熔覆层产生裂纹和气孔等冶金缺陷。该感应加热线圈安装在工件的外部或位于工件内部位于工件的上方。

S4进行超高速激光-感应复合熔覆：

待工件表面加热至预设温度后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在工件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池，进而制备获得与工件呈冶金结合的熔覆层。具体的，待工件表面加热至预设温度后，启动送粉器开始输送合金粉末，并使工件与感应加热线圈做相对运动，启动激光器并输出激光束，利用激光束斑与粉末束流在工件上方充分作用以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池，合金粉末以液体形式喷射于工件表面的微熔池后快速(10²℃/s～10³℃/s)冷却凝固，得到与工件呈冶金结合的熔覆层。熔覆过程中，激光束斑在工件表面的聚焦位置位于感应加热位置的前方、中间或后方。

具体的，超高速激光-感应复合熔覆的熔覆工艺如下：激光功率为1kW～15kW，激光加工速度(工件和激光束的相对运动速度)为20m/min～300m/min，激光加工保护气(具体为惰性气体，例如氩气)流量设计为10L/min～25L/min，保护气体通过上述流量设计可有效保护熔池，使其在熔覆过程中不被氧化，并提高熔池稳定性和熔覆层成形质量；送粉量为10g/min～400g/min，送粉气流量为2L/min～15L/min，用于送粉的气体具体为惰性气体，送粉气体通过上述流量设计可以使不同送粉量下的粉末稳定均匀地喷出，保证粉末流的喷出速度和喷出形态满足高速复合熔覆的要求，同时也可以进一步保护熔池，预防熔池氧化；搭接率为40％～90％。通过上述参数的配合作用，可以实现激光-粉末-基底交互作用的较佳匹配，以在基底表面得到高平整度(Ra＜10μm)、低稀释率(＜4％)、呈冶金结合的高质量熔覆层。为了实现粉末沉积效率和利用率的最大化，进一步对熔覆工艺进行优化，具体而言，激光功率为6kW～10kW，激光加工速度为210m/min～250m/min，送粉量为160g/min～400g/min，保护气流量为15L/min～25L/min；送粉气流量为3L/min～12L/min，搭接率为60％～90％。通过上述参数的配合作用，不仅可以实现激光-粉末-基底交互作用的最佳匹配，以在基底表面得到高平整度(Ra＜8μm)、低稀释率(＜4％)、呈冶金结合的高质量熔覆层，还可以使粉末利用率达到90％以上，沉积效率达到300cm²/min～800cm²/min。

S5结束熔覆：

熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，具体厚度要求根据实际加工需要确定。例如，表面耐蚀层通常需要0.02～0.1mm，表面修复或表面强化涂层厚度则通常＞0.8mm。若厚度达到要求，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度。具体的厚度可通过高精度厚度仪进行测量，单道熔覆层厚度可实现0.02mm～2mm大范围可调，满足各种厚度熔覆层的制备需求。

优选的，为了避免熔覆层存在冶金缺陷，所述方法还可包括如下步骤：S6熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷。如果检测发现表层有小气孔，则通过后处理去除，如果存在大裂纹等比较明显的缺陷，则当场处理。

进一步的，为了使工件熔覆表面的粗糙度达到应用需求，所述方法还包括如下步骤：S7对工件的熔覆层表面进行抛光处理。

本发明还针对管件这一具体对象，专门提出了适用于该对象的超高速激光-感应复合熔覆方法，其包括如下步骤：

S1固定待熔覆的管件并进行预处理；

S2设计环形的感应加热线圈，并将其布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热，感应加热线圈与工件表面的距离设计为5mm～10mm；同时设计用于管件的超高速激光-感应复合熔覆的超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺，其中激光束斑直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置设计为0.5mm～5mm；激光功率设计为1kW～15kW，优选为6kW～10kW；激光加工速度设计为20m/min～300m/min，优选为210m/min～250m/min；保护气流量设计为10L/min～20L/min；送粉量设计为10g/min～500g/min，优选为160g/min～400g/min；送粉气流量设计为5L/min～12L/min；搭接率设计为70％～90％；

S3利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热，保证管件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层的质量稳定性；

S4待管件待熔覆表面加热至400℃～700℃后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在管件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于管件预热表面的微熔池，进而制备获得与管件呈冶金结合的熔覆层；

S5熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，若是，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度，以此在管件待熔覆表面获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

如图2～5所示，本发明还提供了实现上述方法的超高速激光-感应复合熔覆装置，可以对不同尺寸实心部件的外表面，不同壁厚空心部件的内外表面，不同尺寸的板状/块状零件进行激光熔覆强化和修复。

该超高速激光-感应复合熔覆装置包括激光扫描单元、感应加热单元、粉末输送单元和三维移动单元，其中，激光扫描单元用于输出能量呈高斯分布或均匀分布的激光束斑；感应加热单元包括感应加热电源5、感应加热线圈7、红外测温仪8和温度控制器6，其中，感应加热线圈7与感应加热电源5相连，并安装在待熔覆的工件9的外部或位于工件9的内部或位于工件9的上方，且与工件表面保持预设距离(优选1mm～10mm)，红外测温仪8用于测量工件表面感应加热区域的温度，并将温度反馈给温度控制器6，该温度控制器6基于红外测温仪8反馈的温度控制感应加热线圈7的温度使其达到预设温度；粉末输送单元用于输送合金粉末以形成粉末束流，并使粉末束流与激光束斑汇聚于工件表面上方的预设位置，以此通过激光束斑的加热作用将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，加热后的合金粉末以液体或半固体形式喷射于工件表面的微熔池并快速冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层10；三维移动单元用于带动待熔覆工件进行三维运动，以保证超高速激光-感应复合熔覆在工件所需的熔覆位置进行。

具体的，激光扫描单元包括激光器1和激光聚焦或整形装置2，其中激光器1用于发射激光，激光聚焦或整形装置2用于对激光器1发射的激光进行聚焦或整形，以输出能量呈高斯分布或均匀分布的激光束斑。

进一步的，粉末输送单元包括自动送粉器3和高沉积率同轴送粉喷嘴4，自动送粉器1用于将合金粉末送至高沉积率同轴送粉喷嘴4，合金粉末经高沉积率同轴送粉喷嘴4送出以形成粉末束流，并与激光束斑汇聚于工件表面上方的预设位置，预设位置优选为0.5mm～5mm。

更为具体的，三维移动单元可以为数控机床11，机械手臂或三维运动轴12。

以下为本发明的实施例：

实施例1

本实施例对轴类实心部件的表面进行超高速激光-感应复合熔覆，具体以辊径为245mm的轧辊为例进行说明，对于其他辊径的轴类实心部件同样适用。

本实施例采用如图2所示的装置实施，运动控制单元采用四轴数控机床，具体实施步骤包括：

(1)选择粒径为25μm～60μm的Ni60合金粉末为熔覆材料，基材为高碳合金钢，采用三爪卡盘11b将工件固定在数控机床的旋转工作台11a上，采用打磨机或砂纸对工件表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，或者采用激光清洗设备清除表面锈迹和污染物；

(2)采用多匝环形感应加热线圈，线圈距轧辊表面距离为5mm；红外测温仪瞄准工件表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为500℃；

(3)调整激光束离焦量以及激光束与感应加热线圈的相对位置，使激光束斑聚焦于工件表面的感应加热线圈中间，激光束斑大小为Φ5mm；调整送粉器距工件表面的位置以及送粉气流量大小，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方3mm处；设置激光功率为10kw，保护气流量为25L/min，送粉量为500g/min，送粉气流量为15L/min，激光扫描速率为300m/min，搭接率为80％；

(4)开启感应加热电源和数控机床，使工件与感应加热线圈发生相对运动，待加热区域温度达到预设温度500℃后，打开激光器和送粉器，使聚焦激光束与粉末束流在工件上方充分作用将粉末束加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池，Ni60合金粉末以液体形式喷射于工件表面的微熔池后，快速冷却凝固得到与基体呈冶金结合的熔覆层；

(5)在轧辊的外表面熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)～(4)，直至达到满足需求的厚度。

实施例2

本实施例对管状空心部件的外表面进行超高速激光-感应复合熔覆，具体以直径为100mm、壁厚为8mm的管材为例进行说明，对于其他直径和壁厚的管状部件同样适用。

本实施例采用如图3所示的装置实施，运动控制单元采用四轴数控机床，具体实施步骤包括：

(1)选择Ni基合金-WC金属陶瓷复合粉末为熔覆材料，其中，Ni合金为粒径25μm～60μm的Ni60合金粉末，WC为20μm-50μm的铸造WC，两者采用机械混合方式混合，基材为普通低碳钢；采用三爪卡盘11b将工件固定在数控机床的旋转工作台11a上，采用打磨机或砂纸对工件表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，或者采用激光清洗设备清除表面锈迹和污染物；

(2)采用单匝环形感应加热线圈，线圈距管材表面距离为10mm，红外测温仪瞄准工件表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为800℃；

(3)调整激光束离焦量以及激光束与感应加热线圈的相对位置，使激光束斑在工件表面的聚焦位置略滞后于感应加热线圈加热位置，激光束斑大小为Φ3mm；调整送粉器距工件表面的位置以及送粉气流量大小，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方0.5mm处；设置激光功率为8kw，保护气流量为22L/min，送粉量为280g/min，送粉气流量为12L/min，激光加工速度为210m/min，搭接率为60％；

(4)开启感应加热电源和数控机床，使工件与感应加热线圈发生相对运动，待加热区域温度达到预设温度800℃后，打开激光器和送粉器，使聚焦激光束与粉末束流在工件上方充分作用，并将粉末束加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池，Ni60-WC复合粉末以Ni60熔体+WC颗粒形式喷射于工件表面的微熔池后，快速冷却凝固得到与基体呈冶金结合的熔覆层；

(5)在管材外表面熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)～(4)，直至达到满足需求的厚度；

(6)熔覆完之后采用渗透探伤检测熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷。

实施例3

本实施例对管状空心部件的内表面进行超高速激光-感应复合熔覆，感应线圈安装在工件的内部。具体以直径为200mm、壁厚为10mm的管材为例进行说明，对于其他直径和壁厚的管状部件同样适用。

本实施例采用如图4所示的装置实施，运动控制单元采用四轴数控机床，具体实施步骤包括：

(1)选择Co基合金-WC金属陶瓷复合粉末为熔覆材料，其中，Co基合金为粒径25μm～60μm的Stellite12合金粉末，WC为20μm-50μm的铸造WC，两者采用机械混合方式混合，基材为普通低碳钢；采用三爪卡盘将工件固定在数控机床上，采用打磨机对工件内表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，或者采用激光清洗设备清除表面锈迹和污染物；

(2)采用单匝环形感应加热线圈，安装在工件的内部，线圈距管材表面距离为1mm；红外测温仪瞄准工件表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为350℃；

(3)调整激光束离焦量以及激光束与感应加热线圈的相对位置，使激光束斑在工件表面的聚焦位置略滞后于感应加热线圈加热位置，激光束斑大小为Φ0.5mm；调整送粉器距工件表面的位置以及送粉气流量大小，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方2mm处；设置激光功率为1kw，保护气流量为10L/min，送粉量为10g/min，送粉气流量为2L/min，激光加工速度为20m/min，搭接率为90％；

(4)开启感应加热电源和数控机床，使工件与感应加热线圈发生相对运动，待加热区域温度达到预设温度350℃后，打开激光器和送粉器，使聚焦激光束与粉末束流在工件上方充分作用将粉末束加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池；Stellite12-WC复合粉末以Stellite12熔体+WC颗粒形式喷射于工件表面的微熔池后快速冷却凝固得到与基体呈冶金结合的熔覆层；

(5)在管材内表面熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)～(4)，直至达到满足需求的厚度；

(6)熔覆完之后采用超声探伤检测熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；

(7)对工件表面进行抛光处理，使表面粗糙度达到应用需求。

实施例4

本实施例对管状空心部件的内表面进行超高速激光-感应复合熔覆，感应线圈安装在工件的外部。具体以直径为80mm、壁厚为5mm的管材为例进行说明，对于其他直径和壁厚的管状部件同样适用。

本实施例采用如图5所示的装置实施，运动控制单元采用四轴数控机床，具体实施步骤包括：

(1)选择粒径为25μm-60μm的Fe基合金粉末为熔覆材料，基材为铸铁，采用三爪卡盘11b将工件固定在数控机床的旋转工作台11a上，采用打磨机或砂纸对工件内表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，或者采用激光清洗设备清除表面锈迹和污染物；

(2)采用多匝环形感应加热线圈，安装在工件外部，线圈距管材表面距离为5mm；红外测温仪瞄准工件表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为400℃；

(3)调整激光束离焦量以及激光束与感应加热线圈的相对位置，使激光束斑在工件表面的聚焦位置位于感应加热线圈加热位置的中间，激光束斑大小为Φ1mm；调整送粉器距工件表面的位置以及送粉气流量大小，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方1mm处；设置激光功率为5kw，保护气流量为15L/min，送粉量为100g/min，送粉气流量为5L/min，激光加工速度为80m/min，搭接率为40％；

(4)开启感应加热电源和数控机床，使工件与感应加热线圈发生相对运动，待加热区域温度达到预设温度400℃后，打开激光器和送粉器，使聚焦激光束与粉末束流在工件上方充分作用将粉末束加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池；Fe基合金粉末以熔体形式喷射于工件表面的微熔池后快速冷却凝固得到与基体呈冶金结合的熔覆层；

(5)在管材内表面熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)～(4)，直至达到满足需求的厚度；

(6)熔覆完之后采用超声探伤检测熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；

(7)对工件表面进行抛光处理，使表面粗糙度达到应用需求。

实施例5

本实施例对块状实心部件的表面进行超高速激光-感应复合熔覆，具体以长×宽×高为300mm×200mm×100mm的块状实心部件进行说明，对于其他各种形状和各种尺寸的实心部件同样适用。

本实施例采用如图6所示的装置实施，运动控制单元采用机械手臂，具体实施步骤包括：

(1)选择粒径为25μm-60μm的Ni-Cr-Si合金粉末为熔覆材料，基材为高碳合金钢；采用夹具12a将工件固定在工作平台上，采用砂纸对工件表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物，或者采用激光清洗设备清除表面锈迹和污染物；

(2)采用直线型感应加热线圈，线圈下表面与工件待熔覆表面平行，间隙为2mm；红外测温仪瞄准工件表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为700℃；

(3)调整激光束离焦量以及激光束与感应加热线圈的相对位置，使激光束斑在工件表面的聚焦位置略滞后于感应加热线圈加热位置，激光束斑大小为Φ2mm；调整送粉器距工件表面的位置以及送粉气流量大小，使激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方5mm处；设置激光功率为6kw，保护气流量为18L/min，送粉量为160g/min，送粉气流量为8L/min，激光加工速度为80m/min，搭接率为85％；

(4)开启感应加热电源和数控机床，使工件与感应加热线圈发生相对运动，待加热区域温度达到预设温度700℃后，打开激光器和送粉器，使聚焦激光束与粉末束流在工件上方充分作用将粉末束加热至熔滴或半熔滴态，少量激光束能量作用于预热的工件表面形成微熔池，Ni-Cr-Si合金粉末以熔体形式喷射于工件表面的微熔池后快速冷却凝固得到与基体呈冶金结合的熔覆层；

(5)熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)～(4)，直至达到满足需求的厚度；

(6)熔覆完之后采用超声探伤检测熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；

(7)选择对工件表面进行抛光处理，使表面粗糙度达到应用需求。

为了进一步说明本发明的技术效果，本发明还进一步分析了超高速激光-感应复合熔覆Ni60涂层的宏观、微观形貌和力学性能(即对采用实施例1中的相关参数和实施步骤制备的熔覆层进行测试)，并与相同激光加工参数、未引入感应加热(即单纯超高速激光熔覆)工艺下得到的Ni60熔覆层做了对比分析。结果表明，单纯超高速激光熔覆得到的Ni60涂层中存在大量的贯穿裂纹，而超高速激光-感应复合熔覆得到的Ni60涂层中未发现裂纹、致密度达到99.8％以上，如图6所示。并且，相同激光加工参数和送粉量条件下，单层超高速激光-感应复合熔覆Ni60涂层的稀释率约为2.2±0.2％、厚度约为355±10μm、二次枝晶臂间距约为1.15±0.40μm、硬度约为HV775±52、粉末利用率约为92％；单层超高速激光熔覆Ni60涂层的稀释率约为1.9％±0.3％、厚度约为198±15μm、硬度约为HV786±75、粉末利用率约为51％。这说明与单纯超高速激光-感应复合熔覆工艺对比，本发明提出的超高速激光-感应复合熔覆工艺能够在保证熔覆层精细组织的前提下，有效避免高硬度、难加工涂层材料中的裂纹和气孔等冶金缺陷，进而提高熔覆层的成形质量和力学性能，并且还能大幅增大合金粉末沉积效率和利用率，增大幅度高达79％。

本发明提出的超高速激光-感应复合熔覆技术可以在保证熔覆层低稀释率、高沉积精度的前提下，增大熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力，提高熔覆层沉积效率和粉末利用率；还可以通过对工件表面感应加热温度场分布的控制，调控激光熔池温度梯度和冷却速率，降低熔覆层残余应力、减小熔覆层开裂倾向，进而避免熔覆层中气孔和裂纹等冶金缺陷的产生。与传统激光-感应复合熔覆技术相比，本发明提出的超高速激光-感应复合熔覆技术改变了激光束-感应加热温度场-粉末束流-基体的交互作用过程，使基材热变形和热影响区更小、熔覆层稀释率更低、熔覆层表面光洁度增大，有利于提高熔覆层性能、减小后期加工成本。

本发明方法和装置实施工序简单、柔性好、加工稳定性高，且适用的熔覆材料范围广，包括各种耐磨、耐蚀、耐疲劳和耐热材料，具体有Fe基、Ni基、Co基等各种单一合金粉末和复合粉末，尤其是对于硬度较高、开裂倾向较大、难加工的金属硅化物和金属陶瓷复合涂层材料方面具有较大优势。对于高碳钢和铸铁等可焊性差、开裂倾向大的基体材料，本发明不仅可以在其表面获得无气孔和裂纹等冶金缺陷的硬面涂层，还能调控基体热影响区组织和性能，避免产生裂纹和综合性能较差的硬脆马氏体组织。

总体而言，本发明具有以下优势：一是在保证熔覆层高沉积精度和低稀释率的前提下，增大熔覆层不同物相界面和熔覆层/基底界面的结合力，并进一步提高熔覆层沉积效率和粉末利用率；二是可解决硬度较高、开裂倾向大、难加工材料在超高速激光熔覆工艺下的熔覆层易产生气孔和裂纹等冶金缺陷的技术难题；三是避免超高速激光熔覆技术下，高碳钢和铸铁等可焊性差、开裂倾向大的基体材料热影响区产生裂纹和硬脆马氏体等综合性能较差的组织。本发明适用于各种形状实心和空心部件的内外表面强化和修复，尤其是对于壁厚较小、易变形的薄壁件表面的高硬度耐磨涂层的强化和修复，其他熔覆技术均有一定局限性，本发明具有明显的技术优势，与其他熔覆技术相比，本发明在金属构件表面强化和修复领域具有更广的适用性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，针对作为加工对象的待熔覆工件，在其附近布置用于实现工件预热的感应加热线圈，且通过该感应加热线圈的自身形状及相对于待熔覆工件的空间布置将工件待熔覆区域加热到设定温度；在工件待熔覆区域上方，采用超高速激光熔覆与感应加热方式进行超高速激光-感应复合熔覆，使得激光束斑与粉末束流在熔覆区域的目标位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池，进而制备所需的高质量熔覆层。

2.如权利要求1所述的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，根据待熔覆工件的形状特点，优选对应设计感应加热线圈的形状及与待熔覆工件的空间布置方式。

3.如权利要求1或2所述的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，通过设计超高速激光熔覆的具体熔覆工艺及感应加热的具体加热工艺，并利用上述工艺执行超高速激光-感应复合熔覆，以实现超高速激光熔覆与感应加热的联动控制，进而利用超高速激光熔覆与感应加热的协同作用保证制备获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

4.一种超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1固定待熔覆工件并进行预处理；

S2设计并布置用于实现工件预热的感应加热线圈，同时设计超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺；

S3利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现工件待熔覆区域的全方位加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性；

S4待工件表面加热至预设温度后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在工件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于工件预热表面的微熔池，进而制备获得与工件呈冶金结合的熔覆层；

S5熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，若是，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度，以此获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

5.如权利要求4所述的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，具体根据待熔覆工件的形状特点设计感应加热线圈的具体形状及布置方式，具体而言，对于管件，感应加热线圈设计为环形，并布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热；对于轴类实心零件，感应加热线圈设计为环形，并布置在零件的外部且与零件同轴设置，以此实现零件待熔覆区域的全方位包围式加热；对于板状件和块状件，感应加热线圈设计为直线型，并布置在零件的上方，以此实现零件待熔覆区域的加热。

6.如权利要求4或5所述的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，超高速激光熔覆的熔覆工艺设计如下：激光束斑直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置设计为0.5mm～5mm；激光功率设计为1kW～15kW，优选为6kW～10kW；激光加工速度设计为20m/min～300m/min，优选为210m/min～250m/min；保护气流量设计为10L/min～25L/min，优选为15L/min～25L/min；送粉量设计为10g/min～500g/min，优选为160g/min～400g/min；送粉气流量设计为2L/min～15L/min，优选为3L/min～12L/min；搭接率设计为40％～90％，优选为60％～90％；优选的，感应加热工艺设计如下：感应加热线圈与工件表面的距离设计为1mm～10mm，工件的加热温度设计为350℃～800℃。

7.如权利要求4-6任一项所述的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，熔覆过程中，激光束斑在工件表面的聚焦位置位于感应加热位置的前方、中间或后方；优选的，所述方法还包括如下步骤：S6熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测熔覆层表面；优选的，所述方法还包括如下步骤：S7对工件的熔覆层表面进行抛光处理。

8.一种专用于管件的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1固定待熔覆的管件并进行预处理；

S2设计环形的感应加热线圈，并将其布置在管件的外部或内部且与管件同轴设置，以此实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热；同时设计用于管件的超高速激光-感应复合熔覆的超高速激光熔覆工艺和感应加热工艺；

S3利用针对性设计并布置的感应加热线圈按照设计的感应加热工艺实现管件待熔覆区域的全方位包围式加热，保证管件待熔覆区域温度分布的均匀性，确保后续制备的熔覆层的质量稳定性；

S4待管件待熔覆表面加热至预设温度后，利用设计的超高速激光熔覆工艺进行熔覆，熔覆过程中通过超高速激光熔覆与感应加热的联动控制及协同作用，使得激光束斑与粉末束流在管件待熔覆区域上方的指定位置进行交互作用，以将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，并以液体或半固体形式喷射于管件预热表面的微熔池，进而制备获得与管件呈冶金结合的熔覆层；

S5熔覆完一层熔覆层后，判断熔覆层的厚度是否满足要求，若是，则结束熔覆过程，若否，则重复步骤S2～S4，直至达到所需的厚度，以此在管件待熔覆表面获得无气孔、无裂纹且致密的高质量熔覆层。

9.如权利要求8所述的专用于管件的超高速激光-感应复合熔覆方法，其特征在于，激光熔覆在管件的外表面进行，感应加热线圈布置在管件的外部且与管件同轴设置；优选的，激光熔覆在管件的内表面进行，感应加热线圈布置在管件的内部或外部且与管件同轴设置；优选的，针对管件设计超高速激光熔覆的熔覆工艺如下：激光束斑直径设计为0.5mm～5mm，优选为1mm～3mm；激光束斑与粉末束流汇聚于工件表面上方的位置设计为0.5mm～5mm；激光功率设计为1kW～15kW，优选为6kW～10kW；激光加工速度设计为20m/min～300m/min，优选为210m/min～250m/min；保护气流量设计为10L/min～20L/min；送粉量设计为10g/min～500g/min，优选为160g/min～400g/min；送粉气流量设计为5L/min～12L/min；搭接率设计为70％～90％；设计感应加热工艺如下：感应加热线圈与工件表面的距离设计为5mm～10mm；工件的加热温度设计为400℃～700℃。

10.一种超高速激光-感应复合熔覆装置，其特征在于，包括激光扫描单元、感应加热单元、粉末输送单元和三维移动单元，其中：

所述激光扫描单元用于输出能量呈高斯分布或均匀分布的激光束斑；

所述感应加热单元包括感应加热电源、感应加热线圈、红外测温仪和温度控制器，其中，所述感应加热线圈与感应加热电源相连，该感应加热线圈根据待熔覆工件的特点进行针对性设计与布置，以实现工件待熔覆区域的全方位加热，保证工件待熔覆区域温度分布的均匀性；所述红外测温仪用于测量工件表面感应加热区域的温度，并将温度反馈给所述温度控制器，该温度控制器基于红外测温仪反馈的温度控制感应加热电源的输出功率，使感应加热线圈达到预设温度；

所述粉末输送单元用于输送粉末并在喷嘴处形成粉末束流，同时使粉末束流与激光束斑汇聚于工件表面上方的预设位置，以此通过激光束斑与粉末束流在工件上方的交互作用将合金粉末加热至熔滴或半熔滴态，最终合金粉末以液体或者半固体形式喷射于工件表面激光直接照射形成的微熔池，并快速冷却凝固得到与工件呈冶金结合的熔覆层；

所述三维移动单元用于带动待熔覆工件进行三维运动，以保证超高速激光-感应复合熔覆在工件所需位置进行。

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