一种梯度耐磨涂层及制备梯度耐磨涂层的方法

摘要

一种梯度耐磨涂层及制备梯度耐磨涂层的方法，采用Co50+0.15％CeO2粉末、Co50+0.25％CeO2+6％Ni/WC粉末及Co50+0.4％CeO2+12％Ni/WC粉末以同轴送粉方式在工件表面激光熔覆制备具有底层、过渡层与耐磨层结构的梯度耐磨涂层，实现零部件工作表面耐磨损性能的提升。熔覆过程中使用超声振动装置与轮廓跟踪电磁感应加热装置。对工件熔覆区附近区域施加一定程度的超声波振荡，可显著细化熔覆层晶粒大小、消除残余应力，从而减少裂纹产生，获得性能良好的熔覆层结构。利用轮廓跟踪电磁感应加热器可以有效减小熔覆层温度梯度带来的热应力，缓解开裂倾向。超声振动装置的工艺参数为：工作频率为10～20kHz，最大输出功率为1000W，气动压力为0.3～0.6MPa。轮廓跟踪电磁感应加热器工艺参数为：电压为380V、频率为60Hz、加热温度范围为150～1000℃。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工领域，涉及一种利用超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激 光熔覆的技术制备梯度耐磨涂层的方法，包括梯度耐磨涂层粉末成分与结构的设计方 法，该方法适用于激光表面熔覆处理方面。

背景技术

激光熔覆技术是一种先进的表面强化技术，通过不同的添料方式在被熔覆基体表面 放置被选择的涂层材料经激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀 释率极低且与基体形成冶金结合的表面涂层，所形成的涂层具有更好的耐磨、耐腐蚀性， 耐冲击、耐高温、抗氧化等性能。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有 稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆的材料较多、粒度及含量变化大等 特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

梯度涂层技术主要是指在基体材料上形成粉末成分渐变的涂层。现今梯度涂层的主 要研究方向是通过添加或自生增强与增韧相得方式在涂层中实现组织结构与相关物理 化学性能的渐变，可以大大地提高两种不相容材料的粘结强度，减小残余应力和热应力， 消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性。在增强连接强度的同时， 减小裂纹驱动力。本发明采用梯度涂层技术成功实现了无裂纹缺陷熔覆层的制备，在保 证硬度与耐磨性的同时，缓解涂层开裂倾向。

超声波振动是一种先进的振动技术，超声波是声波的一种，具有频率高、穿透能力 强等特点。实验证明，当超声波施加到材料上时，其产生的超声振动会改变材料的原始 构造，降低其变形抗力，可以使熔覆层内晶粒细化，消除残余应力从而减少裂纹产生。 所以本发明利用超声波辅助技术进行激光熔覆，可以获得表面光洁度高，无裂纹、夹渣， 晶粒均匀细化的熔覆层结构，具有良好的力学性能。

电磁感应加热是一项已经成熟并且广泛运用的加热技术，通过先进的电路系统在被加热 的金属内部产生高频磁场，高频磁场根据高频感应原理在被加热的金属内部产生高频电子碰 撞，从而产生热量使金属温度迅速上升，加热温度范围在100～1000℃。由于是高频感应原 理，高频线圈不和被加热金属直接接触，所以系统本身热辐射温度接近环境温度，只有50 ℃以下，人体完全可以触摸。在熔覆过程中使用电磁感应加热装置可以有效消除熔覆层的温 度梯度，消除热应力，从而减少裂纹产生，是改善涂层裂纹和表面质量的理想工艺方法。

中国专利CN203923374U公开了一种机械振动辅助激光熔覆轴类零件的装置，利用 该装置对轴类零件进行同步机械振动激光熔覆，以实现细化晶粒、消除残余应力、减少 裂纹的目的。但由于机械振动的频率一般只有几十个Hz，提供的振动能量受到限制。 本发明利用超声振动辅助激光熔覆，频率可达20kHz，振动能量大，对熔覆层的形成具 有更好的效果。

中国专利CN103305828A公开了一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及其方法，其 在一道激光熔覆完成后利用超声冲击对激光熔覆层进行作用，多道多层激光熔覆时，激 光熔覆与超声冲击交替进行。本发明是激光熔覆与超声振动同时进行，在熔覆材料熔化 到凝固的全过程中超声振动持续作用，能在晶粒形成过程中实现晶粒细化、消除残余应 力。

中国专利CN104451673A公开了一种同步超声振动辅助激光技术制备超高硬度熔覆 层的方法，其中利用超声振动预置粉末的方式制备耐磨涂层，但预置粉末法的激光利用 率比较低，被反射的激光能量、熔覆材料飞溅损失的能量较多。熔覆层烧损严重，基体 表面加热慢，且加热程度较低，而且熔覆层易产生气孔、变形、开裂，产生夹渣倾向较 大熔覆层稀释率不易控制，工艺过程复杂不易实现。由于熔覆粉末是均匀涂覆在基体表 面，因此在超声振动作用时，预置粉末层会因为高频剧烈振动而发生剥落，导致熔覆层 无法形成。本发明使用同步同轴送粉方式，较预置粉末法有较大优势。熔覆材料与基体 材料同时熔化、成形性好、熔覆速度快、烧损轻、熔覆材料与基材达到冶金结合、熔覆 层组织细小、强度高、熔覆材料成分方便可调。熔覆粉末不受超声振动的影响。

中国专利CN103898503A公开了一种激光一感应复合熔覆修复轴类零部件的方法， 在激光熔覆过程中利用电磁感应线圈对轴类部件进行感应加热，以期达到减少熔覆过程 中产生的温度梯度，从而避免裂纹生成。该加热方法中的电磁感应线圈对普通结构的轴 类部件比较适用。对于具有复杂结构的轴类零件，待加工表面形状不规则，线圈与零件 加热表面的距离无法保持一致，导致零件表面受热不均。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种梯度耐磨涂层及制备梯度耐 磨涂层的方法，不仅提高了基体的耐磨性，一定程度上还具有耐冲击、耐腐蚀、耐高温 等优异性能，可以很好地达到了减少温度梯度、避免裂纹生成的效果。

本发明采取的技术方案为：

本发明涉及一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂 层的系统，如图1，其包括数控操作设备1、数控电脑2、CO₂激光器3、三爪卡盘4、 熔覆基体5、激光折射镜6、同轴送粉激光头7、工具头8、氩气气瓶9、同步送粉器10、 变幅杆11、换能器12、定位夹具13、水平移动平台14、超声波发生器15、电磁感应加 热线圈16、红外测温探头17、数控工作台18；

所述数控操作设备1、CO₂激光器3、三爪卡盘4、激光折射镜6、同轴送粉激光头 7、数控工作台18组成CO₂激光器数控加工装置，CO₂激光器3发出的激光束经过激光 折射镜6与同轴送粉激光头7照射到熔覆基体，数控操作设备1控制数控工作台18、三 爪卡盘4与同轴送粉激光头7的运动方式；

所述超声波发生器15、水平移动平台14、定位夹具13、换能器12、变幅杆11、工 具头8组成超声振动装置，换能器12、变幅杆11与工具头8依次相连组成振动单元， 超声波发生器15通过信号传输线连接振动单元，振动单元通过定位夹具13与水平移动 平台14相固定，水平移动平台14再与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固 定，以上均通过螺栓固定；

所述红外测温探头17、电磁感应加热线圈16和数控电脑2组成轮廓跟踪电磁感应 加热器，数控电脑2通过信号传输线连接红外测温探头17与电磁感应加热线圈16。通 过数控电脑2控制电磁感应加热线圈16的加热轨迹与待熔覆表面外轮廓保持一致且线 圈始终距离待熔覆表面5～10mm，红外测温探头17则把线圈加热温度实时传回数控电脑 2以便实现温度控制；

所述氩气气瓶9分别与同轴送粉激光头7和同步送粉器10相连，同步送粉器10与 同轴送粉激光头7相连，氩气气瓶9通过同轴送粉激光头7向熔覆基体的熔覆区域吹送 氩气保护气，同步送粉器10通过同轴送粉激光头7向熔覆基体的熔覆区域吹送熔覆粉 末，熔覆基体5装夹于三爪卡盘4上；

所述定位夹具13包括一个定位基板22、四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓 24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个下夹紧块27、两个导向定 位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧块高度锁紧螺母31、两个 导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片34、两个夹紧垫片35。其 中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24与四个基板紧固垫片 34与水平移动平台14固定，定位基板22与下夹紧块27通过高度调节螺柱26相连。当 高度调节完毕时，将两个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺母32和两个导向锁紧垫 片33与定位基板22相固定。将振动单元装夹于上夹紧块29与下夹紧块27中间的夹紧 孔中，通过两个夹紧螺钉30与两个夹紧垫片35实现夹紧。该定位夹具13可以实现工 具头8高度方向上的调节，并确保工具头8始终垂直于熔覆基体5的中轴线，水平移动 平台14可使工具头8实现在水平面上的单向运动；

所述水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动旋转把手37、XY轴移 动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓41组成。其中X轴移动 旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动，水平 移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固定；

本发明涉及一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂 层，所述梯度耐磨涂层分为四层，包括底层、两层过渡层及耐磨层。其中，底层采用 Co50+0.15％CeO₂粉末，过渡层采用Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末，上层的耐磨层采 用Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末。底层激光熔覆时采用12～22％的大稀释率，确保 与基体形成良好的冶金结合，并使底层的热膨胀系数接近母材，降低残余应力引起的熔 覆层开裂倾向。两层过渡层采用6～8％小稀释率激光熔覆制备，提高硬度计耐磨性能。 在过渡层之上激光熔覆制备5～7％小稀释率耐磨层，由于WC含量的逐渐增加，在硬度 与耐磨性能提高的同时，缓解了涂层的开裂倾向。其中，底层激光熔覆参数为：激光功 率1700W～1900W，扫描速度270～290mm/min，送粉率0.5～0.7r/min，光斑直径4～5mm， 搭接率40％～50％，熔高0.3～0.5mm；过渡层激光熔覆参数为：激光功率1600W～1800W， 扫描速度270～290mm/min，送粉率0.6～0.8r/min，光斑直径4～5mm，搭接率40％～50％， 熔高0.7～0.9mm；耐磨层激光熔覆参数为：激光功率2000W～2200W，扫描速度 270～290mm/min，送粉率0.7～0.9r/min，光斑直径4～5mm，搭接率40％～50％，熔高 1.0～1.2mm。激光熔覆过程中载粉与保护气为氩气，送粉气体流量700L/h，保护气体流 量14L/min；

所述Co50合金粉末化学成分为(按质量百分含量计算)：Cr：21.6％，Ni：10.4％， Si：1.8％，B：2.55％，C：0.1％，W：5.62％，Co余量；

所述Ni/WC粉末化学成分为(按质量百分含量计算)：C：1.5～3.0％，B：1.5～3.5％， Si：1.0～4.0％，Fe<14％，Cr：8.0～12.0％，W：5.62％，Ni：余量；

具体实施步骤如下：

(1)配制制备梯度耐磨涂层的粉末，然后进行球磨、烘干；

(2)对待熔覆基体进行预处理，用砂纸打磨熔覆表面，而后用丙酮擦洗表面，安装 相应的辅助工装夹具。然后对熔覆基体进行预热处理，水平移动平台与CO₂激光器数控 加工装置的数控工作台相固定，振动单元通过定位夹具与水平移动平台相固定；

(3)将预热后的熔覆基体装夹在三爪卡盘上，利用水平移动平台将工具头压紧在熔 覆基体上，打开同步送粉器与氩气气瓶，启动CO₂激光器、数控操作设备、超声波发生 器与轮廓跟踪电磁感应加热器，在待熔覆表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层。采用 Co50+0.15％CeO₂粉末熔覆底层，第二、三层为过渡层采用Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC 粉末制备，采用Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末制备外表面的耐磨层。数控操作设备控 制数控工作台、三爪卡盘与同轴送粉激光头按照数控程序进行运动。氩气气瓶持续为同 轴送粉激光头与同步送粉器供气，同步送粉器通过同轴送粉激光头向熔覆区域持续吹送 熔覆粉末，氩气气瓶通过同轴送粉激光头向熔覆基体的熔覆区域吹送氩气保护气，送粉 气与保护气流量分别为700L/h与14L/min。工具头对熔覆基体靠近熔覆区的区域持续施加 超声振动，振动频率为15kHz。轮廓跟踪电磁感应加热器通过数控电脑控制线圈加热的 轨迹始终与待熔覆表面外轮廓形状保持一致，并且线圈始终距离待熔覆表面5～10mm， 利用红外测温探头控制熔覆区域被感应加热温度为800℃，线圈持续加热熔覆区域至熔 覆结束；

(4)梯度耐磨涂层制备结束时，同时关闭CO₂激光器、数控操作装置、超声波发生 器与轮廓跟踪电磁感应加热器。然后，关闭氩气气瓶及同步送粉器。对激光熔覆后的熔 覆基体进行保温处理，然后随炉冷却，直至所有待熔覆表面完成梯度耐磨涂层的制备， 步骤同上；

所述超声振动工艺参数为：工作频率范围为10～20kHz，最大输出功率为1000W，气 动压力为0.3～0.6MPa；

所述电磁感应加热装置工艺参数为：工作电压为380V，频率为60Hz，加热温度范围 150～1000℃。

本发明具有如下有益效果：

(1)利用激光熔覆技术制备梯度耐磨涂层不仅提高了基体的耐磨性，一定程度上还 具有耐冲击、耐腐蚀、耐高温等优异性能，由于梯度涂层的物理化学性能从基体到最外 层呈渐变的梯度分布，有效降低了不同材质涂层之间的热应力与界面应力，从而缓解开 裂倾向，提高熔覆层的使用性能；

(2)激光熔覆过程中，采用同步同轴送粉方式，较预置粉末法有较大优势。熔覆材 料与基体材料同时熔化、成形性好、熔覆速度快、烧损轻、熔覆材料与基体达到冶金结 合、熔覆层组织细小、强度高、熔覆材料成分与送粉量方便可调。熔覆粉末不受超声振 动与电磁感应加热的影响；

(3)激光熔覆过程中，在基体熔覆区的附近区域持续施加超声振动后，缓解熔覆层 残余应力，减少裂纹生成。由于是在熔池形成到凝固的全过程施加超声振动，可以在晶 粒形成过程中将粗大的柱状晶、树枝晶振碎，从而产生更多晶核，形成细小的等轴晶， 以此实现细化熔覆层内部晶粒的目的；

(4)通过轮廓跟踪电磁感应加热器的数控电脑控制线圈加热轨迹与熔覆区域外轮廓 形状保持一致，实现熔覆区域的均匀加热从而提高熔覆层表面质量，同时降低基体熔覆 过程中快冷产生的温度梯度，消除热应力，减少裂纹；

(5)实施例1中的凸轮边缘防塌陷保护套有效的保护凸轮在熔覆过程中不会因为激 光照射而发生边缘塌陷现象，除此之外，由于保护套材料为紫铜，因此可以更快的将基 体熔覆过程中产生的热量散失掉，加快熔凝速度，从而细化晶粒。

附图说明

图1为本发明超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层系 统的示意图；

图2为实施例1的高压油泵凸轮轴凸轮表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层示意图；

图3为实施例2的汽车发动机曲轴表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层示意图；

图4为实施例3的汽车变速箱阶梯轴表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层示意图；

图5为本发明中梯度耐磨涂层形貌示意图；

图6为本发明中超声振动单元与定位夹具及水平移动平台的装配示意图，其中工具 头8、变幅杆11与换能器12组成振动单元；

图7为本发明中定位夹具示意图。其中a为定位夹具主视图，b为定位夹具左视图， c为定位夹具俯视图，d为定位夹具轴侧图；

图8为本发明中水平移动平台示意图，其中a为水平移动平台主视图，b为水平移 动平台左视图，c为水平移动平台俯视图，d为水平移动平台轴侧图；

图9为本发明中实施例1的高压油泵凸轮轴示意图，其中a为高压油泵凸轮轴主视 图，b为高压油泵凸轮轴A-A截面图，c为高压油泵凸轮轴B-B凸轮截面图，d为高压 油泵凸轮轴C-C截面图；

图10为本发明中实施例2的汽车发动机曲轴示意图，其中a为汽车发动机曲轴主 视图，b为汽车发动机曲轴D-D截面图，c为汽车发动机曲轴E-E曲轴熔覆表面截面图， d为汽车发动机曲轴F-F截面图；

图11为本发明中实施例3的汽车变速箱阶梯轴示意图，其中a为汽车变速箱阶梯 轴主视图，b为汽车变速箱阶梯轴G-G截面图，c为汽车变速箱阶梯轴H-H截面图；

图12为本发明中针对高压油泵凸轮轴凸轮形状设计的边缘防塌陷保护夹具21示意 图，其中a为边缘防塌陷保护夹具主视图，b为边缘防塌陷保护夹具左视图；

图13为本发明中针对高压油泵凸轮轴凸轮形状设计的边缘防塌陷保护夹具19示意 图，其中a为边缘防塌陷保护夹具主视图，b为边缘防塌陷保护夹具左视图；

图14为本发明中高压油泵凸轮轴尾部三爪辅助夹具示意图；

图15为本发明中汽车发动机曲轴尾部三爪辅助夹具示意图，其中a为三爪辅助夹 具I-I截面图，b为三爪辅助夹具主视图；

图16为本发明中汽车变速箱阶梯轴尾部三爪辅助夹具示意图，其中a为三爪辅助 夹具J-J截面图，b为三爪辅助夹具主视图。

具体实施方式

以高压油泵凸轮轴为实施例1，具体实施方式：

高压油泵凸轮轴，凸轮形状复杂，熔覆表面属于复杂回转体曲面，如使用以上发明 中的感应加热方法会使凸轮凹凸面的受热不均匀，增大温度梯度，导致熔覆层开裂。所 以本发明使用轮廓跟踪电磁感应加热器在熔覆过程中加热凸轮，通过轮廓跟踪电磁感应 加热器的数控电脑使线圈加热轨迹与凸轮外轮廓保持一致，可以很好地达到了减少温度 梯度、避免裂纹生成的效果。

如图2所示，高压油泵凸轮轴凸轮表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层的示意图，涉及 一种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的系统，其包括 数控操作设备1、数控电脑2、CO₂激光器3、三爪卡盘4、高压油泵凸轮轴5、激光折 射镜6、同轴送粉激光头7、工具头8、氩气气瓶9、同步送粉器10、变幅杆11、换能 器12、定位夹具13、水平移动平台14、超声波发生器15、电磁感应加热线圈16、红外 测温探头17、数控工作台18、边缘防塌陷保护夹具19、三爪辅助夹具20、边缘防塌陷 保护夹具21；

所述数控操作设备1、CO₂激光器3、三爪卡盘4、激光折射镜6、同轴送粉激光头 7、数控工作台18组成CO₂激光器数控加工装置，CO₂激光器3发出的激光束经过激 光折射镜6与同轴送粉激光头7照射到高压油泵凸轮轴5的凸轮表面，数控操作设备1 控制数控工作台18、三爪卡盘4与同轴送粉激光头7的运动方式；

所述超声波发生器15、水平移动平台14、定位夹具13、换能器12、变幅杆11、工 具头8组成超声波振动装置，换能器12、变幅杆11与工具头8依次相连组成振动单元， 超声波发生器15通过信号传输线连接振动单元，振动单元通过定位夹具13与水平移动 平台14固定，水平移动平台14再与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18固定， 以上均通过螺栓固定；

所述红外测温探头17、电磁感应加热线圈16和数控电脑2组成轮廓跟踪电磁感应 加热器，数控电脑2通过信号传输线连接红外测温探头17与电磁感应加热线圈16。通 过数控电脑2控制电磁感应加热线圈16的加热轨迹与凸轮表面外轮廓保持一致且线圈 始终距离凸轮表面5～10mm，红外测温探头17则把线圈加热温度实时传回数控电脑2 以便实现温度控制；

所述氩气气瓶9分别与同轴送粉激光头7和同步送粉器10相连，同步送粉器10与 同轴送粉激光头7相连，氩气气瓶9通过同轴送粉激光头7向高压油泵凸轮轴5的凸轮 表面吹送氩气保护气，同步送粉器10通过同轴送粉激光头7向高压油泵凸轮轴5的凸 轮表面吹送熔覆粉末；

所述定位夹具13，本发明设计的定位夹具包括一个定位基板22、四个基板紧固螺 母23、四个基板紧固螺栓24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个 下夹紧块27、两个导向定位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧 块高度锁紧螺母31、两个导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片 34、两个夹紧垫片35。其中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓 24与四个基板紧固垫片34与水平移动平台14固定，定位基板22与下夹紧块27通过高 度调节螺柱26相连。当高度调节完毕时，将两个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺 母32和两个导向锁紧垫片33与定位基板22相固定。将振动单元装夹于上夹紧块29与 下夹紧块27中间的夹紧孔中，通过两个夹紧螺钉30与两个夹紧垫片35实现夹紧。该 定位夹具13可以实现工具头8高度方向上的调节，并确保工具头8始终垂直于高压油 泵凸轮轴5的中轴线，水平移动平台14可使工具头8实现在水平面上的单向运动；

所述水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动旋转把手37、XY轴移 动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓41组成。其中X轴移动 旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动，水平 移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固定；

所述边缘防塌陷保护夹具19，其中42为夹紧螺钉，43为三个形状完全相同的夹紧块。 使用时将该保护夹具19的三个夹紧块43安装于待熔覆凸轮靠近另一凸轮一侧的端面，利 用夹紧螺钉42实现保护套的夹紧；

所述边缘防塌陷保护夹具21，其中42为夹紧螺钉。使用时将该保护夹具21安装于凸 轮靠近轴端一侧的端面，利用夹紧螺钉42实现保护套的夹紧；

所述边缘防塌陷保护夹具19与边缘防塌陷保护夹具21分别装夹在高压油泵凸轮轴 5的待熔覆凸轮两侧，在尾端安装三爪辅助夹具20，高压油泵凸轮轴5装夹于三爪卡盘 4上；

首先，配制底层Co50+0.15％CeO₂粉末、过渡层Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末 与耐磨层Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末，将配制好的熔覆粉末放入球磨机混合 20min，球磨后将粉末80℃干燥2h；

其次，对高压油泵凸轮轴进行预处理，用砂纸打磨待熔覆凸轮表面去除杂质，然后 用丙酮擦洗并烘干。在高压油泵凸轮轴尾部安装三爪辅助夹具并在待熔覆凸轮两侧安装 边缘防塌陷保护夹具，300℃预热1h。水平移动平台与CO₂激光器数控加工设备的数控工 作台相固定，超声振动单元通过定位夹具与水平移动平台相固定；

再次，将预热后的高压油泵凸轮轴装夹在三爪卡盘上，利用水平移动平台将工具头 压紧在凸轮轴上，打开同步送粉器与氩气气瓶，启动CO₂激光器、数控操作设备、超声 波发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器，在凸轮表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层。采用 Co50+0.15％CeO₂粉末熔覆底层，第二、三层为过渡层采用Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC 粉末制备，采用Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末制备外表面的耐磨层。数控操作设备控 制数控工作台、三爪卡盘与同轴送分激光头按数控程序进行运动。氩气气瓶持续为同轴 送粉激光头与同步送粉器供气，同步送粉器通过同轴送粉激光头向凸轮表面持续吹送熔 覆粉末，氩气气瓶通过同轴送粉激光头向高压油泵凸轮轴的凸轮表面吹送氩气保护气， 送粉气与保护气流量分别为700L/h与14L/min。工具头对高压油泵凸轮轴靠近熔覆区的区 域持续施加超声振动，振动频率为15kHz。轮廓跟踪电磁感应加热器通过数控电脑控制 线圈加热的轨迹始终与凸轮表面外轮廓形状保持一致，并且线圈始终距离凸轮表面 5～10mm，利用红外测温探头控制凸轮表面被感应加热温度为800℃，线圈持续加热凸轮 表面至熔覆结束；

最后，待一个凸轮熔覆结束时，同时关闭CO₂激光器、数控操作装置、超声波发生 器与轮廓跟踪电磁感应加热器。然后，关闭氩气气瓶及同步送粉器，将凸轮轴300℃保 温1h，之后随炉冷却。待温度冷却至室温时开始熔覆第二个凸轮，步骤同上；

超声振动工艺参数为：工作频率范围为10～20kHz，最大输出功率为1000W，气动压 力为0.3～0.6MPa。电磁感应加热装置工艺参数为：电压为380V、频率为60Hz、加热温度 范围为150～1000℃。

以汽车发动机曲轴为实施例2，具体实施方法如下：

如图3所示，汽车发动机曲轴表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层的示意图，涉及一种 超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的系统，其包括数控 操作设备1、数控电脑2、CO₂激光器3、三爪卡盘4、汽车发动机曲轴5、激光折射镜6、 同轴送粉激光头7、工具头8、氩气气瓶9、同步送粉器10、变幅杆11、换能器12、定 位夹具13、水平移动平台14、超声波发生器15、电磁感应加热线圈16、红外测温探头 17、数控工作台18、三爪辅助夹具20；

所述数控操作设备1、CO₂激光器3、三爪卡盘4、激光折射镜6、同轴送粉激光头 7、数控工作台18组成CO₂激光器数控加工装置，CO₂激光器3发出的激光束经过激 光折射镜6与同轴送粉激光头7照射到汽车发动机曲轴5的待熔覆表面，数控操作设备 1控制数控工作台18、三爪卡盘4与同轴送粉激光头7的运动方式；

所述超声波发生器15、水平移动平台14、定位夹具13、换能器12、变幅杆11、工 具头8组成超声波振动装置，换能器12、变幅杆11与工具头8依次相连组成振动单元， 超声波发生器15通过信号传输线连接振动单元，振动单元通过定位夹具13与水平移动 平台14相固定，水平移动平台14再与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固 定，以上均通过螺栓固定；

所述红外测温探头17、电磁感应加热线圈16和数控电脑2组成轮廓跟踪电磁感应 加热器，数控电脑2通过信号传输线连接红外测温探头17与电磁感应加热线圈16。通 过数控电脑2控制电磁感应加热线圈16的加热轨迹与待熔覆表面外轮廓保持一致且线 圈始终距离待熔覆表面5～10mm，红外测温探头17则把线圈加热温度实时传回数控电脑 2以便实现温度控制；

所述氩气气瓶9分别与同轴送粉激光头7和同步送粉器10相连，同步送粉器10与 同轴送粉激光头7相连，氩气气瓶9通过同轴送粉激光头7向汽车发动机曲轴5的熔覆 区域吹送氩气保护气，同步送粉器10通过同轴送粉激光头7向汽车发动机曲轴5的熔 覆区域吹送熔覆粉末；

所述定位夹具13包括一个定位基板22、四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺 栓24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个下夹紧块27、两个导向 定位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧块高度锁紧螺母31、两 个导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片34、两个夹紧垫片35。 其中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24与四个基板紧固垫片 34与水平移动平台14固定，定位基板22与下夹紧块27通过高度调节螺柱26相连。当 高度调节完毕时，将两个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺母32和两个导向锁紧垫 片33与定位基板22相固定。将振动单元装夹于上夹紧块29与下夹紧块27中间的夹紧 孔中，通过两个夹紧螺钉30与两个夹紧垫片35实现夹紧。该定位夹具13可以实现工 具头8高度方向上的调节，并确保工具头8始终垂直于汽车发动机曲轴5的中轴线，水 平移动平台14可使工具头8实现在水平面上的单向运动；

所述水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动旋转把手37、XY轴移 动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓41组成。其中X轴移动 旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动，水平 移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固定；

所述三爪辅助夹具20安装在汽车发动机曲轴5尾部，汽车发动机曲轴5装夹于三 爪卡盘4上；

首先，配制底层Co50+0.15％CeO₂粉末、过渡层Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末 与耐磨层Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末，将配制好的熔覆粉末放入球磨机混合 20min，球磨后将粉末80℃干燥2h；

其次，对汽车发动机曲轴进行预处理，用砂纸打磨曲轴待熔覆表面去除杂质，然后 用丙酮擦洗并烘干。在汽车发动机曲轴尾部安装三爪辅助夹具，300℃预热1h。水平移 动平台与CO₂激光器数控加工设备的工作台相固定，超声振动装置通过定位夹具与水平 移动平台相固定；

再次，将预热后的汽车发动机曲轴装夹在三爪卡盘上，利用水平移动平台将工具头 压紧在曲轴上，打开同步送粉器与氩气气瓶，启动CO₂激光器、数控操作设备、超声波 发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器，在曲轴待熔覆表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层。采 用Co50+0.15％CeO₂粉末熔覆底层，第二、三层为过渡层采用 Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末制备，采用Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末制备外表 面的耐磨层。数控操作设备控制数控工作台、三爪卡盘与同轴送粉激光头按数控程序进 行运动。氩气气瓶持续为同轴送粉激光头与同步送粉器供气，同步送粉器通过同轴送粉 激光头向熔覆区域持续吹送熔覆粉末，氩气气瓶通过同轴送粉激光头向汽车发动机曲轴 的熔覆区域吹送氩气保护气，送粉气与保护气流量分别为700L/h与14L/min。工具头对 曲轴靠近熔覆区的区域持续施加超声振动，振动频率为15kHz。轮廓跟踪电磁感应加热 器通过数控电脑控制线圈的加热轨迹始终与待熔覆表面外轮廓形状保持一致，并且线圈 始终距离待熔覆表面5～10mm，利用红外测温探头控制熔覆区域被感应加热温度为800 ℃，线圈持续加热熔覆区域至熔覆结束；

最后，待一个曲轴表面熔覆结束时，同时关闭CO₂激光器、数控操作装置、超声波 发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器。然后，关闭氩气气瓶及同步送粉器，将曲轴350℃ 保温1h，之后随炉冷却。待温度冷却至室温时开始熔覆第二个曲轴待熔覆表面，步骤同 上，直至四个曲轴待熔覆表面完成梯度耐磨涂层的制备；

超声振动装置工作参数同实施例1；

轮廓跟踪电磁感应加热器工作参数同实施例1。

以汽车变速箱阶梯轴为实施例3，具体实施方法如下：

如图4所示，汽车变速箱阶梯轴表面激光熔覆制备梯度耐磨涂层的示意图，涉及一 种超声振动与轮廓跟踪电磁感应加热辅助激光熔覆制备梯度耐磨涂层的系统，其包括数 控操作设备1、数控电脑2、CO₂激光器3、三爪卡盘4、汽车变速箱阶梯轴5、激光折射镜 6、同轴送粉激光头7、工具头8、氩气气瓶9、同步送粉器10、变幅杆11、换能器12、定 位夹具13、水平移动平台14、超声波发生器15、电磁感应加热线圈16、红外测温探头17、 数控工作台18、三爪辅助夹具20；

所述数控操作设备1、CO₂激光器3、三爪卡盘4、激光折射镜6、同轴送粉激光头 7、数控工作台18组成CO₂激光器数控加工装置，CO₂激光器3发出的激光束经过激 光折射镜6与同轴送粉激光头7照射到汽车变速箱阶梯轴5的待熔覆表面，数控操作设 备1控制数控工作台18、三爪卡盘4与同轴送粉激光头7的运动方式；

所述超声波发生器15、水平移动平台14、定位夹具13、换能器12、变幅杆11、工 具头8组成超声波振动装置，换能器12、变幅杆11与工具头8依次相连组成振动单元， 超声波发生器15通过信号传输线连接振动单元，振动单元通过定位夹具13与水平移动 平台14固定，水平移动平台14再与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18固定， 以上均通过螺栓固定；

所述红外测温探头17、电磁感应加热线圈16和数控电脑2组成轮廓跟踪电磁感应 加热器，数控电脑2通过信号传输线连接红外测温探头17与电磁感应加热线圈16。通 过数控电脑2控制电磁感应加热线圈16的加热轨迹与待熔覆表面外轮廓保持一致且线 圈始终距离待熔覆表面5～10mm，红外测温探头17则把线圈加热温度实时传回数控电脑 2以便实现温度控制；

所述氩气气瓶9分别与同轴送粉激光头7和同步送粉器10相连，同步送粉器10与 同轴送粉激光头7相连，氩气气瓶9通过同轴送粉激光头7向汽车变速箱阶梯轴5的熔 覆区域吹送氩气保护气，同步送粉器10通过同轴送粉激光头7向汽车变速箱阶梯轴5 的熔覆区域吹送熔覆粉末；

所述定位夹具13包括一个定位基板22、四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓 24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个下夹紧块27、两个导向定 位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧块高度锁紧螺母31、两个 导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片34、两个夹紧垫片35。其 中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24与四个基板紧固垫片 34与水平移动平台14固定，定位基板22与下夹紧块27通过高度调节螺柱26相连。当 高度调节完毕时，将两个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺母32和两个导向锁紧垫 片33与定位基板22相固定。将振动单元装夹于上夹紧块29与下夹紧块27中间的夹紧 孔中，通过两个夹紧螺钉30与两个夹紧垫片35实现夹紧。该定位夹具13可以实现工 具头8高度方向上的调节，并确保工具头8始终垂直于汽车变速箱阶梯轴5的中轴线， 水平移动平台14可使工具头8实现在水平面上的单向运动；

所述水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动旋转把手37、XY轴移 动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓41组成。其中X轴移动 旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X轴与Y轴的移动，水平 移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO₂激光器数控加工装置的数控工作台18相固定；

所述三爪辅助夹具20安装在汽车变速箱阶梯轴5尾部，然后将汽车变速箱阶梯轴5 装夹于三爪卡盘4上；

首先，配制底层Co50+0.15％CeO₂粉末、过渡层Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末 与耐磨层Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末，将配制好的熔覆粉末放入球磨机混合 20min，球磨后将粉末80℃干燥2h；

其次，对汽车变速箱阶梯轴进行预处理，用砂纸打磨阶梯轴待熔覆表面以去除杂质， 然后用丙酮擦洗并烘干。在汽车变速箱阶梯轴尾部安装三爪辅助夹具，300℃预热1h。 水平移动平台与CO₂激光器数控加工设备的工作台固定，超声振动装置通过定位夹具与 水平移动平台相固定；

再次，将预热后的汽车变速箱阶梯轴装夹在三爪卡盘上，利用水平二轴工作台将工 具头压紧在曲轴上，打开同步送粉器与氩气气瓶，启动CO₂激光器、数控操作设备、超 声波发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器，在阶梯轴待熔覆表面激光熔覆制备梯度耐磨涂 层。数控操作设备控制数控工作台、三爪卡盘与同轴送分激光头按数控程序进行运动。 采用Co50+0.15％CeO₂粉末熔覆底层，第二、三层为过渡层采用 Co50+0.25％CeO₂+6％Ni/WC粉末制备，采用Co50+0.4％CeO₂+12％Ni/WC粉末制备外表 面的耐磨层。氩气气瓶持续为同轴送粉激光头与同步送粉器供气，同步送粉器通过同轴 送粉激光头向熔覆区域持续吹送熔覆粉末，氩气气瓶通过同轴送粉激光头向汽车变速箱 阶梯轴的熔覆区域吹送氩气保护气，送粉气与保护气流量分别为700L/h与14L/min。工 具头对汽车变速箱阶梯轴靠近熔覆区的区域持续施加超声振动，振动频率为15kHz。轮 廓跟踪电磁感应加热器通过数控电脑控制线圈加热的轨迹始终与待熔覆表面外轮廓形 状保持一致，并且线圈始终距离待熔覆表面5～10mm，利用红外测温探头控制熔覆区域 被感应加热温度为800℃，线圈持续加热熔覆区至熔覆结束；

最后，待一个阶梯轴颈表面熔覆结束时，同时关闭CO₂激光器、数控操作装置、超 声波发生器与轮廓跟踪电磁感应加热器。然后，关闭氩气气瓶及同步送粉器，将阶梯轴 330℃保温1h，之后随炉冷却。待温度冷却至室温时开始熔覆第二个阶梯轴颈待熔覆表 面，直至所有阶梯轴待熔覆表面完成梯度耐磨涂层的制备，步骤同上；

超声振动工作参数同实施例1；

电磁感应加热装置工作参数同实施例1。

如图5所示，本发明中梯度耐磨涂层由abcd四层组成，其中层a为耐磨层，层b为第二 过渡层，层c为第一过渡层，层d为底层，e为熔覆基体。

如图6所示，工具头8、变幅杆11、换能器12、定位夹具13与水平移动平台14组 成超声振动的工作部分。其中工具头8、变幅杆11与换能器12组成振动单元。振动单 元装夹于定位夹具13之上，定位夹具13与水平移动平台14通过紧固螺栓固定。旋转 水平移动平台14的旋转把手可以实现工具头在水平面上的单向运动。

如图7所示，本发明设计的定位夹具包括一个定位基板22、四个基板紧固螺母23、 四个基板紧固螺栓24、一个基板高度锁紧螺母25、一个高度调节螺柱26、一个下夹紧块 27、两个导向定位螺柱28、一个上夹紧块29、两个夹紧螺钉30、一个下夹紧块高度锁紧 螺母31、两个导向锁紧螺母32、两个导向锁紧垫片33、四个基板紧固垫片34、两个夹紧 垫片35。其中定位基板22通过四个基板紧固螺母23、四个基板紧固螺栓24、四个基板紧 固垫片34与水平移动平台14相固定，定位基板22与下夹紧块27通过高度调节螺柱26相 连。当高度调节完毕时，将下夹紧块高度锁紧螺母31与基板高度锁紧螺母25旋紧，将两 个导向定位螺柱28通过两个导向锁紧螺母32和两个导向锁紧垫片33与定位基板22相固 定。将振动单元装夹于上夹紧块29与下夹紧块27中间的夹紧孔中，通过两个夹紧螺钉30 与两个夹紧垫片35实现夹紧。

如图8所示，本发明使用的水平移动平台14，其主要由X轴T型移动台36、X轴移动 旋转把手37、XY轴移动导向台38、Y轴移动旋转把手39、Y轴移动台40、四个紧固螺栓 41组成。其中X轴移动旋转把手37与Y轴移动旋转把手39分别控制水平移动工作台的X 轴与Y轴的移动，水平移动平台14通过四个紧固螺栓41与CO₂激光器数控加工装置的数 控工作台18相固定。

如图12所示，针对高压油泵凸轮轴凸轮形状设计的边缘防塌陷保护夹具21，其中42 为夹紧螺钉。使用时将该保护夹具21安装于凸轮靠近轴端一侧的端面，利用夹紧螺钉42 实现保护套的夹紧。

如图13所示，针对高压油泵凸轮轴凸轮形状设计的边缘防塌陷保护夹具19，其中42 为夹紧螺钉，43为三个形状完全相同的夹紧块。使用时将该保护夹具19的三个夹紧块43 安装于待熔覆凸轮靠近另一凸轮一侧的端面，利用夹紧螺钉42实现保护套的夹紧。

如图14所示为，高压油泵凸轮轴尾部三爪辅助夹具示意图。夹具与凸轮轴尾部通 过螺纹连接，防止三爪卡盘在夹紧与旋转过程中损伤凸轮轴表面。

如图15所示，汽车发动机曲轴的尾部三爪辅助夹具示意图。夹具与曲轴尾部键连 接，防止三爪卡盘在夹紧与旋转过程中损伤曲轴表面。

如图16所示，汽车变速箱阶梯轴尾部三爪辅助夹具示意图。夹具与阶梯轴尾部键 连接，防止三爪卡盘在夹紧与旋转过程中损伤阶梯轴表面。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发 明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。