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激光熔覆工艺研究现状及发展

2016/12/28    来源:互联网    作者:杨晓倩  李亚江  马群双  王娟      
关键字:复合熔覆工艺  激光器  缺陷与控制  高效化  
激光熔覆技术不仅可以在低成本的金属基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温氧化等特殊性能的熔覆层,提高关键部件表面的性能,还适用于局部有磨损、氧化及腐蚀等零件的修复,可有效降低成本。传统激光熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高,易产生气孔等棘手问题。在选定基体材料和熔覆材料的基础上,一般通过优化熔覆工艺等来控制熔覆层缺陷,近年来辅加电磁搅拌、超声波、机械振动等新的熔覆工艺也有了较快的发展,同时激光熔覆高效化和精密化的要求也不断提高。从激光器的发展、熔覆工艺及进展、激光熔覆缺陷及控制和发展前景等方面概述了近年来国内外激光熔覆工艺的研究现状,对于推动其发展具有重要意义。

前言

    激光熔覆技术兴于20世纪70年代,是通过不同的添料方式,并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝,形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属)、电镀、堆焊、喷涂等相比,该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点,目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高,易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面,熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键素,深入研究工艺特性对于该技术在工业中的应用具有实际的指导意义。

1 激光器的发展

    激光器是将其他能量转换为激光的器件,是激光熔覆加工系统的核心组件。自1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念,奠定激光的理论基础,到19世纪60年代红宝石、氦氖、砷化镓半导体及染料等激光器的相继问世,激光器的发展进人了一个崭新的阶段。激光器的种类繁多,按工作方式分为连续型和脉冲型,按工作介质分为4类,激光器类型及特点如表1所示。

    针对激光熔覆技术,目前广泛应用的激光器主要是横流CO2 :激光器和YAG激光器。YAG激光器的输出波长为1.06μm,较CO2 :激光波长小一个数量级。对金属及其合金而言,一般随波长的增加,吸收率减小,所以同一金属材料对这两种激光的吸收率有很大差别。张安峰等¨研究了CO2和YAG激光的熔覆特性,发现对于同一种材料,YAG激光的吸收率约是CO2激光的3倍多。但因CO2:激光器转换功率高,器件结构简单、造价低廉,目前仍为激光熔覆主要采用的激光器。

表1 激光器的类型及特点

表1 激光器的类型及特点

    随着技术发展出现的光纤激光器也逐渐应用到激光熔覆中,这种激光器是以掺人某些激活离子的光纤作为工作介质,或利用光纤自身的非线性光学效应制成。光纤激光器具有多种优势,如光纤的可挠性带来的小型化、集约化;多维空间的加工;光电效率达30%以上,有效降低成本;可调谐性好等。徐宇蓝等旧。利用机器人光纤激光系统在钢表面作铁基粉末熔覆,结果表明熔覆层显微硬度高于基材两倍以上,能够消除搭接处微裂纹及气孔等缺陷,具有广阔的市场前景。

2 激光熔覆工艺

    2.1 传统激光熔覆工艺

    激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类,即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面,然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描,使覆盖层及一部分基材熔化,激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送人激光作用区,在激光的作用下使供料和熔覆同时完成,之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较低;同步式的熔覆工艺过程简单,效率高,可控性好,易于实现自动化,适合大规模工业生产。

    影响熔覆层质量的因素众多,包括激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度及激光作用在基材表面的吸收率,基材的预处理和后处理,材料的热物理特性等。但激光功率、扫描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的参数,通常用比能量进行优化设计。针对激光熔覆工艺参数的优化已有大量的试验,如Lusquiios等在不锈钢上采用光纤激光熔覆Co基合金探究了各个参数之间的影响。Przybylowicz等在镍基和钴基合金粉末中分别添加WC相,探讨了激光功率和扫描速度对碳钢上裂纹的影响规律。王璐等在45钢表面熔覆NiCrMn+WC硬质合金层,研究扫描速度及功率对显微硬度的影响。王志坚等采用铁基合金粉末进行单道熔覆试验,研究了激光功率、扫描速度及送粉量对熔覆形状尺寸和成形效率的影响。虽然针对工艺参数对熔覆层组织性能、显微硬度、缺陷影响等做了大量的研究,但各个参数对熔覆质量的影响规律较为复杂,需针对特定的熔覆材料体系进行详细讨论。

    2.2 复合激光熔覆工艺

    传统的激光熔覆工艺易出现裂纹等问题,影响熔覆层的质量及使用性能。所以,近年来复合激光熔覆技术得到很快发展,如激光熔覆辅加电磁搅拌、超声波、机械振动、交变磁场等。余本海等在激光熔覆WC—Co基合金中辅加电磁搅拌的研究中发现,电磁搅拌能够使熔覆层组织的晶粒均匀细化,并能够消除熔覆层内的气孔和微裂纹,提高熔覆层质量。利用超声波对BT20钛合金进行激光熔覆时指出,超声波能够使熔覆层内部组织气孔率下降、晶粒尺寸减少。辅加感应加热系统在Cu基体上熔覆Cu—Fe基合金粉末,试验未发现气孔及裂纹等缺陷(图1)。在熔覆层中央(图1b)有大量5—50m尺寸的球状粒子(A)分布于细小晶粒基体(B)中,通过分析知富铜基质中的球状粒子含过饱和Cu的富Fe相。此外,熔覆层的显微硬度是基材的3倍,其强化是沉淀硬化及弥散硬化等的组合强化。

图1 激光一感应复合熔覆Cu—Fe基的显微组织图

图1 激光一感应复合熔覆Cu—Fe基的显微组织图

责任编辑:马倩
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