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激光熔覆技術(shù):研究應用的路還有多長(cháng)?

  發(fā)表時(shí)間:2016年11月23日 

  隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展,零部件的工作環(huán)境越來(lái)越趨于復雜化,表面性能的要求也越來(lái)越高,因此零件報廢率大大增加。通常由于表面失效而報廢的零件主要有轉子葉片、輥軸類(lèi)零件、齒輪類(lèi)零件、接頭類(lèi)零件等。在零部件整體性能滿(mǎn)足工況的條件下,僅為表面損傷的零部件都是可以修復。如果能對因誤加工或服役損傷而致使報廢的零件進(jìn)行修復,不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟和時(shí)間損失,還可以提高資源的利用率,也符合中國可持續發(fā)展的戰略。

  激光技術(shù)是與原子能、半導體及計算機齊名的20世紀四大科技發(fā)明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相干性強等一系列優(yōu)點(diǎn),因此特別適用于材料加工。激光加工技術(shù)就是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門(mén)加工技術(shù),是集光學(xué)、機械學(xué)、冶金學(xué)、電子學(xué)、計算機學(xué)等為一體的高技術(shù),發(fā)展非常迅速,其應用范圍也日趨廣闊。

  激光熔覆技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)重要的應用方面,是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù),涉及物理、冶金、材料科學(xué)等領(lǐng)域。其研究歷史可追溯到20世紀70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專(zhuān)利;進(jìn)入80年代,激光熔覆技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應用激光等領(lǐng)域的前沿性課題,可以在低成本鋼板上制成高性能表面,代替大量的高級合金,以節約貴重、稀有的金屬材料,提高材料的綜合性能,降低能源消耗,適用于局部易磨損、剝蝕、氧化及腐蝕等零部件,受到了國內外的普遍重視;到90年代后,相關(guān)科學(xué)研究與應用開(kāi)發(fā)得到快速發(fā)展。

  當今國內外對激光熔覆的研究大致從以下幾個(gè)角度出發(fā):一是激光熔覆的機理研究;二是激光熔覆工藝及其組織性能的研究;三是激光熔覆的應用研究�,F對激光熔覆的各方面研究發(fā)展狀況作以介紹,并指出其存在的主要問(wèn)題及其今后的發(fā)展方向。

  1.激光熔覆的機理研究

  激光熔覆是一個(gè)動(dòng)態(tài)熔化過(guò)程,熔池尺寸小,不僅存在著(zhù)傳熱現象,而且也存在著(zhù)對流、質(zhì)量傳遞等,它們直接影響熔池的宏觀(guān)形貌、偏析、組織和成分的均勻性及其他物理冶金性能,因此研究激光熔覆加熱理論,搞清激光熔覆過(guò)程中的熱傳導、對流及質(zhì)量傳遞等問(wèn)題,對于弄清激光熔覆理論具有重要意義。

  2.激光熔覆工藝及其組織性能的研究

  激光熔覆工藝方法有兩種類(lèi)型:

  (1)一步法(同步法)

  該方法為在激光束輻照工件的同時(shí)向激光作用區送熔覆材料的工藝,它又有兩種方法。

 �、偻剿头鄯ǎ菏褂脤�(zhuān)用噴射送粉裝置將單種或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光掃描速度即可調整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對激光的吸收率大,熱效率高,可獲得比其他方法更厚的熔覆層,容易實(shí)現自動(dòng)化。國外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。

 �、谕剿徒z法:此法工藝原理雖與同步送粉法相同,但熔覆材料是預先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費材料,更易保證熔覆層的成分均勻性,尤其是當熔覆層是復合材料時(shí),不會(huì )因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質(zhì)量,且通過(guò)對絲材進(jìn)行預熱的精細處理可提高熔覆速率;但是絲材表面光滑,對激光的反射較強,激光利用率相時(shí)較低。此外,線(xiàn)材制造過(guò)程較復雜,且品種規格少。

  (2)二步法(預置法)

  該法是在激光熔覆處理前,先將熔覆材料置于工作表面,然后采用激光將其熔化,冷凝后形成熔覆層。預置熔覆材料的方式包括:

 �、兕A置涂覆層:通常是應用手工涂敷,最為經(jīng)濟、方便,它是用粘結劑將熔覆用粉末調成糊狀置于工件表面,干燥后再進(jìn)行激光熔覆處理。此法生產(chǎn)效率低,熔覆厚度不一致,不宜用于大批量生產(chǎn)。

 �、陬A置片:將熔覆材料的粉末加入少量粘結劑模壓成片,置于工件需熔覆部位,再進(jìn)行激光處理。此法粉末利用率高,且質(zhì)量穩定,適宜于一些深孔零件,如小口徑閥體,采用此法處理能獲得高質(zhì)量涂層。

  3.激光熔覆的應用研究

  激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟效益很高的新技術(shù),它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì),降低成本,節約貴重稀有金屬材料。因此,世界上各工業(yè)先進(jìn)國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應用都非常重視。

  應用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器(主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器,老式燈泵浦激光器由于光電轉化效率低、維護繁瑣等問(wèn)題已逐漸淡出市場(chǎng))。對于連續CO2激光熔覆,國內外學(xué)者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據文獻報道,采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷。固體激光器,特別是碟片激光器輸出波長(cháng)為1.06μm,較CO2激光波長(cháng)小1個(gè)數量級,因而更適合此類(lèi)金屬的激光熔覆。

  激光熔覆具有以下特點(diǎn):

  (1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過(guò)程,容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相,如非穩相、非晶態(tài)等;

  (2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合,通過(guò)對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;

  (3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí),變形可降低到零件的裝配公差內;

  (4)粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制,特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;

  (5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm;

  (6)能進(jìn)行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價(jià)格比;

  (7)光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷;

  (8)工藝過(guò)程易于實(shí)現自動(dòng)化。

  目前,激光熔覆在應用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。評價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮:一是宏觀(guān)上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀(guān)上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學(xué)元素的種類(lèi)和分布,注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結合,必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測。

  激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應用面臨的主要問(wèn)題是:

  (1)激光熔覆技術(shù)在國內尚未完全實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩定性。激光熔覆過(guò)程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。

  (2)光熔敷過(guò)程的檢測和實(shí)施自動(dòng)化控制。

  (3)激光熔覆層的開(kāi)裂敏感性,該問(wèn)題仍然是困擾國內外研究者的一個(gè)難題,也是工程應用及產(chǎn)業(yè)化的障礙,雖然已經(jīng)對裂紋的形成擴展進(jìn)行了研究,但控制方法方面還不成熟。

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