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激光熔覆技術:研究應用的路還有多長?

  發表時間:2016年11月23日 

  隨著現代科學技術和工業不斷發展,零部件的工作環境越來越趨于複雜化,表面性能的要求也越來越高,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、輥軸類零件、齒輪類零件、接頭類零件等。在零部件整體性能滿足工況的條件下,僅爲表面損傷的零部件都是可以修複。如果能對因誤加工或服役損傷而致使報廢的零件進行修複,不僅能夠挽回巨大的經濟和時間損失,還可以提高資源的利用率,也符合中國可持續發展的戰略。

  激光技術是與原子能、半導體及計算機齊名的20世紀四大科技發明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相幹性強等一系列優點,因此特別適用于材料加工。激光加工技術就是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術,是集光學、機械學、冶金學、電子學、計算機學等爲一體的高技術,發展非常迅速,其應用範圍也日趨廣闊。

  激光熔覆技術是激光加工技術的一個重要的應用方面,是一種新型的材料加工與表面改性技術,涉及物理、冶金、材料科學等領域。其研究曆史可追溯到20世紀70年代。1974年Gnanamuthu最先提出並申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利;進入80年代,激光熔覆技術已經發展成爲表面工程、摩擦學、應用激光等領域的前沿性課題,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年代後,相關科學研究與應用開發得到快速發展。

  當今國內外對激光熔覆的研究大致從以下幾個角度出發: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。現對激光熔覆的各方面研究發展狀況作以介紹,並指出其存在的主要問題及其今後的發展方向。

  1.激光熔覆的機理研究

  激光熔覆是一個動態熔化過程,熔池尺寸小,不僅存在著傳熱現象,而且也存在著對流、質量傳遞等,它們直接影響熔池的宏觀形貌、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,搞清激光熔覆過程中的熱傳導、對流及質量傳遞等問題,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型:

  (1)一步法(同步法)

  該方法爲在激光束輻照工件的同時向激光作用區送熔覆材料的工藝,它又有兩種方法。

  ①同步送粉法:使用專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,容易實現自動化。國外實際生産中采用較多。

  ②同步送絲法: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,尤其是當熔覆層是複合材料時,不會因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質量,且通過對絲材進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,激光利用率相時較低。此外,線材制造過程較複雜,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,然後采用激光將其熔化,冷凝後形成熔覆層。預置熔覆材料的方式包括:

  ①預置塗覆層:通常是應用手工塗敷,最爲經濟、方便,它是用粘結劑將熔覆用粉末調成糊狀置于工件表面,幹燥後再進行激光熔覆處理。此法生産效率低,熔覆厚度不一致,不宜用于大批量生産。

  ②預置片: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,再進行激光處理。此法粉末利用率高,且質量穩定,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量塗層。

  3.激光熔覆的應用研究

  激光熔覆技術是一種經濟效益很高的新技術,它可以在廉價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,降低成本,節約貴重稀有金屬材料。因此,世界上各工業先進國家對激光熔覆技術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、維護繁瑣等問題已逐漸淡出市場)。對于連續CO2激光熔覆,國內外學者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發展迅速,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爲1.06μm,較CO2激光波長小1個數量級,因而更適合此類金屬的激光熔覆。

  激光熔覆具有以下特點:

  (1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或産生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等;

  (2)塗層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合,通過對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好塗層,並且塗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,變形可降低到零件的裝配公差內;

  (4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;

  (5)熔覆層的厚度範圍大,單道送粉一次塗覆厚度在0.2~2.0mm;

  (6)能進行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比;

  (7)光束瞄准可以使難以接近的區域熔敷;

  (8)工藝過程易于實現自動化。

  目前,激光熔覆在應用過程中也存在一些問題。評價激光熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮:一是宏觀上,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元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否爲冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。

  激光熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:

  (1)激光熔覆技術在國內尚未完全實現産業化的主要原因是熔覆層質量的不穩定性。激光熔覆過程中,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,可能在熔覆層中産生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。

  (2)光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。

  (3)激光熔覆層的開裂敏感性,該問題仍然是困擾國內外研究者的一個難題,也是工程應用及産業化的障礙,雖然已經對裂紋的形成擴展進行了研究,但控制方法方面還不成熟。

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