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激光熔覆特點(diǎn):熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強(qiáng),與基體呈冶金結(jié)合,可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性,從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的,滿足材料表面特定性能要求的同時(shí)可節(jié)約大量的材料成本。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比,激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn),因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看,其主要應(yīng)用于三個(gè)方面:一,對(duì)材料的表面改性,如燃汽輪機(jī)葉片,軋輥,齒輪等;二,對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù),如轉(zhuǎn)子,模具等。有關(guān)資料表明,修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上,其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1/5,更重要的是縮短了維修時(shí)間,解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外,對(duì)關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金,可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命;對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理,不僅提高模具強(qiáng)度,還可以降低2/3的制造成本,縮短4/5的制造周期。三,激光增材制造。通過同步送粉或送絲的方式,進(jìn)行逐層的激光熔覆,進(jìn)而獲得具有三維結(jié)構(gòu)的零部件。該技術(shù)又可稱為激光熔化沉積、激光金屬沉積、激光直接熔化沉積等 。

熔覆材料:應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有:鎳基、鈷基、鐵基、鈦合金、銅合金、顆粒型金屬基復(fù)合材料,陶瓷材料等 。

預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位,然后采用激光束輻照掃描熔化,熔覆材料以粉或絲形式加入,其中以粉末的形式最為常用。

同步式激光熔覆則是將粉末或絲材類熔覆材料經(jīng)過噴嘴在熔覆過程中同步送入熔池中。熔覆材料以粉或絲形式加入,其中以粉末的形式最為常用。

預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預(yù)處理——-預(yù)置熔覆材料——-預(yù)熱——-激光熔覆——-后熱處理。

同步式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預(yù)處理——-預(yù)熱——-同步激光熔覆——-后熱處理。

按工藝流程,與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。

激光器工作原理:

激光熔覆成套設(shè)備組成:激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。

激光器的選用:主流的激光器類型均支持激光熔覆工藝,例如CO2激光器,固體激光器,光纖激光器,半導(dǎo)體激光器等。

激光熔覆有3個(gè)重要的工藝參數(shù)

激光功率

激光功率越大,融化的熔覆金屬量越多,產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加,熔覆層深度增加,周圍的液體金屬劇烈波動(dòng),動(dòng)態(tài)凝固結(jié)晶,使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除,裂紋也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后,隨著功率提高,基體表面溫度升高,變形和開裂現(xiàn)象加劇,激光功率過小,僅表面涂層融化,基體未熔,此時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等,達(dá)不到表面熔覆目的。

光斑直徑

激光束一般為圓形。熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑,光斑直徑增加,熔覆層變寬。光斑尺寸不同會(huì)引起熔覆層表面能量分布變化,所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說,在小尺寸光斑下,熔覆層質(zhì)量較好,隨著光斑尺寸增大,熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小,不利于獲得大面積的熔覆層。

熔覆速度

熔覆速度V與激光功率P有相似的影響。熔覆速度過高,合金粉末不能完全融化,未起到優(yōu)質(zhì)熔覆的效果;熔覆速度太低,熔池存在時(shí)間過長,粉末過燒,合金元素?fù)p失,同時(shí)基體的熱輸入量大,會(huì)增加變形量。

激光熔覆參數(shù)不是獨(dú)立的影響熔覆層宏觀和微觀質(zhì)量,而是相互影響的。為了說明激光功率P、光斑直徑D和熔覆速度V三者的綜合作用,提出了比能量Es的概念,即:

Es=P/(DV)

即單位面積的輻照能量,可將激光功率密度和熔覆速度等因素綜合在一起考慮。

比能量減小有利于降低稀釋率,同時(shí)與熔覆層厚度也有一定的關(guān)系。在激光功率一定的條件下,熔覆層稀釋率隨光斑直徑增大而減小,當(dāng)熔覆速度和光斑直徑一定時(shí),熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。另外,隨著熔覆速度的增加,基體的融化深度下降,基體材料對(duì)熔覆層的稀釋率下降。

在多道激光熔覆中,搭接率是影響熔覆層表面粗糙度的主要因素,搭接率提高,熔覆層表面粗糙度降低,但搭接部分的均勻性很難得到保證。熔覆道之間相互搭接區(qū)域的深度與熔覆道正中的深度有所不同,從而影響了整個(gè)熔覆層的均勻性。而且多道搭接熔覆的殘余拉應(yīng)力會(huì)疊加,使局部總應(yīng)力值增大,增大了熔覆層裂紋的敏感性。預(yù)熱和回火能降低熔覆層的裂紋傾向。