（凝聚态物理专业论文）镍基合金激光熔覆技术若干问题研究.pdf

签笾盔兰笪! 竺笙堕苎 簦楚查皇整垄堡壅垫查蕉三翌墅竺签一 摘要 激光熔覆楚秘用离麓量激光束熔讫涂层材瓣和一簿瑟基体，形成一个无气魏、 无裂纹并能和罄体形成良好冶金结合的表面涂层，它已成为现代表僦技术体系中的 极其发展前途和颇具特色的新技术之一，著在“2 1 世纪的再带l 造工稷”串有着广阔 的应羽魏景。 本文根掘目前国内外激光熔覆技术的发展现状，以及向工业化应用推广所遇到 豹实际阗题，驮熔覆工艺、覆层楗料秘熔覆设备几个方瑟进行了一些实验研究。论 文的主要内容如下： l 、鼠激光嫔覆的瑾论、工艺、材料、设备、应用五个方赋，综述了疆内夕 激光 熔覆技术的发展现状，以及目前所遇到的主要问题，和以后的发展趋势。提出了覆 层质最不稳定、存在裂纹闯题是阻碍激光熔覆技术工她仡应用的最主要难题。 2 、对比了市面所售的铸造、镍包、单晶三种形态的w c 加入g l l 2 镍基自烙性合 金粉末后，对激光熔覆层各方面的性能造成的不同影响。在分别加入3 0 w t 含量的 情况下，发现其在高铯激光柬作用下，烧撰枫镌l 不秘；残蟹未熔w c 颞粒分布有差异， 并且都随激光扫描速度增加分布均匀化；对粘结相晶粒有一定程度的粗化；但同时 麓入三静既詹，覆层酶整体驻镦硬度售都有明翌提高，并且复合涂层的硬度值嚣蘧 激光捆描速度的增加，呈现先增大后减小的变化趋势，在4 m m s 时达到最大值；在 摩擦性能方面，三种形态的嬲帮对原来g l l 2 覆层的减摩耐磨性能有不同程度的提 高。综合以上三种w c 对覆层备方面不同的影响，作为镍基合金激光熔覆层中的强化 相，镍包w c 和单晶w c 综合作用效果优于铸造w c 。 3 、在对目i # 激光熔覆最棘手豹裂纹阀题论述基础上，针对多道搭接大面积较厚 熔覆层非常容易出现裂纹的情况，尝试向g 1 1 2 + l o w t w c n i 金属陶瓷涂层中加入 少量y 2 。3 ，对覆瑶质量取得了缀好的改善效果。在固定j 霉攒逮度4 m m s 不变的情况 下，对各覆层来说，1 8 k w 均为最佳功率条件；同时对加入各种含量的y 2 0 3 覆层相 沈，得毯了0 2 w c y 2 0 3 为最佳船入鬣醣结果；在加入次含量y 2 0 3 的覆层与原来覆 层相比：晶粒明显细化，金相组织分布比较均匀，微观裂纹消失；显微硬度值分布 更均匀，平均硬度僖有所提高；减摩耐磨往能得到改善。同对还向多道搭接的g 1 1 2 + l o w t 。w c n i 金属陶瓷涂层孛加入少量m g o ，也取缳了不错的改善效果。 郑州人学坝i ：学位论文 镍耩合金激光熔覆技术若干问题研究 4 、针对在激光熔覆实验中使用国内配套送粉器所遇到的问题，我们自行研制了 - - 9 简单实用的激光熔覆用送粉器。该送粉器采用螺旋推进方式，经实际使用证明， 对常用的铁、钻、镍自熔性合金粉术的送粉效果好，并且能解决送粉过程中粉槽囤 积粉末、排不干净的问题。体积小、重量轻、易携带、使用方便。 关键词：激光熔覆金属陶瓷复合涂层碳化钨 多道搭接氧化钇送粉器 塑望盔兰竺! ：兰竺笙苎 堡苎垒鱼整娄堡堡垒查茎土塑墅堡塞一 a b s 薯r a c t l a s e r c l a d d i n g i su s e dt of o r mak i n do fs u r f a c ec o a t i n g , w h i c hh a sag o o d m e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t ht h es u b s t r a t e 。w i t h o u tg a s h o l e sa n dc r a c k ，b yu s i n gah i g h e n e r g yl a s e rb e a mt o m e l tc o a t i n gm a t e r i a la n dat h i nl a y e rb a s em e t a l i th a sb e e n b e c o m i n go n eo f n e wt e c h n i q u e st h a th a v ei n f i n i t ed e v e l o p m e n tf u t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c v e r ym u c h i nt h em o d e r ns a r f a c et e c h n i q u es y s t e m ，a n db i g g e ra p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di n “r e m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g i nt h e2 1 5 c e n t u r y w i t ht h er e s e a r c h e so nd e v e l o p m e n to fl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d ，a n d w i t ht h ea n a l y s e st op r o b l e m sf a c e di nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o np r o c e s so f t h i st e c h n o l o g y w eh a v ec a r r i e do u tm a n g ye x p e r i m e n t sa n dm e c h a n i s ma n a y s i s0 1 1t h el a s e rc l a d d i n g m a t e r i a l s ，t h ee x p l o r a t i o no fl a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u ea n dt h ee q u i p m e f i t su s e di nl a s e r c l a d d i n g ，t h e m a i n t o p i c sa n d a c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea d v a n c e m e n t i nl a s e r c l a d d i n g t h ea d v a n c e m e n ti nl a s e rc l a d d i n gw a ss u m m a r i z e d ，i nt h ef i v ea s p e c t so f t h e o r i e s ， t e c h n i q u e s ，m a t e r i a l s , e q u i p m e n t sa n da p p l i c a t i o n s t h em a i np r o b l e m sb l o c k i n gt h e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sw e r ed i s c u s s e d t h et r e n d so ft h ed e v e l o p m e n ti nl a s e rc l a d d i n g t e c l m o l o g yw e r ep u t t e df o r w a r d t h em o s t d i f f i c u l tp r o b l e m s 。w h i c h 凇垤t ob es e n l e di n c u r r e n t ，a b ec r a c k sa n d o t h e rd e f e c t se m e r g e di nt h el a y e r so f l a s e rc l a d d i n g 2 e f f e c t so f t h r e e 砖p e so f w co nt h el a s e r c l a d d i n gl a y e r so f g l l 2a l l o y d i f f e r e n te f t 毡c t so f n i c k e l w r a p p e dw c ，s i n g l ec r y s t a lw c a n dc a s tw c o nl a s e r c l a d g l l 2 l a y e r s a r ec o m p a r e d i n t h e c o n d i t i o n o f a d d i n g3 0 w t w c t o g l l 2a l l o y , i t i s s h o w nt h a tt h e r ea b ed i f f e r e n th e a td a m a g ef a s h i o n so nt h ed i f f e r e n tt y p e so fw c s b yt h e h e a t i n go fh i g hp o w e rl a s e rb e a m a n d t h et h r e et y p e so fw c sd i s t r i b u t ed i f f e r e n t l yi nt h e c l a dl a y e r s 采l o w e rl a s e rs c a n n i n gs p e e d ，c a s tw c p a r t i c l e ss t a c k i n g 戤t h eb o t t o m ， s i n t e r e dw c d i s p e r s i n gh o m o g e n e o u s l yw h i l en i c k e l - w r a p p e dw cp a r t i c l e sb e i n gi n b e t w e e n t h em i c r o - h a r d n e s so ft h el a y e r sa r eg r e a t l yi m p r o v e dn om a t t e rw h a t t y p eo f w ci sa d d e d ，a n dt h em i c r o - h a r d n e s so fg ii2 + w c l a y e r sc h a n g ew i t hl a s e rs c a n n i n g s p e e d ，w h i c hg e tt h eb i g g e s tn u r a b e r sw h e n v - = 4 m m s a n da b o u t t r i b o l o g i c a tp r o p e r t i e s ， i 娃 塑! ! ! 叁兰堡! ：兰垡堡兰 堡苎鱼垒塑堂竺壅垫查董塑墼! ! 壅 a f t e ra d d i n gw ct og l 1 2a l l o y , t h ei m p r o v i n ge x t e n ti si nt h eo r d e ro fn i c k e l w r a p p e d w c s i n g l ec r y s t a lw c c a s t w c a sar e s u l tb a s e do na l lt h ea b o v ei n v e s t i g a t e s ，t h e s y n t h e t i c a le f f e c t so fa d d i n gn i c k e l w r a p p e dw c o rs i n g l ec r y s t a lw c t og l1 2i sb e t t e r t h a nt h a to f c a s tw c 3 e f f e c to f y 2 0 3o nt h em u l t i - t r a c k - j o i n e dn i w c a l l o yc o a t i n g sb y l a s e r c l a d d i n g h i g hq u a l i t yn i c k e lb a s e dw cc o a t i n g sb y l a s e rc l a d d i n ga r eo b t a i n e dw i t ha d d i t i o n o fp r o p e ra m o u n to fy 2 0 3 c o m p a r e dt ot h ec o a t i n g sw i t h o u ty 2 0 3 ，t h ec o a t i n g sw i t h y 2 0 3p o s s e s sam u c h f i n e ra n dm o r eu n i f o r mm i c r o s t m c t u r e ，h i g h e rm i c r o h a r d n e s sa n d m u c hb e t t e rt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s i t sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tr e m a i n sc o n s t a n td u r i n gw e a r t e s tw h i l et h a to ft h ec o a t i n g sw i t h o u ty 2 0 3i n c r e a s e sq u i c k l y w ea t t r i b u t et h eq u a l i t y i m p r o v e m e n tb yy 2 0 3 t ot h ec r y s t a l l i n er e f i n e m e n t ，c l a d l y i n ga n d s t r e n g t h e n i n ge f f e c to f y 3 + i no u r e x p e r i m e n t ，w ef i n dt h eb e s tt e c h n i q u e c o n d i t i o ni st h a t ：v = i 4 m m s ，p = i 8 k w , a d d i n g0 2 w t ，y 2 0 3t og l l 2 + 1 0 w t w c 。( n i c k e l - w r a p p e dw c ) a tt h es a l n et i m e w e h a v ed o n es o m ee x p e r i m e n t so f a d d i n gf e wm g o t og 11 2 + 1 0 w t w c ，a n da l s og o t t e n b e a e re f f e c t s 3 d e s i g no f an e wp o w d e rf e e d e rf o rl a s e re l a d d i n g f i n d i n ga n da n a l y z i n gt h ep r o b l e m so c c u r r i n gi no u re x p e r i m e n t so fu s i n gs o m e p o w d e rf e e d i n ge q u i p m e n t sf o rl a s e rc l a d d i n g ，w eh a v ed e v e l o p e dan e wt y p ep o w d e r f e e d e rb yo u r s e l v e s ，w h i c hu s er o l l i n gs c r e wt of e e d p o w d e r t h i se q u i p m e n th a sas i m p l e s t r u c t u r ea n di sc o n v e n i e n c ef o rr i s e w ep r o c e s s e d e x p e r i m e n to f l a s e rc l a d d i n gb y u s i n g i ta n d a c q u i r e dab e t t e re f f e c t k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，c e r a m i c - m e t a lc o m p o s i t ec o a t i n g ，w c ，m u l t i - t r a c k - j o i n e d ， y 2 0 3 ，f e e dp o w d e re q u i p m e n t 郑螂大学磁l 掣 芷论文 镍舞台精虢光端辍投木若十婀题磷究 第一章绪论 自从1 9 6 0 年世界二第一台红宝石激光器问落驻来，随着激光设备和技术的发 展，激光已被广泛应用予科学技术和工业部门的众多领域。目前激光加工工业正以 约3 0 戆冬增长率迅速发疑羞。 材料愚人类文明进步的里程碑。时代的发展需器材料，而材料又推动时代的发 展，所以人们将材料视为现代文明的支柱之一【l 】。随着现代科学技术的进步，人类 瓣糖料蛙熊豹麓望篷越蘩蘧离。为了掇褰麓辩麴表鞭蛙毙，表囊王翟技拳豹发葳异 常迅猛，表丽科学的形成和诸多高新技术的渗透，使先进的表丽改性技术不断涌现 和只趋完善，成为材料淡面改性，新材料制备和拓宽传统材料_ 陂用范围的重骚手段 之一。幽1 褒众多赘溅浚嚣竣赣技术中，激光表覆敬鳇毅本嚣箕獒套霹基钵耱粒熬 适用范围宽和改善性能幅度大的优点丽特别引入注目，已成为金属材料表面改性的 最有效手段段之一2 1 。 七十年代末，k 卜霉健秘发震莛来稳激炎表露改链技术，经j 耍蘩疆疆究窝瘦羯发 展，已经取褥定的成果，显示出它谯波面工程中的重要作用和良好的应用前景f 1 3 j 。 它在材料加工中具有许多优点，是其它表面处理技术所难以比拟的。激光表硒处理 熬主要特点楚【h i ： ( 1 ) 处理部位可任意选择，例如商孔，沟槽等特殊部位均可使用激光进行处理。 ( 2 ) 可以处理形状复杂的工件表丽。 ( 3 ) 霹黻准确控裁鲶毽嚣域静深浚霾形获。 ( 4 ) 激光处理后，只需少量的表酾加工。 ( 5 ) 热变形极小。 ( 6 ) 囊予激光筵瑾掰黉翡对阉矮，娃理设麓缀逶合予安装在生产线上。 ( 7 ) 工装过程无需真空环境，无化学污染。 ( 8 ) 经处理后的表磷光洁。 激竞强织技术包含激笼淬火( 穗变磺亿) ，激毙熔凝和菲晶豫，激先渖壹硬纯， 激光合金化和激光熔覆( 涂覆) 。他们各自的特点主骚是用于材料的激光能量密度不 同，如表1 一l 所示。1 1 5 郑州人学坝i ? 学位论文 镍綦合会激光熔覆技术若十问题研究 工艺方法功率密度( w c m 2 ) 冷却速度( c s )作用区深度( m m ) 激光淬火 1 0 4 1 0 51 0 4 1 0 60 2 3 激光合会化1 0 4 1 0 6 1 0 4 1 0 60 2 2 激光熔覆1 0 4 1 0 61 0 4 1 0 60 2 1 激光非晶化1 0 6 1 0 l o 1 0 6 1 0 l o0 0 l 0 1 激光冲击硬化1 0 9 1 0 1 21 0 4 1 0 60 0 2 0 2 表i 1 激光淬火是利用激光束快速扫过工件表面，发生快速加热和快速冷却过程，使 工件表面发生相变生成高密度排列的高碳马氏体，提高了硬度。 激光熔凝硬化利用比相变硬化更高的激光能量，使金属表层快速熔化并造成熔 化金属和基体金属之间很大的温度梯度。激光移开后，熔化金属快速凝固，表层获 得极细或超细化的组织结构，表面成分偏析减少，表层的缺陷和微裂纹可被熔合； 激光非晶化处理时的工艺参数与熔凝不完全相同。当工件表面的功率密度达到1 0 7 1 0 5 w c m 2 左右，扫描速度很高时，可使激光照射区的金属表面形成很薄一层玻璃状 非晶化组织。使金属表面的耐腐蚀性能，抗氧化性能，耐磨性能大大提高。 激光冲击硬化利用高能密度脉冲激光照射金属工件，因金属升华汽化而急速膨 胀，产生冲击波而引起应力波在材料中传播，产生了加工硬化的作用。其得到的硬 化层浅，且硬度值提高的幅度低。 金属合金化是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基采表面快速熔 凝，从而使廉价材料表层具有预定的高合金特性的技术一一即利用激光改变金属及 合金表面化学成分的技术。激光熔覆( 涂覆) 与激光合金化有许多相似之处，其主 要区别在与经激光作用后，其涂层的化学成分基本上不变化，即基体成分几乎没有 进入涂层内。 在这几项技术中，激光淬火是激光表面改性中最成熟、应用最广泛的一种方法。 激光熔覆技术即激光淬火后第二个在工业中获得应用的材料表面改性技术， 同其他表面强化技术相比，它具有以下优点：u 6 l 1 冷却速度快( 1 0 6 。c s ) ，组织具有快速凝固的典型特征。 2 热输入和畸变较小，涂层稀释率低。 郑州大学硬l j 学位论文 镍基台叠激光熔覆技术若卡趣题研究 3 耱末选择届乎没有在何陵副，特爱是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金。 4 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。 5 光束瞄准可以是难馥接近静区域港覆。 6 工艺过程易于实现自动化。 近年来，在邕内外褥到了酱遍重视，纷纷投入大量久力物力硬究。虽然驳褥了 一定成果，然而出于熔覆过程中所受影响因素众多，使得覆屡质量难以控制，容易 出现裂纹、气孔、变形、氧化饶损及成分的不均匀等缺陷，阻碍了其避步的发展。 要在熔覆理论及工艺技术方面墩 ! 导突破，仍然箨在许多挑战性的闯题。 本文作者参与河南省杰出人才创新基金项目：金属材料表面大面积激光强化与 袭牲的若于关键技术的谚究。在慰国内金藩材料表面激走改牲深入调鸯豹基础上， 结合河南发展实际，把工作研究重点放在改进激光熔覆层质最和熔覆工艺两方面， 竣求解决熔覆中存在的实际阔题，推动激竞熔覆技术的更广泛发展。 论文的主耍内容如下： 第二章：简荦介绍了激光熔覆的些基本概念；随后肤理论、工艺、材料体系、 熔覆设备、应髑等几个方面对艟内外近年来激光熔覆的研究现状作一论述：指瞧激 光熔覆现存的主要问题及今后的发展方向；在此基础上，提出了本论文研究的目的、 内容和意义。 第三章：首先提出激光熔覆中覆层材料体系设计的u n - j 题；然后论述t - - 种不同 形态w c 静加入对g l 1 2 激光覆屡在金袒、显徽硬度、瓣磨性能方面的彰翻，并对 其作比较。 第四章：首先论述了影晌激光熔覆发展的最大问题：覆层的裘纹和开裂；随后 介绍了作者向多道搭接的厚g i l 2 w c 覆层中加入y 2 0 3 后对覆层质量及耐癌性能的 改善。 第五章：介绍了作者研发的一秘激悲熔覆配套送粉器。 郏硝大学颤 j 学位论文 镍蔬台套激光然稷技术蓉十褥蘧硪究 第二章激光熔覆研究进展 激光熔覆技术是利用高能密度的激光使材料表面成分、组织结构和性能实现预 蠲交徒黪离新技术，同孵，它氇是涉及光、梳、龟、诗算瓤、孝芎辩、秘毽、纯学等 多门学科领域的跨学科的高新技术【l “。作为新兴的表面改性技术，它的发展可以追 溯到6 0 年代。当时许多学者致力于在低熔点蘩体上熔覆抗磨幸才科，这魑材料龟括： 钨及其碳化物，铝、铤、铼、钱、铪、钛及其羰化物和氧化铝，大部分采用等离子 或火焰喷涂的方法，将熔覆材料预置在基体材料上，随后进行激光熔覆，并于1 9 7 6 年诞生了第一个论述巍韪激光熔覆豹专翻【列。西予技本上豹问题，激光熔覆经茨了 发展相对缓慢的时期。进入8 0 年代，激光熔覆技术得到了迅速的发展。同时引起了 凿肉终懿善速关注，纷纷投入入力，耪力，赋力等迸行器舞究。遴入9 0 年代馥磊簧呈 现出了科学研究与应用开发蓬勃发展的大好局丽。 本章将莆兔介绍激光熔覆的一些蕊本概念，随后对国内外近年来激光熔覆的研 究现状 乍一论述，最质根据发展现状和存在的间题，提出本论文研究的目的、内容 和意义。 2 1 激光熔覆简介 激光熔覆技术是措以不同的填料方式在被涂覆基俸表面上放置选择的涂层材 料经激光辐照使之和基体表面薄层网时熔化，并快速凝固蘑形成稀糕发极低，与 基体材料成冶龛结合的寝面涂腠，从而烂著改善基体材料表面的耐磨，耐蚀，耐热， 撬氧纯及电气襞 蛙等熬王艺方法。 按涂层材料的添加方式，激光熔覆的工艺方法主要有预置粉末法和同步送粉法 瑟种。魏溷2 一l 掰示。 4 郑卅1 人学坝i j 学位论史 镍皋含会激光熔覆技术若十问题研究 图2 1 激光熔覆的两种送料方式示意图 预置粉末法( b ) 同步送粉法 预置粉末法是将要涂覆的材料通过热喷涂、电镀、化学镀、等离子喷涂和手工 粘接等方法预置于金属表面，然后经激光照射熔覆；同步送粉法是将粉末直接喷在激 光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性形成。前者工艺简单、操作灵活，但不易 控制基体熔深，稀释度较大；后者可以充分利用能量，工艺参数易控制，覆层质量 较好，生产效率高，但需配备计量精确的送粉装置，对粉末也有特殊要求。两者比 较起来，同步送粉法更能体现激光熔覆工艺的发展趋势。 激光熔覆后的单道覆层横截面如图2 2 所示： 等。 iii 。i 沁沁蕊曩心忒s 忑冬n w - - 麴i i i i 薷宠理8 一珊曩堆砜姆高属 r 一坶蕊鹰的屉厦日一赡u l 带辨橱舶 图2 2 激光熔覆层单道横截面 其宏观几何参数主要有熔覆层厚度、覆层厚度、覆层堆积的高度、覆层旁侧角 图2 - - 3 为一典型的激光熔覆组织金相图： 郑卅1 人学硕l j 学位论文 镍蒜合金激光熔覆技术若十问题研究 图2 3 典型的覆层金相图 由图中可以看出，激光熔覆区的显微组织一般由表及里分作3 个区域：熔覆区、 冶金结合带、热影响区。熔覆区的组织与加入的合金粉末和熔覆工艺参数有关，一 般为树枝晶，在靠近冶金结合带的地方常常出现胞晶区；在覆层与基体连接的地方， 由于基体元素的渗入，覆层材料和基体材料形成牢固的冶金结合带，在图中显示为 极薄一层的白亮带；同时邻近覆层的基体由于受到激光加热的影响，形成热影响区， 其组织类似于材料淬火后的金相组织。 此外，稀释度是激光熔覆中一个重要的概念，它可以定量的描述覆层成分由于 熔化的基体材料混入而引起的成分变化程度，其定义如下： 解肛丽鬈蔫羔三碉 式中砩合金粉木熔化时的密度；风一基体材料的密度；x ，一合会粉末 中元素x 的重量百分数；x m 一覆层搭接处元素x 的重量百分数；x 。一基体 材料中元素x 的重量百分数。 稀释度还可以通过测量涂层横截面积的几何方法进行实际计算。其公式如下： 稀释度= 基体熔化面积( 覆层面积+ 基体熔化面积) f 6 】 2 2 激光熔覆发展概况 6 郑州人学顺l ：学位论文 镍基合金激光熔覆技术若十问题研究 纵观国内外对激光熔覆技术的研究，大致可分为理论、工艺、材料、设备、应 川这l 个力。f 分别论述： 2 2 1 激光熔覆基础理论的研究 激光熔覆是一个动态熔化过程，熔池尺寸小，不仅存在着传热现象，而且也存 在着对流、质量传递等，它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成分的均匀 性及其他物理冶金性能，因而，研究激光熔覆加热理论，搞清除激光熔覆过程中的 热传导、对流及质量传递等问题，对于理论的研究和实际的工业应用都具有重要的 理论价值。到目前为止，很多研究者已经做了大量的工作，进行了激光熔覆物理数 学模型的研究及激光一材料交互作用的理论和实验研究，从不同的方面建立了激光 熔覆的热计算模型，这些工作主要分为两个方面：一是对激光熔覆所需的功率参数 进行计算预测；二是激光加热温度场的计算模拟，通过激光加热温度场来分析激光 熔覆中的温度场、流场及传质等情况【7 】o 这些模型主要有： ( 1 ) j p o w e l l 激光熔覆功率计算模型：美国的j p o w e l l 认为粉末粒子间的空隙 不利于传热，因而可以把预置的粉末层假设为不导热的绝热层，激光辐射表面时， 由表面向下熔化，直到液态熔池与基体材料相接触时才开始有传热过程，熔池前沿 因热量被传出而重新凝固，熔化前沿倒退上移，直到基体表面受热达到熔化温度时， 熔化前沿才重返交界面。通过以上假设，j p o w e l l 得到了可满足激光熔覆要求的激光 功率范围，并通过实验验证了计算，得到了只有较窄范围的激光功率( 8 0 0 2 0 0 0 w ) 才能满足熔覆要求，功率小时不能实现交界处熔化，形成不了冶金结合，如图2 - - 4 所示：【8 】 0 l 杂0 1 5 醴 蕃o - 钟 00l ”站柏 时嗍1 1 0 o 图2 - - 4 j p o w e l l 激光熔覆功率计算结果示意图 矗整 伴w 一 ( 2 ) 李力钧与j m a z u m d e r 计算模型：李力钧与j m a z u m d e r 对于预置涂层的激 郑州大学颤 学位论文 镍基台金激光熔覆技术若辛翔题研究 光熔霍工艺也提出了疆应韵功率热计算模型，假设一矩影光璇以一定速度在螯髂上 移动，光斑沿移动方向长度为2 h ，垂直移动方向宽度为b ，又设光斑的前沿部分长 度( h o ) 稻子熔亿粉米层，后沿部分长度( h ，) 用来通过熔化的涂层对基体进行舷热， 其模烈情况如图2 - - 5 所示。 嘲2 - 5 李力钧与j m a z u m d e r 计算模型示意酗 该功率计算模型认为预鼹涂层的热导率很低，激光经过宦传入基体的热量可以 忽路。耪宋瑶熔纯后。激光通过溶化盾魏涂层来加热纂俸。在越基础上，将激光薅 覆过程分为预置涂层熔化和基体加热两个过程，得出了熔覆单位面积所需能量e 的 计算公式： e = e 1 十e 2 e l 为熔化预置涂层所需能量；e 2 为加热基体达到表面熔化所需能鬣。 将粉来层从室温搬热到熔化或单位实钵合金所需能量为m ，激光邋过熔化致涂 层加热基体，将基体加热到熔化需要的能量为r ，可以计算出激光熔覆所需单位面 积的总麓蠹e 件避： e = e t + e z = m 4 l + m m 2 其中，$ t 为粉末层对激光盼吸收系数，中2 为颈鬟涂层经激光辐射熔化盾，激 光照射于已熔化的涂覆层，设定其对激光的吸收系数。 ( 3 ) a 。k a r 送粉激光熔覆功率计算模型：a k a r 提出送粉激光熔覆计算模型， 根据熔疆道截疆呈半月型覆于基体上这一事实，将单道熔覆层假设为半毽柱墼，掘 3 郑州人学顺i j 学位论义 镍牿含金激光熔覆技术若十问题研究 图2 - - 6 所示 图2 6a k a r 送粉激光熔覆功率计算模型 由上述模型可得出激光熔覆中，功率与熔覆道半径之间的关系式为： p = ( t m t o ) c + l pvr 2 2 f 其中，t o 一粉末的原始温度；t 。粉末的熔点；p 一激光功率；r 熔覆道截面半 径；c 一粉末材料的比热；l 熔覆材料的熔化潜热；p 一粉末的当量实体密度：v 一 激光的扫描速度；f 一粉末材料对激光的吸收系数。 ( 4 ) 杨洗陈激光熔覆温度场计算模拟模型：天津纺织工学院的杨洗陈建立了激 光加热熔池的物理模型，对激光熔池内外的温度场与流场进行了计算模拟，利用其 温度场和流场的情况，对激光熔覆过程中传热和传质情况进行了一定程度上的分析。 为此，利用连续性方程、动量方程和能量方程，构成控制方程组描述激光加热液态 熔池内外的传热过程m 1 3 】 连续性方程：劫，西+ p v v = 0 动量方程：p ( a v o t + v2 v ) = 胛2 v v p + e 能量方程：a r ，西+ ( v v ) t = 胛2 t 其中，p 一基体密度，t 一加热时间，v 一流场的速度矢量，p 一熔池所受的压力， f b - - 熔池液体所受的重力，一液体粘性系数。口热导率，t 一温度。 除此之外还有c h r i s t i n en a i e r 等【1 卅在a s h b y 1 5 1 模型的基础上提出一个计算激 光加热温度场的数学模型。根据模型计算了激光处理试样的温度场，所得结果与实 验符合锝很好。m u n a r if i e t r o 等【16 】根据激光在材料中的热传导机制得到了一维、二 9 郑州人学倾l 学位论文 镍基合金激光熔覆技术若十问题研究 维和三维热域模型，从而推导出一个温度、覆层深度与时间关系的数学方程。l e m o i n e 等【 i 考虑光束与材料的作用，得到了能量、送粉速率和扫描速度的数学模型。 p a s c a l e | 体叫9 1 假定试样表面温度恒定，提出了一个控制熔池温度变化的数学模型。 b e r k i r l 2 0 1 等通过f o u r i e r 分析提出了一个预测激光熔覆后试样冷却速率的理论模型。 邹鸿承等【2 1 1 从传热学出发，利用有限元方法分析了激光熔覆的热弹塑性过程，以达 到控制热畸变的目的。s c h u o c k e r 等【2 2 j 综合考虑了激光熔覆的主要物理机制，讨论了 激光束吸收行为，得到了不同工艺条件下的热传导模型。 激光熔覆是一个极快速的动态熔化与凝固过程，存在着许多远离平衡的物理、 冶金现象，给建立模型带来了诸多困难，因而整个理论研究还很薄弱。为了使问题 在数学处理上得到简化，总是在模型的物理图像上进行一系列的假设条件。因此， 要获得一个理想的数学模型比较困难。上述的这些模型在实际应用中或多或少都存 在着一些不太令人满意之处。 2 2 2 激光熔覆工艺和组织性能的研究 ( 1 ) 工艺研究： 影响激光熔覆层质量的主要因素是材料参数和工艺参数。工艺参数主要包括激 光功率p ，光斑半径r o ( 离焦量h ) ，扫描速度vl ( 或光束作用时间t ) 和不同填料 方式确定的覆层材料添加参量( 送粉速度”2 或预制厚度d ) 。这两类参数互相影响， 但从实际生产的角度讲，可以认为只有工艺参数可控。一般情况下，对于自送粉激 光熔覆过程，工艺参数的选取可分为三种情况【2 3 1 ：vl 和72 高，p 低。因激光能 量偏低，基体只能局部熔化，熔化层与基体结合不牢。vl 和v2 低，p 高。因激光 能量过高，熔覆层严重稀释。适中的vi 、v2 和p 。覆层质量良好，与基体结合牢 固。 近来，很多研究者深入研究了各工艺参数对覆层质量影响的细节，得到了许多 有价值的结果。陈新等【2 4 】在p 不变的条件下，研究了r o 、功率密度q 、vl 与覆层 极限厚度之间的关系，发现较大的厚度对应着较大的p 、较小的r o 和v 。p e l l e t i e r 等【2 5 】发现，在p 和”2 给定时，粉末沉积量m 与覆层交接面积s 成正比，而且随t 的增加，在t 和7i 给定时，s 随”1 线性增加。在t 和v l 给定时，”2 的影响较复 杂。初始阶段，s 与”2 成比例，超过一临界值”2 ，则先注入粉术有屏蔽作用。徐 l o 郑州人学坝j ：学位论文 镍基合金激光熔覆技术若干问题研究 有容等 2 6 1 在熔覆s t e l l i t e 硬质合金的研究中发现，在其它参数不变的条件下，”l 提 高，基体相y ( c o 、c r ) 过饱和固溶度随之增大，碳化物析出较少。”l 降低，合金层 中m 7 c 3 析出量随之增加，耐磨性提高。张松的研究也发现，以不同”i 处理后的 1 5 m n v 组织不同。窦建清和j a s i m 2 9 1 的研究发现，vl 与残余应力和覆层裂纹萌生 有很大关系。 上述研究工作表明，工艺参数对覆层质量的影响是极其复杂的。因此在控制工 艺参数时，应根据设备能力，以传热分析数理模型为指导，结合熔覆材料和基材的 特点，通过具体试验确定最佳工艺参数组合。同时应注意吸纳其它新技术对旧工艺 加以改造，以不断开发新工艺。 ( 2 ) 组织结构和性能的分析测试及改善 随着工艺研究的深入与拓宽，特别是随着高精密微观分析测试技术的成熟，已 可以在纳米尺度甚至原子尺度给出精细组织结构及性能的有关信息，因而最近单纯 侧重结构性能方面的研究水平也不断提高。高阳等【3 0 1 用扫描电镜、x 射线衍射仪及 高分辨透射电镜研究了激光熔覆n i 、c r 、s i 高温合金覆层的组织结构，给出了新生 相点阵常数、晶带电子衍射谱以及界面结构的高分辨像。b a r t o s 3 1 1 和s a l l m a r d 3 2 1 币0 用同样的分析工具给出了熔覆铝基合金粉末和t a c 与t i c 粉末的精细组织结构特点， 关振中和刘要武等3 4 1 在组织结构分析的基础上，测试了g l l 2 合金层与q 2 3 5 的结 合强度，w a n g p s l 研究了铸铁熔覆f e 和n i 基合金的断裂行为，表明断裂发生在邻近 界面的基体区而不是界面。黄金亮等【3 6 1 研究了熔覆含w c 的n i 基合金不锈钢的腐 蚀磨损行为。指出，熔覆后材料由犁削磨损、点蚀、应力腐蚀综合作用变为以犁削磨 损为主，耐磨性能大为提高。宋武林 3 7 1 j 霞过结构分析，发现在4 5 8 钢熔覆f e 基粉末 时，通过控制结晶方向可降低覆层开裂敏感性。s o n g p 8 1 和吴秋红等口9 1 针对a l 合金 熔覆后覆层的组织多孔性采用激光重熔方法改善组织结构，得到了非常均匀的细晶 结构和良好的力学性能。 ( 2 ) 界面问题 材料界面因其独特的结构而表现出迥异于其它区域的宏观微观行为，一直是材 料科学和凝聚态物理十分感兴趣的研究对象，目前更是国内外有关学科研究的热点 和前沿。从技术开发及其工业化的角度看，有关激光熔覆冶金结合强度与稀释度以 及涂层开裂等重要问题也都是与界面行为紧密相关的。毫无疑问，激光熔覆作为表 郑州人学坝i ：学位论文 镍幕台会激光杼f 覆技术若十问题研究 面技术，其界面研究应该是整个技术中的关键与核心课题，这不仅对商业化有实用 价值，而且对丰富和完善与之相关的晶界理论、固态相变理论、非平衡状态理论以 及结构性能关系理论有深远的学术意义。然而，目前有关界面研究还停留在宏观行 为和唯象学上，其中包括界面( 基本上是过渡层) 成分、显微组织分析、结合强度 与硬度等力学性能指标及初步理论计算方法的建立。这主要是由于激光熔覆界面行 为涉及的力学、物理特别是化学过程极其复杂，并且由于界面本身的尺寸效应，其 微观结构的检测分析在实验手段上有极大的难度，理论处理也较为艰深。这自然与 现阶段材料研究及设计的总体水平有关。就激光熔覆技术的表面合金设计与控制而 言，把以往的表面设计从成分设计、工艺设计及组织设计提高到或重点集中为界面 设计，通过对界面纳米甚至原子尺度结构的精确认识与操纵，达到控制其性质的目 的，将是包括激光熔覆在内的表面技术成熟的重要标志。 为此，近年来随世界范围内有关界面研究的深入。激光熔覆界面问题已引起工艺 及理论研究人员的广泛注意。受复合材料界面研究的影响，目前国内外研究比较充 分的是陶瓷涂层界面。其主要研究结果为；从固液界面角度，要求预置的陶瓷涂 层在熔化时对于基材具有很好的润湿性和铺展性，也就是说，涂层的表面张力必须 小于基体的临界表面张力。由于熔覆过程中，陶瓷涂层基体界面往往具有反应界面 的特征。因此，界面化学相容性成为陶瓷熔覆研究的一个重点。s o t i r o p o t f l o u d 等4 0 】 给出了反应界面结合力的定量描述，吴人洁等【4 l 】较全面地给出了这一领域的综述。 从固圃界面角度，陶瓷涂层基体界面并非单层几何面，而是多层的过渡区。这一 界面区可能由几个亚层组成，每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。根 据固态相变及化学键理论，可在涂层中添加某些元素，使之对陶瓷及基材产生良好 的化学作用，在界面上形成共价键结合，提高界面强度。同时，要求尽可能选择热 膨胀系数和比容相差较小的陶瓷和基材，以避免凝固后形成的固固界面不匹配，产 生应力和裂纹。必要时可采用多层过渡解决物理相容性问题。 利用近年发展起来的扫描电子隧道显微镜，原子力显微镜，高分辨透射电镜以 及动态超显微硬度计等高精密分析测试仪器，直接探测界面结构的介观及微观层次， 结合计算机模拟了解涂层界面在这一层次的结构及其变化，同时借鉴其它试验条件 下所得各种材料界面特别是复合材料界面的研究成果及成功经验，重点解决界面相 容性闯题，在此基础上进行界面设计，可能是使当前激光熔覆技术发生质的飞跃的 郯州人掌硕i 学莅论立 镲燕仑螽激光熔攫技术若f 瓣题研究 方翔之一。 2 2 。3 激光熔覆材料体系的研究 激光熔覆技术一般是在低级材料上涂覆一贱具有某类功能的特殊材料，其材料 体系包括两方面：基体材料和覆层材料。已经开发的綦材主要有碳钢和合金钢、铸 铁、镍鹱赢湿台会、铝合余、钛含金、镁合金及超级合众；熔覆材料按成分主蘩可 分为自熔性合金粉末和复合粉束两大系列。自熔性合金粉末主要有f e 、n i 、c o 基自 熔性合金粉末；复合粉束包括自糙结、磺矮耐磨、耐蚀、舞重离滥复合粉寒等。 自开展激光熔覆的研究以来，最先选用的涂层材料就是n i 基、c o 基、f e 糕自 熔台会，其中主要出发点是针对提商一些工件的藤磨性基耐蚀役要求，此外就是这 几类自熔合金对各种碳钢、不锈钢、铸铁和多种有色盒属基体的广泛而良好的润湿 性，使之能获得与基体结合良好的致密涂层。一直延续到现在，久们仍然使用这些 台金，势对其进行黄更加渗入的分析。在此基础上根据服役条件和更加严格的性能 要求，在这些自熔合金中加入备种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷 鬏粒，形成了复合涂层甚至纯蹿瓷涂层，显示出激光熔覆兹更广耀的应用兹景。下 面按涂层的功能类型，概括一下目前激光熔覆的涂层材料体系。 ( 1 ) 瓣瘗涂层：这楚激光熔覆中研究最早也