（光学工程专业论文）大功率半导体激光制造铁基熔覆层的工艺研究.pdf

摘要 摘要 本文结合大功率半导体激光器( h p d l ) 在熔覆中的应用优势，制备了铁基 合金粉末熔覆层。并探讨了在激光熔覆直接制造铁基熔覆层过程当中，工艺参数 对熔覆层宏观形貌和质量的影响，同时研究了铁基熔覆层微观组织的特点，为实 际修复齿轮齿面的研究工作起到了参考和指导作用。 根据大功率半导体激光器激光能量密度的分布特点，提出了大功率半导体激 光器激光与粉末作用下的升温数学模型，初步给出了工艺参数之间的关系以及对 熔覆层外观的影响。 工艺研究是激光直接制造熔覆层的基础部分。本课题研究了激光功率、扫描 速度、送粉速度、离焦量、载气流量、保护气体流量、材料表面状态等工艺参数 对成形尺寸和成形质量的影响。结果表明：要获得较好的成形质量，工艺参数之 间存在着最佳的匹配值。 对铁基熔覆层的微观组织和硬度分布进行了分析和测试。大功率半导体熔覆 的铁基熔覆层显示出典型的铸造组织特征，形态上主要由平面晶、柱状晶体、胞 状树枝晶体、树枝晶等非平衡铸态组织组成。显微组织上由先共析铁素体枝晶， 以及枝晶之间的马氏体和残余奥氏体组成。物相上由q f e ，以及( c r , f e ) 7 c 3 化合物构成。硬度高达9 0 0 h v ，是基体硬度的4 倍。 大功率半导体激光熔覆f e 合金熔覆层为现代装备提供了先进的维修手段， 展现出广阔的应用前景，本研究为进一步在修复齿轮齿面的应用中有一定的指导 意义。 关键词：大功率半导体激光；激光熔覆；f e 基粉末；升温模型 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys h o w sp r o d u c t i o no ff e - b a s e da l l o yc l a d d i n gl a y e r sc o m b i n e d w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hp o w e rd i o d el a s e r ( h p d l ) t h ee f f e c t so fc h a n g i n g p a r a m e t e r so nt h ed i m e n s i o na n dq u a l i t yo fc l a d d i n gl a y e r sd u r i n gh p d lc l a d d i n g ， a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo fl a y e r s ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yp r o v i d e st h ef u n c t i o no fr e p a i r i n g w o r ng e a rt o o t hs u r f a c e so fh e a v yv e h i c l e s ，h a sa l s ob e e nd i s c u s s e d f i r s t l y , at e m p e r a t u r ei n c r e a s em o d e lo fh p d lc l a d d i n gp o w d e rb ys i d e i n j e c t i o ni s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eb e a md i s t r i b u t i o no fh p d l t h ei n t e r a c t i o no fp a r a m e t e r s a n dt h e i re f f e c to nt h es i z eo fc l a d d i n gl a y e r sh a sb e e np r e s e n t e d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa r eb a s i ca n dh i g h l yi m p o r t a n ti n l a s e rc l a d d i n g t oo b t a i n h i g hp r e c i s i o na n dq u a l i t yl a y e r s ，t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c ha sl a s e r p o w e r , s c a n n i n gs p e e d ，p o w d e rs p e e d ，z - i n c r e m e n t ，t h es i t u a t i o no fs u b s t r a t ea n dt h e f l u xo fc a r r i e rg a sa n dp r o t e c t i o ng a so ns i z ea n dq u a l i t yo fl a y e r sh a v eb e e na n a l y z e d i nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m u mm a t c h i n go fp a r a m e t e r si sn e c e s s a r yi nt h e f a b r i c a t i o no fh i g hq u a l i t yc l a d d i n gl a y e r s f i n a l l y , t h em i c r o s t r u c t u r eo ff e - b a s e da l l o yc l a d d i n gl a y e r sa n dt h e i rh a r d n e s s ，h a v e b e e no b s e r v e da n dt e s t e ds e p a r a t e l y h p d lc l a d d i n gf e b a s e da l l o yc o a t i n g sa r e t y p i c a ld i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h em o d a l i t i e so ft h ec r y s t a li n c l u d e s n o n e q u i l i b r i u mp l a n ec r y s t a lg a i n s ，c e l l u rg r a i n s ，c e l l u l a r - d e n d r i t eg r a i n s a n d d e n d r i t eg r a i n sc r y s t a l a n dt h em i c r o s t m c t u r ei sc o m p o s e do fm a r t e n s i t ea n dr e s i d u a l a u s t e n i t e ，a n dt h em a i np h a s e sa r eo - f e ，a n d ( c r ，f e ) 7 c 3w h i c hh i g h l yi m p r o v et h e h a r d n e s so fc l a d d i n gc o a t i n g sw h i c hh i t9 0 0h va tt h et o po fl a y e r s h p d lc l a d d i n gf e - b a s e dc o a t i n g sp r o v i d ea na d v a n c e dm a i n t e n a n c et e c h n i q u ef o r m o d e mh e a v yv e h i c l e sa n df o rr e p a i r i n gt h eg e a rt o o t hs u r f a c e s t h et e c h n o l o g y s h o w sab r o a dp r o s p e c ti na p p l i c a t i o na n dg i v e st r e m e n d o u sb e n e f i t si ne c o n o m y k e yw o r d s ：h i 曲p o w e rd i o d el a s e r ( h p d l ) ；l a s e rc l a d d i n g ； f e b a s e da l l o y ； t e m p e r a t u r ei n c r e a s em o d e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 惠工些态堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 始南p 吼纠- ”口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： p 躲矽坳吼溯书 第l 幸绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 目前资源短缺和资源浪费之间的矛盾日益突出。以汽车制造业为例，我国汽 车的保有量已接近3 4 0 0 万辆，年平均报废汽车2 0 0 万辆以上，大量报废汽车中 的电机、轮胎等尚存在一定使用寿命的零部件被白白废弃造成极大的浪费n ，。为 了减少资源浪费和报废产品对环境的污染，再制造工程应用而生心1 。再制造工程 是以产品的全寿命周期设计和管理为指导，以废旧产品实现性能跨越式提升为目 的，以优质，高效，节能，节材，环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段， 对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程的总称。卜4 i 。再制造使废旧 产品中蕴含的价值得到了开发和利用，最大限度地减小报废产品对环境的危害， 符合我国建设资源节约型和环境友好型社会的需要，高度契合了国家构建循环经 济的战略需求。 齿类零件的服役过程中，在交变应力，冲击载荷等的作用下，极易发生疲劳， 磨损，折断等现象，特别是对于在高速重载环境下工作的渗碳齿轮，其齿面在交 变应力和冲击载荷作用下引起的点蚀，剥落，擦伤等现象的接触疲劳磨损尤为严 重，形成大量齿类零件因表面的疲劳磨损而整体失效从而被迫丢弃，造成严重浪 费，并极大地影响了装备的服役性能。齿类零件齿面疲劳层的修复和再制造一直 是困扰装备维修技术人员的一大难题，人们曾尝试了多种维修和再制造技术，如 喷涂，堆焊，电刷镀，化学镀等技术，但效果均不理想。齿类零件的修复要满足 如下的性能要求：( 1 ) 修复层或修复部位与基体金属结合良好，具有较高的结合 强度；( 2 ) 修复部位具有优良的抗接触疲劳性能和耐磨性能；( 3 ) 修复工艺不能 降低基体金属的强韧性等机械性能。热喷镀，电镀，电刷镀等涂层技术一方面是 其修复尺寸受限制，另一方面修复层难以满足齿类零件接触疲劳性能等服役性能 要求，修复层在服役过程中易于脱落，因此在工程中很少采用。某些场合，堆焊 技术已被应用于齿类零件的齿面磨损的修复，但是无论采用何种堆焊方法，都不 可避免的存在热输入量较大，容易改变基体金属的组织，导致强度，韧性和抗疲 劳性能降低，使得修复齿类零件的服役性能降低。另外，堆焊修复过程一般比较 复杂，工期较长，成品率低，因此，目前装备维修中针对齿类零件主要采取“换 件维修 途径，针对大型传动齿类零件基本不进行修复，或者修复率很低。 因此研究开发可靠的齿类零件维修技术，提高齿类零件维修保障水平，无疑 j 匕* il # 17 l # 量mz 存节约成本_ f | 】减少资源浪费j 往e 到非常重要的作 j 。( 娈蔚激光器的进勃发艇，j i i , v ) i j 范围出越来越j 泛，使得齿类零件的维修和冉制造获榭r 新的解决选行，r 1 前，激光熔覆技术作为撙制造r 程的关键技术之一，j 以挺尚零什表i 1 i i f j j 腓俐 蚀，耐晶温，抗披* ，防辐刳等眺能，近l e b 年得到丁迅速的发展。 1 2 目前齿轮齿面的失效形式和修复技术 121 主要失效形式 齿轮损伤的形式包括磨损、齿面玻劳、塑性变形、轮齿折断、其它损伤等 主要的失效形式是接触艘劳靡损，以点蚀、剥薄、剥层、擦伤为最常见。 厂 削ll 黹面接触瘕劳失效后的点蚀剥落照h f i gl lf l 卸ko f t o o t hw i t hf a t i g u ef l a k e 以某侧减速器主被动齿轮为例：与被动齿轮相比，主动齿轮更容易出现点蚀、 剥落等接触疲劳特征的损伤，特别是在节线靠近齿般的部位往往形成较人块状的 剥落坑。这主要是因为主动齿轮的直径小，转速较高，轮齿数也较多，因而承受 着较高的重复应力。此外。主动齿轮轮齿卜的滑动方向与齿面问的滚动方向相反， 因此表层承受较人的拉应力，促使疲劳裂纹的产生和扩展，最后导致齿而产生点 蚀，剥落等失效。由于节线处承受纯滚动接触疲劳磨损，而齿顶齿根区接触形式 是滚动加滑动，因此通常齿顶，齿根的磨损量比节线处的大，所以目前通常使用 测量公法线长度的方法作为判断主动齿轮是否失效的根据，根据标准，公法线长 度一般小于公法线下线超过o3 m m ( 免修极限) 即判失效。 122 常见的齿面修复方法 纵观国内外对齿轮修复的研究现状，目前应_ i ；| j 于齿轮修复的技术按照技术特 点可大致分为四娄： 筇l 章绪论 第一类是机械法，它以变位、镶齿，榫齿、更换齿圈、翻转等方法为代表【n i ， 特点是对损坏的齿轮进行机械加工处理，通常适用于工作转速较低的软齿面修 复，其中变位法通常采用负变位对大型的标准齿轮进行修复，翻转法则适用于单 工作面磨损且为轴向中心平面对称的齿轮。 第二类是涂镀法，它以电镀、电刷镀、热喷涂、化学镀等为代表，这些技术 共有的特点是涂层或镀层与基体为非冶金结合，涂镀层的厚度一般较薄( 一般为 几百微米) ，因此第二类技术常被用于修复表面性能要求不高且磨损量少的齿面。 第三类是堆焊法盯刮，这一类技术均以冶金结合界面为特征，修复层厚度变 化范围大，目前工程技术人员针对此类技术在齿轮的修复研究实践较多，但由于 堆焊或喷焊时，热量注入大，能量不集中，使得基体的热影响区容易畸变甚至开 裂，因此多用于非渗碳类低硬度齿轮磨损或断齿的修复。 第四类是高能表面处理技术，以激光改性技术为代表，主要包括激光淬火和 激光熔覆技术，但激光淬火技术的特点决定了它多在齿轮的制造阶段用来代替传 统的渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等表面强化工艺 3 或者和其它修复工艺结合起来形成复合修复技术；目前，国内外在磨损失效 齿轮上采用激光熔覆方法修复的报道还很少，吴新跃等n 盯在3 4 c r n i 3 m o 合金调 质钢齿轮磨损齿面研究了齿面激光熔覆修复的工艺，发现采用一种钴基自溶剂合 金粉末能够获得与基体呈冶金结合且无裂纹的熔覆层，熔覆层显微硬度高于基 体，且在熔覆的同时，轮齿反面得到了淬硬。经齿轮试验机对比试验，齿轮齿面 经激光熔覆后承受接触应力性能要明显高于调质齿轮。 与电镀、堆焊、热喷涂、化学镀等传统表面改性技术相比【1 5 - 2 0 1 ，激光熔覆技 术具有如下优点：( 1 ) 适用的材料体系广泛，可根据需要设计涂层的材料组成， 使新型熔覆材料的研究和开发成为可能，并可实现材料制备及成形一体化：( 2 ) 熔覆层具有快速凝固的微观组织结构特征，晶粒显著细化，元素偏析程度降低、 固溶度增加以及形成亚稳相与非晶相等；( 3 ) 涂层与基体为冶金结合，结合强度 高，涂层致密；( 4 ) 输入基体的能量和基体的热变形小，熔覆后机械加工量小； ( 5 ) 可以对关键零件易失效部位进行选区修复，尺寸可以精确控制；( 6 ) 工艺 易于实现自动化，修复效率高。 1 3 激光熔覆的发展现状 激光熔覆技术是激光材料表面处理的一种，最早的激光熔覆技术专利是由 北京t 业人学t 学硕i 。学何i ：= 义 g n a n a m u t h u 于1 9 7 4 年底提出申请的。激光熔覆的目的就是在基体材料上成形 具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、热障碍等的功能层。随着激光器技术的进步，大 功率激光器的出现，进入八十年代以后，激光熔覆技术进入了蓬勃的发展时期， 特别是1 9 8 1 年r o l l sr o y c e 公司成功地在喷气发动机叶轮叶片上涂敷钴基合金显 著提高了其耐磨性，使得激光熔覆技术进入了实际生产阶段【2 2 】。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、应用这五个方面，下 面将分别作简单的论述： 1 3 1 激光熔覆基础理论的研究 激光熔覆是一个动态的熔化过程，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 分的均匀性及其它物理冶金性能，因而研究熔覆过程中的热传导、对流、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价值f 2 3 1 。由于激光熔 覆采用的激光功率高，加热和冷却的速率都极大，同时熔池的尺寸较小，温度较 高，用实验的方法测量熔池中的实际温度分布有一定困难，目前对激光作用下材 料温度场主要采用模拟计算的方法，包括解析法和数值计算法f 2 4 l 。数值计算又包 括有限差分法和有限元法，特点是物理意义明确，易于考虑边界条件，被广泛采 用和研究。以往的模型都存在对实际过程的简化，如忽略边界条件和相变潜热， 不考虑材料热物性参数随温度的变化和不能将固体导热和液体对流换热同时考 虑等缺点，与实际温度场有些偏差 2 5 - 2 引。随着计算机技术和红外测温技术的发展， 人们开始用红外热成像技术实际测量激光熔覆的温度场，减少了测量值与真实值 之间的偏差，利用专门的软件可以对红外热图像进行分析，得到最高温度、单点 温度、多点温度、等温分布、冷却速度等结果，为激光熔覆温度场的获得开辟了 一条新的思路。 1 3 2 激光熔覆工艺与组织性能的研究 1 3 2 1 激光熔覆工艺参数及其对熔覆层尺寸的影响激光熔覆是一个较复杂的 工艺过程，影响熔覆层的质量的主要因素有材料参数和工艺参数。工艺参数主要 有激光功率p ，激光扫描速度v s ，激光光斑直径d ，在直接送粉法中还有送粉 速率v g 等。由于这些工艺参数对激光熔覆层质量的影响是相互关联的，于是不 少研究者提出了一些与这些工艺参数相关的综合物理量，其中广为引用的为比能 量p v s d ，质能量p g 以及线能量p s 1 2 ”o1 。熔覆层参数目前均以单道熔覆 来加以考查，故一般对激光熔覆参数作如下定义。熔覆层宽度为w ，厚度为h ， 母材熔深为h ，覆层与基材的接触角为o 。近来，很多研究者深入研究了各工艺 第1 章绪论 参数对覆层质量影响的细节，得到了许多有价值的结果。徐有容等口门在熔覆 s a t e l l i t e s 硬质合金的研究中发现，在其它参数不变的条件下，v s 提高，基体相 ( c o 、c r ) 过饱和固溶度随之增大，碳化物析出较少。v s 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b 2 1 也发现，以不同v s 处理后的1 5 m n v 组织不同。窦建清b 3 1 和j a s i m 口叫的研究发现，v s 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，工艺参数对熔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。 1 3 2 2 组织结构和性能研究激光熔覆是一个极快速的动态熔化与凝固过程， 存在许多远离平衡的物理冶金现象，给解释激光熔覆层组织的形成与转变、模型 的建立带来了诸多不便，因而整个理论体系还很薄弱。由于激光快速加热和快速 凝固的工艺特点，赋予了熔覆层不同的结构特征。尽管熔覆材料和基体材料的种 类、成分不同，工艺参数不同，但其组织受快速凝固这一根本规律控制。熔覆层 非平衡组织一般都非常细密，基体固溶度增大，亚稳相和非晶相形成，亚结构发 生变化，并由此导致了熔覆层优异性能的形成。随着工艺研究的深入和拓宽，特 别是随着高精密分析测试技术的成熟，纳米尺度甚至原子尺度给出精细结构及性 能的有关信息，为激光熔覆层组织的观察、扩展固溶体、非晶相及亚稳相的鉴定、 位错等亚结构的观察与识别提供了强有力的技术手段。裴宇韬口朝等利用x r d 、 s e m 、e d s 、t e m 等技术手段系统分析了激光熔覆，t i c p n i 合金复合涂层中 t i c 颗粒的溶解析出行为和分布特征后指出，t i c 颗粒既可分布在r 晶内，也可 被固液界面推移至晶间与共晶共存，t i c 的生长机制包括原位析出、桥接生长、 独立形核生长和沉淀析出。欧阳家虎和李强m 一7 3 利用上述手段分别在r - n i 从中 观察到大量的高密度的位错，共晶化合物( f e ，c ) 2 3 ( c b ) 6 中大出现大量的层错结 构，在c r 7 c 3 和m 2 3 c 6 中发现高密度的孪生。高阳等胡研究n i 、c r 、s i 高温合金 组织结构，给出了新生相的点阵常数，晶带电子衍射谱以及界面结构的高分辨像。 b a r t o s 和s a l l a m a r d 啪圳3 利用同样的分析工具，给出了熔覆铝基合金熔覆层的精细 组织结构。n o w o t w y h 嵋对碳化物涂层组织结构与性能做了完整的分析，建立了材 料覆层结构和耐磨性能的关系。王忠柯和张思1 4 2 3 】等对激光熔覆多元复合硬质覆 层中颗粒相的行为、组织结构特征及演化机制进行了系统分析。宋武林h 钉通过结 构分析，发现在4 5 钢熔覆铁基粉末时，通过控制结晶方向可降低覆层开裂敏感 性。 1 3 2 3 激光熔覆材料的研究现状目前，激光熔覆主要采用热喷涂( 焊) 材料 4 s - 4 6 ，己经开发的基材主要有碳钢和合金钢、铸铁、镍基高温合金、铝合金、钦 合金、镁合金及超级合金。熔覆材料按成分主要可分为自熔性合金材料和复合材 北京t 业人学t 学硕j ：等：1 证论义 料两大系列，材料形式以粉末居多。自熔性合金粉末主要有f e 、n i 、c o 基自熔 性合金粉末。复合粉末包括自粘结、硬质耐磨、耐蚀、耐高温复合粉末等。自激 光熔覆的研究开展以来，最先选用的涂层材料就是n i 基、c o 基、f e 基自熔合 金，其中主要出发点是针对提高一些工件的耐磨性、耐蚀性要求，此外就是这几 类自熔合金对各种碳钢、不锈钢、铸铁和多种有色金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，人们仍然使用这 些合金，并对其进行着更加深入的分析。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各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化 物陶瓷颗粒，形成了复合涂层甚至纯陶瓷涂层，显示出激光熔覆的更广阔的应用 前景。 1 4 半导体激光熔覆的发展状况 目前国内的激光熔覆技术主要集中在应用c 0 ：气体激光器、y h g 固体激光上， 但是半导体激光在材料加工中的独特优势却是不容忽视的。s n o w o t n y ，等人利 用能量密度为2 1 0 4 j m m 2 的半导体激光进行熔覆试验，在4 0 0 m m m i n 的速度下 得到了厚度为0 5 m m 的熔覆层，事实上，这个速度是得到同样结果下c 0 ：激光器 的2 倍速度，而功率只有c 0 2 激光器的一半而已h 7 1 。s b a r n e s ，等人利用1 2 k w 的半导体激光器成功的得到了低稀释率，无气孔，完美冶金结合的高质量熔覆层 4 8 jo 2 0 0 3 年英国科学家指出与其他熔覆手段相比，大功率半导体激光器熔覆有 着较低的稀释率和较细的冶金学组织，所得到的组织性能要明显高于其他激光器 的熔覆结果在杨永强h 引的文章中指出，使用2 k w 的半导体激光在工具钢表面熔 覆高速钢粉末，在一定工艺参数下可以获得无裂纹的熔覆层，得到熔覆层的硬度 是基体的4 倍哺0 1 。 1 4 1 大功率半导体激光器的特点 作为继c 0 2 和n d ：y a g 激光器之后，可应用于工业材料处理的大功率输出 激光器，其在工业材料加工中的优点是传统激光器所无法比拟的，主要有以下几 个方面： 体积小巧，结构紧凑 光电转化效率高，节省能源，无污染 系统稳定性高，寿命长，维护便捷费用低 波长较短，金属材料吸收效率高，加工质量好 模块化设计，可以根据不同的应用设计加工系统 投资少，运行成本低，经济效益好 第l 章绪论 大功率半导体激光器体积轻便，因此可以实现车载进行野外作业，对不便于 拆卸的重型设备进行野外表面强化和修复。其次半导体激光器具有较宽的矩形光 斑，不需要进行离焦和光束变换，可以直接形成较宽轨迹的熔覆层。与c 0 2 和 n d ：y a g 激光器相比较来说，其光电转换效率分别为1 0 一1 5 和1 5 ，半导体 激光器的光电转换效率可以达到3 0 以上踊；半导体激光器的工作性能稳定， 而灯泵浦n d ：y a g 激光器会因为严重的热透镜效应而导致光束质量的不稳定。大 功率半导体激光器不需要额外的维护，工作寿命可以达到1 0 0 0 0 小时左右哺2 i 。模 块化的设计使得大功率半导体激光器更加便于维修，c 0 2 和n d ：y a g 激光器需要 定期更换气体和泵浦灯，对生产效率和成本造成了一定的影h 向，表格1 1 为半导 体激光器与其他激光器的性能对比。 表1 1 半导体激光器与c 0 2 激光器、n d ：y a g 激光器的性能对比1 t a b l el 一1p r o p e r t yo fh i g hp o w e rd i o d el a s e rc o m p a r ew i t hc 0 2l a s e ra n dn d ：y a gl a s e r 大功率半导体激光器不同于其他高功率激光器的最大特点还在于其波长较 短，用于材料加工的半导体激光器波长一般在8 0 8 n m 到9 8 0 n m 之间，金属材料 对短波长激光的吸收率明显增加，从而产生与c 0 2 和n d ：y a g 激光器明显不同 的加工效果。铝合金对该波段激光的吸收率存在一个极值，大约为n d ：y a g 激光 器的3 倍，c 0 2 激光器的1 3 倍，钢材对此波段激光的吸收率也要高于传统激光 器，如图1 1 所示。 1 4 2 大功率半导体激光器熔覆的应用现状 随着大功率半导体激光器光束质量的改善和功率的提高，其在熔覆过程中的 应用也逐渐深入到各个行业。 北京t 业大学t 学硕j j 学位论文 被长( um ) 图1 1金属对不同波长激光的吸收率 f i g 1 - la b s o r p t i v i t ya saf u n c t i o no fw a v e l e n g t hf o rv a r i o u sm a t e r i a l s 1 4 2 1 大功率半导体激光器在等离子喷涂中的应用z i e r i s ，r 嘲嗡1 等人对比了大 功率半导体激光器辅助下的等离子制备( l a p p s ) 的n i c r b s i 熔覆层和等离子直 接制备( a p s ) 的熔覆层的结合强度，其中基体材料为中碳钢。从图中可以看出 l a p p s 的熔覆层结合强度明显高于等离子喷涂所制备的熔覆层。随后的硬度和 磨损试验表明：l a p p s 下的熔覆层硬度略低于a p s ，但是磨损量却远远小于a p s ， 同时l a p p s 下熔覆层的摩擦系数比较小。 图1 - 3n i c r b s i 熔覆层结合界面强度测试结果 f i g 1 - 3r e s u l t so fb o n ds t r e n g t ht e s t sf o r t h en i c r b s ic o a t i n g s ：c o l u m na a p s c o a t i n g ，w i t hs u b s t r a t et u r n e da n dg d tb l a s t e d ；c o l u m nb l a a p s ( d i o d el a s e r ) ，w i t h s u b s t r a t et u m e da n dg r i tb l a s t e d ；a n dc o l u m nc l a a p s ( d i o d el a s e r ) w i t hs u b s t r a t e 1 4 2 2 修复涡轮增压器图1 4 所示为gh a b e d a n k ，h k o h n 报道的关于h p d l 修复涡轮增压器轴的实况和修复后的照片。实验中应用1 0 0 0 w 的光纤耦合h p d l ， 采用侧向送粉末方式，倾斜角度为4 5 度。其中，p = 7 0 0 w ，熔覆材料为 s t e l l i t e 2 1 ，v s = 2 0 r n s ，v g 2 9 m i n 。最后得到1 2 m m 没有裂纹的熔覆层。 抛 抛 脚 啪 o ；一暑口n暑-g譬ulip * i *t 1423 阀门座上的应用aw e i s h e i t ，gh a b e d a n khk o h n 报道的h p d l 熔蓰阀 r j 座的应用中挺到，浚闽鹰的材料为c r n l m n 钢，图1 5 给出了加i 过程的实物图。 加t 中采用的是光耦合 i j h p d l ，侧叫送粉。得到的熔覆腻的宽艘和苛艘分刖为 3 r a m , n 08 m m ，同i 忖显微删试结果显示，熔镬层中没有7e 扎 u 裂纹以及界向缺陷 q 产- 芏。 麟0 浏图 叫。，。裂：蔷2 黧慧黼嚣绻船氘。， ( f i l l e r m a t e r i a l ：s t e l l i t ef ，p 2 1 ，1 0 0 w ，v s = 0 5 m r a i n ，v f t 5g r a i n 1424 修复冲孔模具图1 - 6 中所示为mb r a n d e r s 利用h p d l 熔覆修复冲孔模 的加工实物罔。其中冲孔模材料为冷轧钢( 12 3 8 2 ) ，粉末材料为c p m3 v ，激光 功率范嗣为4 0 0 9 0 0 w 。成形过程是现在切削表面搭接3 0 逍，再纵向盎加两层。 结果表明：成形表面质最高，而且微观组织没有气孔和裂纹，硬度高达7 5 0 h v o3 。 图1 石人功率半导体激光器修复的i q q l 校 f i gl 一6 c l a d d i n g o f ap u n c h i n gd i e ( c o a t e d t o o i ) 15 研究目f l , o ： n 内容 由于大助率半导体激光器在国防、军事领域内的重要性，该技术是圉外一随 剥我国进行封锁的技术项目，这些技术也只有欧美等少数发达h 家能够掌握。目 前，我圈关于上业大功率半导体激光器在材料加工i i 的应用还在起步阶段，m 幽 外开展此方而研究已有十几年的时间，这些应用不仅使3 - , 3 k 生产效率得到r 檄人 的提高，刊时还促进了大功率半导体激光器件的研发。丌展关丁大功率半导体檄 光器在材料加工 面的基础研究，促进大功率、 导体激光器在我国d l k 领域的应 用，提升我国的加工制造业技术等级，尤其是应用于钢铁、汽4 ：、航天、军工领 域，制造质优价廉的尚附加值产品等都有着十分重要的经济效益，同时埘f 促进 对人功率半导体激光器向史高功率发展，服务于蚓防、1 j 事领域也有着十分重要 意义。 论文的目的是根据重载渗碱齿轮材料特点和要求，选择f e 9 0 耐磨白熔性合 金粉未为熔覆材料，并研究各种工艺参数对f e 基熔覆层的外观t 寸和质量以及 性能的影响和大功牢半导体激光器熔覆过程中的熔覆层的成形稳定陛，具体内容 为： 1 建立人功率半导体激光器光束作用下的粉末束的川温模型i 2 研究大功率半导体激光器熔覆铁基粉末时，工岂参数埘成形熔覆层的外 观形貌的影响规律； 3 研究熔覆层的显微组织以及性能并探讨分析熔覆层巾存在的缺陷。 第2 章人功牢半导体激光熔覆的物理过程 第2 章大功率半导体激光熔覆的物理过程 2 1 引言 激光熔覆是利用高能密度激光束将具有不同成分，性能的合金与基材表面快 速熔化，在基体表面形成与基材不同成份和性能的合金层的快速凝固过程。根据 合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为预置法和合金同步送粉法，送粉式激光 熔覆是在激光束移动的同时，通过送粉器向熔池喷射合金粉末的熔覆方法，激光 束、熔覆粉末颗粒以及基体相互作用的过程。激光与粉末、基体以及周围介质的 相互作用直接影响到成形的工艺和结果，所以研究其作用过程对于前期工艺的控 制有重要的指导作用，涉及到的内容概括起来有以下几点嘞棚】： 1 激光方面主要是激光光束模式以及在空间的分布状况、功率密度、光波波 长、光斑形状、光束的扫描速度等； 2 粉末方面包括粉末浓度在空间的分布情况，粉末对激光的吸收率、送粉速 度、粉末颗粒之间的热作用( 热传递和辐射效应) 、粉末的飞溅和弹射； 3 基体方面有基体的形状，对激光能量的吸收率，基体内部的热传导。 目前国内外关于激光熔覆中的物理冶金过程的研究已经有很多的报道，但是 仅局限于呈高斯分布的圆形光斑上。而激光光斑形状和光束的模式对于熔覆成形 有很大的影响。本章就矩形光斑的半导体激光器，且在快轴方向呈近高斯分布， 慢轴方向为多种模式的光束，在通过建立简单数学模型的基础上，研究了激光熔 覆中激光与粉末和基体之间的相互作用。 2 2 大功率半导体激光光束功率分布 半导体激光器堆栈是由b a r 条的堆叠构成的，每个b a r 条又由一定数量的发 光单元所组成，其相互之间未进行锁相，激光器输出光束为非相干光束。假设 x ，y ，z 轴分别为光束的慢轴，快轴和光束的传播方向，则一个堆栈总的能量分布 为删： m 朋加，篆，锕 _ 簪h 一譬 协t ， 北京t 业大学t 学硕i ：学位论文 其中：x o 是在x y 面上的坐标为( i ，j ) 的发光单元的x 方向的坐标； 为( i ，j ) 在y 轴方向的坐标值； w ，、w 广波长九和传输距离z 的函数为： 叱( z ) = 吆 w y2w _ y ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 和为光束腰斑处从光斑中心出发分别沿x ，y 轴方向的长度。对于半 导体激光器来说，由于在平行于结面方向( x ) 和垂直于结面方向( y ) 上具有不 同的波导结构，导致不同方向上( 即x ，y ) 束腰位置不同。垂直结面方向的上， 激光器为折射率波导结构，束腰位于激光器的解理面上；平行于结面方向上激光 器为增益波导结构，光束的束腰位于b a r 条两个解理面构成的谐振腔内。 因为从每个发光单元的光束与其它发光单元的光束为非相干的，所以可以总 的强度可以为全部发光单元强度的叠加。 地拂加静唧 - 2 譬h 2 譬 p 6 ， 激光经过准直和聚焦后，光束就会进行相应的变换： 定义准直倍率为： 虬= 监 = 老 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 破硒 破一鸩 l i l | 甜 似 z z 第2 章大功率半导体激光熔覆的物砰过程 m 。，m 叫分别为x 轴和y 轴的方向的准直倍率，w 二和峙为通过准直透 镜之后的在x 轴和y 轴的方向的束腰半径。 透镜对光束的变换公式： 先以x 轴方向为例，从入射束腰w 二出发到经过自由传播z ，通过透镜f ，自 由传播，到达出射束腰的过程中。相应地光学变换矩阵分别为正巧乙，总的变换 矩阵为： 丁= 巧巧乃= ：) ： 二去：1 ： 最后根据a b c d 定律得出： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 其中为经过准直变换后的光束焦参数，为通过聚焦镜后在x 方向的 束腰半径。 同理可以得到在y 轴方向的， 。 f 2 万菰 ( 2 - 1 2 ) 这里之所以，指得为y 轴方向从入射前束腰半径位置到达聚焦镜的传输距离 ( 因为x , y 轴的束腰位置不同) 。 2 3 激光与粉末的相互作用 研究激光与粉末，基体的相互作用，主要研究熔覆材料对激光遮蔽以及粉末 ，一j。一f 卜 一 北月 、i k ? l ；l 到达熔池之前的列温过程。斤血如粜激光功率被粉术衰减的太多，到达l ：件丧 咖的激光能量不足以形成燃池，”乃丽，粉末颗粒到达坫体时状态也和粉未在 激光光求一l i 吸收的热鼠或z 月备的温度相关所以研究粉术颗粒在激光束r 的泓 度变化对于掌捉熔覆机耻有重要怍川i 粉末顿粒温度的不对于簦体和熔覆盛的状态有影响外还对熔池的能量下 衡产生一定的影响。粉末颗粒扫：激光束的作，| 1 ：( 到达毕体之前) ，会吸收激光 能黾，反射激光能景，耥予之问j 。丰h 加热，以及辐州等。，为r 计算方便本文在 建立模型的同j i , j 假设： 1 粉末的热物理参数保持小变。 2 忽略粉末颗粒之卸的互相传热或者对流。 3 粉末颗粒视为半径为，的均匀球体。由于粉末颗粒足够小，计算足将其看 成个点，粒_ f 的热导半山无限大，即认山糟术颗粒的温度是均匀一致。 d 粉末颗粒只在迎光而l 双收能量，但刘外辐射则扯整个球体表叫发生，f l 】h 科收枣和发射率为常数。 5 粉末浓度在垂直于喷嘴轴线方向争高斯分布 6 忽略粉术在降落过程中的重力作用 l 划21 大功率半导体激光器熔覆过程示意h f i g2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f i 丛e rc l a d d i n g p r o c e s s 2 31 粉末对激光的衰减作用 激光与粉末作用同时，激光能量被一定程度的衰减，而且粉末的遮敝还改变 了到达熔覆层的激光功率分布。下面讨论的衰减过程，假设粉末颗粒在激光照射 方向上的遮挡面积为球状粉末颗粒的半个表面。在根据l a m b e r t b e e r 的定律和 米氏理论，穿过粉末流的激光能量按指数规律衰减”“： 第2 帚大功率半导4 乖激光熔覆的物理过程 q ( x ，j ，) = q ( x ，y ，z ) e x p ( 一仃硎n ) ( 2 1 3 ) 其中，q ( x ，y ，) 为激光在粉末流中穿过距离z 后在x y 面上任意一点的激光 能量值；仃删为消光面积可以视为颗粒的投影面积为刀；为粉末浓度在空间 的分布函数，根据假设5 ， 啪一2 再m 赤e x p ( 筹) ( 2 1 4 ) 而：送粉速度 砟：粉末颗粒的密度 z ：在z 方向的一个网格的距离 r ( x ，y ，z ) ：粉末束中任意一点到粉末流中心的垂直距离 r ( x ，y ，z ) ：( x ，y ，z ) 在与粉末中心轴线垂直的面上的粉末束的半径 其中： ，( z ，y ，z ) = 瓜j 丁乏= f 了 g ( x ，烨) ：而二孑i 而t a n o 一= 【( 办一力t a n 呼p + s t a n 2c p + x c o x 2 缈 z = ( s x ) t a - n 妒+ h ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 如图2 - 1 所示，s 为喷嘴中心点距粉末落在在工件表面上中心的距离，h 为 其垂直高度。 2 3 2 粉末在激光束作用下的升温模型 这里讨论的是侧向送粉的情况下粉末颗粒的升温过程，因为运动距离比较 短，粉末在到达基体之前的状态也有多种情况，如粉末已经完全熔化，部分熔化， 或者没有熔化仍1 日为固相颗粒。固体颗粒撞击到固体表面时往往会反弹，而液态 颗粒撞到固体表面就会粘附在上面。但是不论固态还是液态颗粒落到液态熔池中 就会被吸收。不同的状态对于熔池的能量平衡和凝固后熔覆层的形状都有影响， 北京1 ：业大掌1 ：宇坝l j 位论义 对于粉末利用率也影响很大2 j 。 粉末经过激光束下运动的同时吸收热量， 根据假设：在& 时间内，单个粉末颗粒吸收的激光能量为： a q j 口= t i p 砟q ( x ，y ，z ) a t ( 2 一1 9 ) 其中是粉末对激光的吸收系数， 粉末在a t 时咧散失掉的热重为： e = 4 砟2 a s ( t 4 一万) a t ( 2 2 0 ) 其中，仃为s t e f a nb o l t z m a n n 常数，占为热辐射系数，t o 为环境温度。c p 为粉末的热容。 q p - 4 砟a t 2 0 - 6 ( t 4 - 露) = p p 导砟- c v a t ( 2 - 2 1 ) 址：( 2 2 2 ) ，p s i n 妒 整理得到： 对于每个z ，单个颗粒的受到激光辐射后所增加的温度可以表示为： 丁：坠掣竺塑 ( 2 2 3 ) p p j 0 c p s m 妒v p 可以看出，粉末颗粒温度的增加和粉末在激光的作用时间成正比，而与粉末 颗粒的半径成反比，颗粒半径越小，温度升高越大。 2 2 3 粉末在激光束下的作用时间 如图2 - 2 所示为光束与粉末束交互的截面图：激光束在慢轴方向的发散角为 声，落在基体上的光斑慢轴方向尺寸为口，粉末颗粒从喷嘴出发后进入光束前的 距离为w ， 阁2 2 光束oj 糟末求交t 的截面i 到