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激光熔覆工艺基础研究 y 1 0 0 8 5 2 1 摘要 激光熔覆的试验研究始于2 0 世纪7 0 年代，通过三十多年的发展，该 技术已经取得了很大的进展，在工业生产中正得到越来越广泛的应用，然 而要大范围地生产应用还存在一些问题。 激光熔覆中最棘手的问题是熔覆层的开裂。在选定基体材料和熔覆材 料的基础上，一般可通过优化工艺方法和工艺参数来尽可能减少熔覆层的 开裂。本文提出了单向送粉双向扫描激光熔覆工艺，通过选择合适的激光 工艺参数，进行单道和多道熔覆试验，得到了无裂纹的熔覆层，为解决开 裂难题提供了一种简便可靠的方法。 多道搭接熔覆中，表面平整度的改善也是急于解决的问题。选择不同 的搭接系数，对熔覆层的表面平整度有很大的影响，并直接决定后期加工 量的大小。本文介绍了搭接系数的理论推导并通过选择不同的搭接系数进 行试验，发现搭接系数为o 4 时，熔覆层的最大厚度差最小，搭接处的粗 糙度最小，表面平整度最好，从而为多道搭接熔覆工艺参数的确定提供了 依据。 多道熔覆层的金相组织分析表明，金相组织为化合物、合金马氏体和 残余奥氏体，顶部马氏体呈针状，因而熔覆层具有较高的硬度，熔覆层和 基体为冶金结合，熔覆层内无裂纹和气孔，层与层之间结合紧密，也为冶 金结合，这进一步证实熔覆质量良好。 熔覆层的几何形貌除了受熔覆材料和基体的熔点、导热系数、密度和 比热等物理参数、相互之间的化学匹配性制约之外，主要取决于激光功率、 光斑形状和尺寸、光束输出模式、扫描速度和送粉速率。本文通过调整激 光功率、扫描速度和送粉速率，研究了激光工艺参数对熔覆层厚度和宽度 的影响。试验表明：增大激光功率、送粉速率或者减小扫描速度，可以使 熔覆层厚度变深；增大激光功率、减小送粉速率，可以使熔覆层宽度变大。 在实际应用中，一般根据给定的熔覆层厚度，选取相应的激光工艺参 数。工艺参数的选取需要有一定的理论或经验依据。本文根据试验数据， 进行了熔覆层厚度和扫描速度以及送粉速率之间的曲线拟合和回归分析， 得到了理想的拟合公式，并结合试验经验，获得了工艺参数的选取依据， 对实际应用具有一定的指导作用。 激光熔覆工艺基础研究 激光熔覆层的边缘塌陷也是一大问题。塌陷造成熔覆层底部与顶部的 长度或宽度不等，减少了试件的工作面，影响了熔覆层质量。通过两种工 艺的试验及其分析，得到了较理想的防塌陷工艺。 齿轮在机器中得到广泛的应用，采用激光熔覆工艺可以对轮齿的失效 进行修复。本文对齿轮进行了激光熔覆试验，提出了齿轮熔覆的位置设计， 介绍了齿轮熔覆的扫描工艺，研究了齿轮模数对熔覆层开裂倾向的影响。 针对齿轮的塌陷，确定了合理的扫描方法和工艺参数，得到了理想的熔覆 效果。 关键词：激光熔覆，工艺参数，裂纹，搭接，几何形貌，塌陷，齿轮 激光熔覆工艺基础研究 t h ef u n d a m e n t a ll n v e s t i g a t i o n o nl a s e rc l a d d i n gp r o c e s s a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fl a s e rc l a d d i n gb e g a ne v e rs i n c et h e 19 7 0 s t h r o u g h3 0y e a r s d e v e l o p m e n t 。t h et e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a t p r o g r e s s a n d b e e nm o r ea n dm o r e w i d e l yu s e d i nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n h o w e v e r ，i t s t i l le x i s t ss o m e p r o b l e m s t o l a r g e s c a l e p r o d u c t i o na p p i c a t i o n s t h em o s ti n t r a c t a b l epr o b l e mo fl a s e rc l a d d i n gi sc o a t i n gc r a c k i n g o nt h eb a s i so fs e l e c t e ds u b s t r a t ea n dc o a t i n gm a t e r i a l g e n e r a l l yw e c a nm i n i m i z ec r a c k s b yo p t i m i z i n gt e c h n o i o g j c a i m e t h o d sa n d p a r a m e t e r s t h ea u t h o rp r o p o s e dt h ep r o c e s so fu n i d i r e c t i o 几a ip o w d e r f e e d i n g a n d t w o - w a ys c a n n i n g b yc h o o s i n ga p p r o p r i a t e l a s e r t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o f s i n g l e - p a s s c l a d d i n ga n dm u l t i p a s sl a pc l a d d i n gw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec o a t i n g w i t hn oc r a c k l ew a so b t a i n e d 。t h u sp r o v i d i n gas i m p l ea n dr e l i a b l e s o l u t i o nt op r o b l e m so fc r a c k i n g a st ot h e m u l t i p a s sl a pc l a d d i n g ，t h ei m p r o v e m e n t o ft h e s m o o t h n e s so ft h ec o a t i n gs ur f a c ei se a g e rt os o l v e t h ec h o i c eo f d i f f e r e n to v e r l a p p i n gc o e f f i c i e n th a sg r e a ti m p a c to nt h es m o o t h n e s so f t h e c o a t i n g s ur f a c e ，a n dd ir e c t l yd e t e r m i n e st h e s i z eo ft h el a t e a l l o w a n c e t hr o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h e o r e t i c a l l yd e d u c ea n dt e s t so n d i f f e r e n t o v e r l a p p i n gc o e f f i c i e n t i t i sf o u n dt h a tw h e no v er l a p p i n g c o e f f i c i e n ti s0 4 ，t h em a x i m a lt h i c k n e s sd i f f er e n c eo ft h ec o a t i n gi s s m a l l e s t ，t h es u r f a c er o u g h n e s so ft h eo v e r l a pp a r ti ss m a l l e s t a n dt h e s m o o t h n e s so ft h ec o a t i n gs u r f a c ei st h eb e s t ，t h u spr o v i d i n gt h eb a s i s f o rd e t e r m i n i n gt e c h n o i o g i c a ip a r a m e t e r si nm u l t i p a s sl a pc l a d d i n g a n a l y s e so nt h em e t a l l o gr a p ho fm u l t i p a s sc o a t i n gs h o wt h a t i t 激光熔覆工艺基础研究 c o n s i s t so fc o m p o u n d ，a l l o ym a r t e n s i t ea n dr e s i d u a la u s t e n i t e ，o nt h e t o pi st h ea c i c u l a rm a r t e n s i t e ，t h u st h ec o a t i n gb e a r sh i g h e rh a r d n e s s t h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t ea r em e t a l l u r g i c a lc o m b i n a t i o n ；t h e r ea r e n oc r a c k sa n dp o r o s i t i e si nt h ec o a t i n g t h ec o a t i n g sa r e t i g h t l y c o m b i n e da n d t h e y a r ea l s o m e t a l l u r g i c a lc o m b i n a t i o n f u r t h e r c o n f ir m i n gag o o dc l a d d i n gq u a l i t y i na d d i t i o nt ob ec o n s t r a i n e db yp h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s m e l t i n gp o i n t so fc o a t i n ga n ds u b s t r a t e ，h e a tc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n t d e n s i t ya n ds p e c i f i ch e a t 。a n dm u t u a lc h e m i c a lm a t c h ，t h eg e o m e t r i c e x t e r n a l i t i e sd e p e n dl a r g e l yo nt h el a s e rp o w e r ，s p o ts h a p ea n ds i z e ， b e a mo u t p u tm o d e l s ，s c a n n i n gs p e e da n dp o w d e rf e e d i n gr a t e b y a d j u s t i n gl a s e rp o w e r ，s c a n n i n gs p e e da n dp o w d e rf e e d i n gr a t ed u r i n g t h ee x p e r i m e n t ，t h e i m p a c to fl a s ert e c h n oj o g j c a ip a r a m e t e r so nt h e t h i c k n e s sa n dw i d t ho fc o a t i n gw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t i n c r e a s i n gl a s e rp o w e ra n dp o w d e rf e e d i n gr a t e ，r e d u c i n gs c a n n i n g s p e e d c a ni n c r e a s e c o a t i n gt h i c k n e s s ；i n c r e a s i n g l a s e rp o w e ra n d r e d u c i n gp o w d e rf e e d i n gr a t ec a nr e d u c ec o a t i n gw i d t h i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，g e n e r a l l ya c c o r d i n gt ot h eg i v e nc o a t i n g t h i c k n e s s ，t h ec o r r e s p o n d i n gl a s e rt e c h n o i o g j c a lp a r a m e t er sh a v et ob e s e l e c t e d 。t h ec h o i c eo f t e c h n o l o g i c a ip a r a m e t e r sr e q u i r e s c e r t a i n t h e o r e t i c a io re m p ir i c a lb a s i s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a 。t h e a u t h o rm a d ec u r v ef i t t i n ga n dr e g r e s s i o na n a l y s i sa m o n gt h ec o a t i n g t h i c k n e s s ，t h es c a n n i n gs p e e da n dt h ep o w d e rf e e d i n gr a t e ，a n dg a i n e d a ni d e a lf i tf o r m u l a a n dc o m b i n i n gi tw i t ht e s t i n ge x p e r i e n c e ，t h e s e l e c t i n gb a s i so nt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw a so b t a i n e d ，p l a y i n ga g u i d i n gr o l ei npr a c t i c a la p p l i c a t i o n t h eb o r d e rs i n ko ft h ec o a t i n gi sa l s oam a j o rp r o b l e m t h es i n k c a u s e sd i f f e r e n tl e n g t hb e t w e e nw i d t ho ft h et o pa n dt h eb o t t o mo ft h e c o a t i n g ，r e d u c e st h ew o r k i n gf a c eo ft h es a m p l e ，a n da f f e c t st h ec o a t i n g q u a l i t y ，t hr o u g ht e s t sa n da n a l y s i so nt w ot y p e so fp r o c e s s e s 。w eh a v e g a i n e dab e t t e rp r o c e s st oa v o i ds i n k i n g g e a ri sw i d e l yu s e di nt h em a c h i n e r y ；l a s e rc l a d d i n gp r o c e s sc a n r e s t o r et h ef a i l u r eo fg e a rt e e t h t h et e s t so ng e a rb yl a s e rc l a d d i n g 激光熔覆工艺基础研究 w e r ec o n d u c t e d ，t h ei n i t i a ls c a n n i n gp o s i t i o nd e s i g nf o rg e a rc l a d d i n g w a sp u tf o r w a r d ，t h es c a n n i n gp r o c e s sw a sm a d ei n t r o d u c t i o no ng e a r c l a d d i n g ，a n d t h ee f f e c to f g e a r m o d u l eo n c r a c k i n gt e n d e n c y o f j a s e r c l a d c o a t i n g w a ss t u d i e d a st ot h es i n ko f g e a r 。o n t h e d e t e r m i n a t i o no fr e a s o n a b l e s c a n n i n g m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，s a t i s f a c t or yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g 。t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s 。c r a c k ，m u l t i p a s s o v e r l a p p i n g ，g e o m e t r i ce x t e r n a l i t y ，s i n k 。g e a r s h e ny a n d i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db y 曼q n gq 女坌d g i d g 论文独创性声明 本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。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 垒墨整 日期： 论文使用授权声明 口6 6 、冲 本人同意上海海事大学有关保留、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；学校可以上网公 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遵守此规定。 作者签名：上蜱导师签名：罂日期 口6 占 激光熔覆工艺基础研究 1 1 现代表面工程技术及其发展 第一章绪论 随着科学技术日新月异的不断发展，对材料性能的要求越来越高。在生产领域 中，各种机械零件设计的选材原则是要保证其强度、刚度、抗疲劳、耐摩擦磨损、 耐腐蚀等性能，以满足各种环境条件下的应用。然而，机械零件在工作中与外界环 境接触的只是其表面，目前很多零件的失效也都是从其表面开始的，如各种类型的 磨损、腐蚀、压溃，扭转或弯曲疲劳断裂的裂纹源也产生于表面并逐渐向内扩展， 最后导致断裂。材料本体与表面工作环境的差异导致了传统材料设计中的整体均匀 性原则不再适应新材料发展的要求，这就需要对材料表面的某些部位进行特殊处理， 在保持材料整体性能不变的同时改善其表面的性能，既降低材料整体均匀性设计中 的成本，又提高材料的利用率。在对材料的表面保护和表面强化研究不断深入的过 程中，逐渐形成了现代表面技术。现代表面技术包括表面改性技术，薄膜技术与涂 镀层技术，其作用可以概括为五个方面：以最低的经济成本来生产优质产品； 可以制各得到一系列新材料和新器件；设备技术改造和维修的有效手段；节约 能源和资源的重要途径；装饰与美化人民生活的得力措施。 2 0 世纪8 0 年代，英国伯明翰大学教授t o mb e l l 提出了表面工程的概念。该大 学沃福森表面工程研究所的建立和1 9 8 5 年表面工程国际刊物的创刊成为表面工 程学科发展的重要标志。同年召开了第一届表面工程国际会议。1 9 8 6 年1 0 月在布 达佩斯召开的国际热处理联合会决定接受表面工程学科并改名为国际热处理及表面 工程学术会议。我国也将表面工程应用作为传统材料性能优化的基础研究，并被列 入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。由于表面工程的显著作用和重要嫩位， 许多先进的表面工程技术及基础理论研究被列入国家重点技术创新项目、国家攻关 项目等。表面工程技术的研究热潮丰富和发展了各行各业新产品，新技术，新设备， 从而使表面工程技术也得到了极大的发展，形成一个比较完整的现代化表面工程技 术系统。突出发展的表面工程技术包括化学电化学沉积，化学气相沉积( c v d ) ， 物理气相沉积( p v d ) ，热喷涂( h s ) ，激光束或电子束表面改性。截至目前，表面 工程技术已广泛应用于机械制造、电子信息、建筑装饰、化工技术、航空航天、军 工生产等多个领域i “”。 激光熔覆工艺基础研究 1 2 激光表面改性技术概述 1 2 1 激光表面改性技术的含义及特点 激光是一种具有高单色性、高方向性、高相干性和高亮度的电磁波。激光束由 一系列反射镜和透镜来控制，聚焦成直径很小的光斑( o 1 r a m ) ，从而获得极高的功 率密度( 1 0 4 1 0 9 w r a m 2 ) 。激光束材料表面改性技术是利用大功率密度激光束，以 非接触方式加热材料表面，借助于材料本身的热传导进行冷却，在材料表面形成一 定厚度的处理层，从而提高材料的力学性能、冶金性能、物理性能等，以满足各种 不同的使用要求，它属于表面工程领域中的表面改性技术，它的研究始于2 0 世纪 6 0 年代第一台固体激光器红宝石激光器的诞生，并于7 0 年代大功率激光嚣成 功研制后开始获得迅速发展。 与其它表面技术相比，激光束材料表面改性技术具有以下优点： ( 1 ) 激光束具有很高的功率密度，材料被加热和自冷却速度很快，激光硬化处 理后的工件表面硬度比常规淬火硬度高5 一2 0 ，在零件表面可获得极细的硬化层 组织，而且淬硬层的深度可以控制，一般为0 3 1 2 m m ，采用大功率激光器可以达 到1 - 3 r a m ( 2 ) 依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，具有很高的工作效率，配 有计算机控制的多维运动工作台的激光加工系统，特别有利于生产率很高的机械化、 自动化生产； ( 3 ) 通过工艺控制，可以对零件表面进行相变硬化、熔凝强化、合金化、特殊 功能材料熔覆等各种表面改性处理； ( 4 ) 与各种传统热处理技术相比变形最小，而且可以用处理工艺来控制变形量； ( 5 ) 可处理零件的特定部位及其他方法难以处理的部位，对表面型廓复杂的零 件，可以进行灵活的局部强化： ( 6 ) 一般无需真空条件，即使是特殊的合金化处理，用保护气体即可有效防止 氧化及元素烧损； ( 7 ) 最大限度地消除了传统热处理影响区的不良影响。 激光表面改性也具有一定的局限性： ( 1 ) 由于只是表面局部处理，故无助于芯部性能的改变： ( 2 ) 由于金属对波长1 0 6 册的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，需 做表面涂层预处理； ( 3 ) 设备一次性投入费用高，且需要专业人员操作。 2 激光熔覆工艺基础研究 根据激光处理工艺特征的不同，激光表面改性技术可分为：激光表面淬火、激 光表面熔凝、激光表面合金化、激光熔覆、激光非晶化、激光冲击硬化等。其中， 激光表面淬火和激光表面熔凝技术起步较早，并且发展得也比较成熟，已经部分用 于工业生产，激光非晶化和激光冲击硬化尚处于研究起步阶段。目前对激光表面改 性技术的研究中最活跃的领域是激光熔覆和激光表面合金化。 1 2 2 激光表面改性技术的应用 鉴于激光表面改性技术重大的技术优势和科学技术飞速发展的需要，该项技术 发展很快，已经成为材料表面工程技术最新发展的领域之一。 激光表面改性技术在实际生产中也获得了一定的应用，如中国第一汽车集团公 司利用4 条自动化生产线2 k w c 0 2 激光器对发动机气缸体进行表面淬火，可使其寿 命提高一倍以上【。玎：近年来日本的汽车制造业开始采用激光表面合金化技术对汽车 排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层，与传统的乙炔涂覆法相比，激光表面合金化处 理成本低，涂层寿命高【8 】；日本雅马哈摩托车公司为了提高新鲜混合气体的填充效 率，在四冲程发动机上采用二进二排的四气门机构后，又采用了三进二排的五气门 机构，省去气门座，直接在缸盖上进行激光熔覆，使功率提高了1 0 ，燃油消耗降 低了5 0 1 9 】；激光表面熔凝技术主要用于铸铁和高碳、高合金材料，该技术已在铸 铁发动机凸轮、轧钢厂剪板机剪片等产品上成功应用【1 0 】；激光非晶化可获得高强度、 高韧性、高磁导率和高耐蚀性等综合性能的非晶态金属，在电力变压器行业获得了 相当成功的应用【1 1 】；激光冲击硬化技术已开始用于机械制造领域中的弹簧、连杆、 曲轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷部件的处理，核工业领域核废料罐的处 理，船舶工业中船体焊接板焊缝的处理，最为典型的应用就是航空发动机叶片的强 化【1 2 】。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来自国防科技重点实验室基金项目齿轮激光多道熔覆技术研究。 该项目的主要研究内容是：分析激光熔覆中热传导规律，初步建立熔覆层厚度与激 光熔覆参数的对应关系，开展边缘地带的防塌陷工艺研究，提出行之有效的方法， 研究多道熔覆条件下的激光参数变化规律，解决大模数齿轮齿面的修复问题，实现 高精度的高副构件磨损后的性能恢复和改进。 机械零件在复杂多变的环境中正常运行一段时间后，不可避免地会出现压溃、 3 激光熔覆工艺基础研究 磨损、应力腐蚀及疲劳破坏等失效现象，从而造成不同程度的危害。对于一些造价 低廉或精度不高的零件只需更换新品即可，而对于那些价格高昂的高精度零件，更 换新品必然会带来巨大的经济损失，如果激光熔覆能保证熔覆层无裂纹、无气孔， 且有一定的厚度，便可成为修复磨损后的高精度零部件的一种理想手段，从而以较 低的维修费用获得较高的经济效益。近年来，激光熔覆技术受到了普遍重视，世界 各国纷纷投入大量的入力、物力和财力进行研究，虽然取得了一定成果，然而由于 激光熔覆过程中所受影响因素众多，使得熔覆层质量难以控制。当前存在的主要问 题是熔覆层容易出现裂纹、表面不平整，后续机加工量较大，要在熔覆理论及工艺 技术方面取得突破，仍然存在许多挑战性的问题，这给实际应用带来了很大的困难， 阻碍了其进一步的发展。因此，从工艺上研究其原因，探索出最佳的激光熔覆工艺 方法和工艺参数，对拓宽激光熔覆的应用范围，推广激光熔覆技术具有重大的经济 意义。 上海海事大学激光应用研究室拥有h j 3 型激光加工机，配备2 k w 横流c 0 2 激 光器、j 一6 型激光头、j k 卜6 型激光熔覆自动送粉器、西门子8 0 2 c 数控系统和 四轴三联动数控机床( 如图1 - 1 所示) ，在激光热处理领域取得了许多研究成果【1 “1 6 1 ， 本文在这些设备和研究成果的基础上，开展了激光熔覆工艺的基础研究。 1 4 本文研究内容 本文研究内容包括： 1 防止裂纹的激光熔覆工艺研究； 2 多道搭接激光熔覆工艺研究： 3 边缘地带防塌陷工艺研究； 4 齿轮轮齿表面激光熔覆试验研究； 论文的主要内容如下： 第二章：简单介绍了激光熔覆的一些基本概念：随后从理论、工艺、材料、熔 覆设备、应用等几个方面对国内外近年来激光熔覆的研究现状作一论述；指出激光 熔覆现存的主要问题及今后的发展方向；最后介绍了激光熔覆的材料和影响熔覆层 质量的因素。 第三章：首先论述了影响激光熔覆发展的最大问题熔覆层的开裂及其防开 裂方法；随后介绍了本文采用的单向送粉双向扫描激光熔覆工艺，在合理的工艺参 数的变动范围内，进行了该工艺与其他工艺的试验比较与分析；最后对多道搭接激 光熔覆工艺中的搭接系数给出了理论推导，在此基础上进行了防裂纹、表面平整度 4 激光熔覆工艺基础研究 的改善等试验，并对其金相组织进行了分析。 ( a ) 试验用激光加工机 ( b ) 激光加工机控制面板 ( c ) 激光熔覆送粉器 ( d ) 激光头及粉末喷嘴 图1 - 1 试验用激光加工机及其辅助设备 第四章：研究了激光功率、扫描速度及送粉速率三个参数对熔覆层形貌中的厚 激光熔覆工艺基础研究 度和宽度的影响，得出厚度和宽度随之变化的规律。对于给定的熔覆层厚度，需要 确定相应的激光工艺参数，根据试验数据，对熔覆层厚度、扫描速度以及送粉速率 三个量之间进行了曲线拟合以及回归分析，结合试验中激光功率对熔覆质量的观察， 给出了确定工艺参数的理论和经验依据。 第五章：分析了熔覆层产生塌陷的原因，并提出了防止塌陷的工艺方法。通过 两种熔覆工艺分段变速扫描熔覆以及外接材料熔覆的试验及其比较分析，确定 了合理改善熔覆层塌陷的工艺。 第六章：提出了齿轮熔覆位置的设计原则，介绍了齿轮熔覆采用的各种扫描工 艺，阐述了齿轮基本参数对其熔覆质量的影响。针对齿轮的塌陷问题，选择合理的 激光熔覆工艺方法和工艺参数，从齿轮进出端和齿顶两方面进行了防塌陷的试验研 究。 第七章：全文总结。 激光熔覆工艺基础研究 第二章激光熔覆 激光熔覆是一种新型的材料加工与表面改性技术，涉及到物理、冶金、材料科 学等领域。它可以在低成本材料上制成高性能表面，以节约贵重、稀有的金属材料， 提高材料的综合性能，降低能源消耗，受到了国内外的普遍重视。激光熔覆的发展 可以追溯到6 0 年代。当时许多学者致力于在低熔点基体上熔覆抗磨材料，这些材料 包括：钨及其碳化物，铝、钽、铼、铌、钛及其碳化物和氧化铝，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。1 9 7 6 年 美国a v c o 公司d s g n a n a m u t h u 获得了自动送丝激光熔覆装置的专利。由于技术 上的问题，2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，激光熔覆经历了发展相对缓慢的时 期。到8 0 年代末，激光熔覆技术得到了迅速的发展。经过四十多年的发展，激光熔 覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。激光熔覆适用于局部易磨损、冲击、 剥蚀、氧化腐蚀，局部要求特殊性能( 局部光敏、热敏、超导、强磁性能要求) 的 零部件，且材料的成分亦不受通常的冶金热力学条件的限制，因此应用相当广泛。 激光熔覆不仅将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面以提高材料表面层的性能， 而且赋予它新的性能，缩短生产周期，降低制造成本，尤其在地球蕴藏的有限战略 金属元素的大量消耗的今天，该技术引起了西方各国的高度关注【1 j 卜1 9 l 。 2 1 激光熔覆的原理及特点 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，它通过在基体材料表面添加熔覆材料，并 利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其 为冶金结合的添料熔覆层。 激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐 热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面涂层。与工业中常 用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着下列优点【2 0 啦】： ( 1 ) 熔覆热影响区小，不破坏基材的力学性能； ( 2 ) 工件变形小，一般可忽略不计； ( 3 ) 层晶粒细小，结构致密，所以其硬度般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等 性能也比较好； ( 4 ) 由于激光作用时间短，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，因此可在 7 激光熔覆工艺基础研究 熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的熔覆材料； ( 5 ) 高达1 0 6 c s 的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生了新性能的组织结构， 如亚稳相、超弥散相、非晶相等； ( 6 ) 激光熔覆过程易实现自动化生产，且熔覆层质量稳定： ( 7 3 可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，对表面型廓复杂的零 件，可进行灵活的局部强化； ( 8 ) 可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分设计，得到不同性能的涂层。 2 2 激光熔覆的试验研究和应用 2 2 1 激光熔覆的试验研究 激光熔覆试验研究的范围很广，包括基体材料，熔覆材料，激光工艺参数和各 种表面性能，激光熔覆过程的数值模拟，激光熔覆层质量及其裂纹的产生与防止等。 下面是一些试验研究的例子： 郑州大学针对m o 有较强的细化晶粒、增强韧性、提高塑性的作用，在4 5 钢表 面进行了镍基合金粉末添加m o 的熔覆试验，通过对激光熔覆工艺参数及m o 含量 的优选，获得了成形良好、无裂纹、组织致密的熔覆层【2 3 1 。 上海交通大学对激光熔覆快速成型致密金属零件进行试验研究，通过参数优化 和大量的工艺试验，获得了具有一定精度和较高强度的金属试件l 。激光熔覆成型 改善了快速成型技术的基本工艺，使之能够在快速、精确制造零件的同时提高零件 的强度等力学性能，突破目前多用来制造原形和模型的现状，直接生产高性能零件。 大连理工大学选用优化的激光工艺参数，利用激光熔覆工艺在4 5 钢表面原位合 成硬质t i b 2 陶瓷颗粒，增强n i 基复合材料涂层。对涂层的显微分析表明：涂层中 存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制，涂层熔 覆质量良好【2 圳。 山东大学采用石墨和硅混合粉末在t i 6 a 1 4 v 合金基体上进行激光熔覆处理，x 射线衍射和能谱分析表明，熔覆层内生成了大量的块状t i c 初晶和菊花状_ t 巧s i 3 共 晶化合物，测试表明熔覆层具有良好的耐磨和耐热性能【2 6 i 。 美国的a l i o n 科技公司为美国海军部开发了一套显著延长金属零件寿命的激光 熔覆系统，该系统通过在原金属零件表面熔覆一层新的金属，能使驱动轴和阀门等 机械零件抗腐蚀抗磨损，寿命显著延长，被r e d 杂志评为“本年度最具技术影响力 的1 0 0 件产品”1 2 7 1 。 8 激光熔覆工艺基础研究 sk u m a r 和sr o y 用一个二维传热模型预测送粉式激光熔覆工艺中的温度场和 熔池形状，研究了工艺参数对加工质量的影响。为了降低平均稀释率，功率( p ) 和扫描速度( u ) 的比值( p u ) 总应保持较小，为了获得期望的熔覆层厚度，功率 p 也要加以控制【2 8 】。 r k a u l 等通过用低热量输入的激光熔覆工艺来控制硬质表面的熔覆层稀释率的 大小，得到了奥氏体不锈钢基体上低稀释率的熔覆层，通过控制加热和冷却速度减 少了熔覆层裂纹数【2 9 】。 武钢公司初轧厂2 8 0 t i t i 扭力矩的大型人字齿轮，采用激光熔覆技术进行修复， 成本只有原值的5 0 ，使用寿命提高1 5 倍，修复后运行状况良好【3 0 l 。 2 2 2 激光熔覆的应用 激光熔覆技术在航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械、工模具和轻工 行业等都有应用，主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 提高关键部件表面的耐磨性和耐腐蚀性。第一个激光表面熔覆技术的应用 是在1 9 8 1 年r o l l s - r o y c e 的r b 2 1 1 飞机发动机高压叶片连锁上f 3 1 】；美国w e s t i n g h o u s e 公司用激光熔覆技术修复长1 2 m 的蒸气机叶片前端的水蚀【3 2 】；s e h u f f m a n 公司使 用2 个送粉器，双摄像视频计算机的数控系统熔覆飞机发动机叶片和压缩机叶片1 3 2 】； p r a t t & w h i t n e y 公司使用6 k w 激光器，在镍基合金汽轮机叶片上熔覆钴基合金【3 2 】； 意大利菲亚特汽车公司在发动机排气阀座的环形表面熔覆s t e l l i t ef 合金【3 3 1 。采用激 光熔覆技术后，这些关键部件表面的耐磨性、耐腐蚀性均得到了提高，其作用也得 到了进步的发挥。 ( 2 ) 对因局部磨损而报废的关键零部件进行修复。因磨损超差而报废的铝挤压 模具( 材质为3 c r 2 w 8 v ) 、块规( 材质为t p ) 等，采用激光熔覆技术在磨损超差部 位熔覆耐磨合金后，能够得到重新使用；汽轮机叶片工作刃、轧辊表面采用激光熔 覆进行修复，能够在工业生产中继续发挥重要的作用。 2 3 激光熔覆存在的问题和发展方向 2 3 1 激光熔覆存在的主要问题 尽管激光熔覆技术近年来得到了快速发展，但作为大范围商业应用仍受到很大 的限制，主要是目前还存在以下一些问题： 9 激光熔覆工艺基础研究 ( 1 ) 激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置尚未达到工业生产 应用的水平。激光熔覆处理要求大功率激光束的稳定性，对光斑的能量均匀分布要 求较高。我国新研制的宽带扫描装置和自动送粉机构可以较好地解决这方面的问题， 但是常规的能应用于工业生产的激光熔覆的成套设备和辅助设备相对比较落后，送 粉装置多为氢气单管吹送，其送粉的连续性和均匀性较差。 ( 2 ) 激光熔覆层表面不平整，后续机加工量较大，且合金层与基体的交界处易 出现裂纹、夹杂和孔洞等缺陷，给实际应用带来很大的困难。其中，熔覆层存在开 裂的倾向是激光熔覆中最棘手的问题。材料问热膨胀系数、弹性模量的明显差别及 激光熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，面熔覆层成分与组织 梯度导致的微观应力则促使裂纹扩展。解决的办法除了在熔覆层材料体系的选择上 下工夫外，激光熔覆参数的适当匹配与优化，以及预热或后热等附加热处理工艺也 是可取的。要彻底解决熔覆层开裂问题，应从更微观的角度入手，分析裂纹的形成 过程，指导工艺参数的设计。 ( 3 ) 性能良好的大功率激光器是激光熔覆的首要条件，快速凝固理论则是激光 熔覆技术的理论基础。到目前为止，已经建立起来的传热传质模型还没有从根本上 揭示出激光熔覆过程的本质。关于远离平衡条件下的凝固动力学、结晶学几乎还是 一个空白，尤其是复合熔层中相界面的精细结构、界面反应产物以及快速凝固时固 液界面的颗粒推移效应等研究得更少。 ( 4 ) 激光处理系统的固定资产及维持费用相对常规的堆焊、热喷涂来说比较昂 贵，使得激光处理过的产品成本较高。 2 3 2 激光熔覆技术的发展方向 激光熔覆技术在过去三十多年间虽然发展很快，但是仍存在上述的一些问题， 而其今后的发展方向大致有以下几个方面【3 5 3 9 】： ( 1 ) 基础理论的研究。激光熔覆以极快的速度熔化和凝厨，是个菲乎衡豹物霉 和冶金过程，其加热和冷却过程中的相变动力学、热力学、界面行为、扩散行为等 都与传统的固态相变理论、界面理论等有所不同，找出它们与激光工艺参数和熔覆 层性能之间的关系以及对熔覆材料力学行为的影响，丰富和完善快速凝固理论、相 变理论和界面理论等基础理论，是激光熔覆实现工业化的基础。 ( 2 ) 合理设计熔覆层材料，优化工艺，开发新型的激光熔覆技术，如梯度熔覆， 熔覆层与基体间熔覆复合层，熔覆层前后进行合适的热处理等，以解决工艺应用中 常见的熔覆层裂纹现象，将是把激光熔覆技术推向真正的工业应用至关重要的一步。 1 0 激光熔覆工艺基础研究 ( 3 ) 建立简洁的、适合于现场控制的数学分析模型。由于熔覆材料种类的多样 性、熔覆过程的复杂性和对激光与固体物质相互作用规律认识的不足，到目前为止， 还没有建立准确反映激光束和材料相互作用、基体热传导等规律的数学分析模型， 缩短确定最佳工艺参数的时间，实现熔覆工艺系统的设计。 ( 4 ) 结合光源的设计，开展大面积激光搭接熔覆的实验研究。完善熔覆层质量 的监控、箍钡0 和评价手段，加强激光熔覆层复合加工技术的探讨。 ( 5 ) 研制和开发同轴体式送粉熔覆设备和高精度送粉控制系统，重点解决与 大功率激光器配套的适合于熔覆的系列宽带扫描装置及熔覆材料添加方式和工艺稳 定性问题。传统的激光熔覆多道搭接工艺繁琐、成本较高、成型性较差，丽宽带熔 覆技术可以解决上述问题。此项技术的发展，需要解决与之配套的系列装置( 如反 射镜、透镜、及其它辅助设旌等) 及添加元素的熔覆方式( 如预置式、送粉式等) 和工艺稳定性问题，才能拓宽激光熔覆技术的应用领域，以达到工业应用的目的。 综上所述，激光熔覆处理是一种快速凝固技术，它可以产生平衡状态下所无法 获得的优良组织和性能。对基材无限制，可根据使用性能要求设计熔覆层的成分组 成，在廉价钢材上可制备出性能优异的高合金钢表层且与基体的结合强度高，是其 它表面处理工艺所无法比拟的。尽管目前还存在一些应用上的问题，但随着人们对 其理论和工艺研究的逐渐深入和趋于完善，相信在不久的将来一定会在工业中挖掘 出它的巨大潜力并产生深远的影响。 2 4 激光熔覆的材料 激光熔覆一般是在低级材料上熔覆一些具有某类功能的特殊材料，其材料包括 两方面：基体材料和熔覆材料。已经使用的基体材料主要有碳钢和合金钢、铸铁、 镍基高温合金、铝合金、钛合金、镁合金及超级合金。熔覆材料主要有自熔性合金 粉末、复合粉末和氧化物陶瓷粉末。其中自熔性合金粉末是指合金中加入了b ( 硼) 和s i ( 硅) 等元素的熔覆合金材料，这些合金材料在熔覆过程中具有自脱氧性能和 自造渣性能，主要包括镍基合金、钻基合金和铁基合金。铁基合金适于要求局部耐 磨且容易变形的零件；镍基合金适于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的零件， 所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高；钻基合金适于要求耐磨、耐腐蚀和 抗热疲劳的