（光学专业论文）镍基合金激光熔覆层质量改善的研究及其应用.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 激光熔覆作为一种新兴的金属表面处理技术，在工业技术领域显示出了，“阔 的应用前景。镍基合金具有耐磨、耐蚀、耐热等优异的综合性能，是一种广泛应 用的激光熔覆材料。本文以镍基合金作为基本研究对象，以抑制高硬度镍基合余 熔覆层裂纹的产生、减少镍基碳化钨熔覆层的气孔、增加镍基合金熔覆层的耐磨 性为主要内容，进行了系统的实验研究和机理分析。最后是激光熔覆镍基合金在 工业上的一个具体应用。 研究结果和主要结论如下： 1 向n i 6 0 合金粉末中加入适量的i n ：0 。，选取合适的工艺参数，采用激光 熔覆技术在4 5 # 钢表面上获得了无裂纹的高质量熔覆层。对熔覆层显微组织进行 了观察和分析，测试了熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明，同未加入 i n 。n 的n i 6 0 激光熔覆层相比，加入适当比例t n ：0 3 的n i 6 0 熔覆层，虽然硬度有 所降低，但硬度分布更加均匀，且在本文的摩擦条件下耐磨性提高。i n ：0 。能够降 低n i 6 0 激光熔覆层裂纹敏感性的原因在于适当比例的i n ：0 。能够抑制粗大块状硬 质相的生长，改善枝晶分布，细化组织晶粒，提高涂层韧性。 2 在进行碳化钨的激光熔覆过程中，气孔问题一直是困扰人们的问题，直 接影响着熔覆层的质量。在n i 6 0 + 2 5 w t w c 合金粉末中加入适当比例i i 1 2 0 3 可以 得到无气孔的光滑的激光熔覆层。i n ：0 。能够减少n i 6 0 + 2 5 w t w c 激光熔覆层气孔 的原因在于加入适当比例的i n 。仉后能够抑制w c 的分解，从而减少熔池内c 的含 量，减小了熔池内形成c 0 和c 0 2 的可能性。 3 在n i 6 0 自熔性合金粉木中加入适当比例2 0 3 可以得到质量改善的光滑 的耐磨性大大提高的激光熔覆层。2 0 3 能够大大提高n i 6 0 激光熔覆层耐磨性的 原因在于加入o 5 w t 的2 0 3 后，孝且大的脆性硬质相消失，而形成的较小的硬 质相弥散分布在韧性相中，不容易脱落，很好的起着均匀载荷和减磨抗磨作用。 4 采用激光熔覆技术，对机车连杆大头定位齿的裂纹修复进行了试验研究。 结果表明，选取g i1 5 合金粉术作为敷料，在适当的工艺条件下，修复部位具有 良好的塑性、韧性和较高的强度和硬度，与基体形成了良好的冶金结合，完令达 郑州大学硕士学位论文 摘囊 到了工件再使用的技术要求。对机车连杆的裂纹进行激光熔覆修复是可行的。修 复部位熔覆层的组织是典型的亚共晶组织：先共晶枝干构成组织的骨架，其成分 是y n i 固溶体，c r 、f e 和s i 原子固溶其中；枝晶问组织为细小碳化物、硼化 物和y n i 固溶体的共晶组织。 关键词：激光熔覆，裂纹，气孔，耐磨性，裂纹修复 郑州大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gi sw i d e l ya p p l i e di nt h e i n d u s t r ya san e wm e t a ls u r f a c et r e a t m e n t t e c h n o l o g y n i b a s e da l l o yi sac o m m o nu s e dl a s e rc l a d d i n gm a t e r i a ld u et oi t sg o o d p e r f o r m a n c e ，s u c ha sw e a l r e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e i nt h i s t h e s i s ，n i _ b a s e da l l o ya sb a s i cr e s e a r c ho b j e c t ，w ec a r r i e do u ts y s t e m i ce x p e r i m e n t s a n dm e c h a n i s ma n a l y s e so nr e d u c i n gt h ec r a c ks e n s i b i l i t yo fn i 6 0c l a dl a y e r , r e d u c i n g t h ep o r o s i t yo fn i 6 0 + w cc l a d l a y e ra n de n h a n c i n gt h en i 6 0c l a dl a y e rw e a r r e s i s t a n c e f i n a l l y , w es t u d yo nr e p a i r i n gc r a c ko fe n g i n e e rc o n n e c t i n gr o db yl a s e r c l a d d i n g t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa ss h o w na st h ef o l l o w i n g ： 1 ah i g hq u a l i t ya n dn o c r a c kc o a t i n g so ns t e e l4 5 # b yl a s e r - c l a dn i c k e l b a s e d a l l o yp o w d e rd o p e dw i t hap r o p e rc o n t e n to fi n 2 0 3w a so b t a i n e d t h em i c r o s t r u c t u r e o ft h ec l a dl a y e r sw a so b s e r v e da n da n a l y z e d t h em i c r o h a r d n e s sm e a s u r ea n d t r i b o l o g i c a lt e s t sw e r ea l s oc o m p l e t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tam i c r o h a r d n e s s d i s t r i b u t i o ni nt h ec r o s s s e c t i o no fc l a dl a y e r sd o p e dw i t h1 n 2 0 3i sm o r es m o o t h ，a n d t h ec o a t i n g sp o s s e s sm o r ew e a rr e s i s t a n c ec o m p a r et ot h a tw i t h o u ti n z 0 3 ，t h o u 曲t h e m i c r o h a r d n e s sr e d u c e sal i t t l e t h e i m p r o v e m e n to fp r o p e r t i e s o fl a s e r - c l a d i n 2 0 3 - d o p e dn i c k e l - b a s e dc o a t i n g sd u et oi n 2 0 3c a ns u p p r e s st h ef o r m a t i o no fb i g n u b b l ya n db r i t t l eh a r d - p h a s e s ，i m p r o v et h ed e n d r i t e sd i s t r i b u t i o n ，r e f i n et h eg r a i n s a n de n h a n c et h et o u g h n e s so f c l a dl a y e r 2 p o r o s i t yi sad i s t u r b i n gq u e s t i o ni nt h ep r o c e s so fl a s e rc l a d d i n go fn i 6 0 + w c ， a n di t d i r e c t l ya f f e c tt h ec l a dl a y e rq u a l i t y an o - p o r o s i t yc o a t i n g sb yl a s e r - c l a d n i 6 0 + w c a l l o yp o w d e rd o p e d w i t hap r o p e rc o n t e n to fi n 2 0 3w a so b t a i n e d r e d u c i n g t h ep o r o s i t yo fn i 6 0 + w cc l a dl a y e rd u et op r o p e rc o n t e n to fi n 2 0 3c a ns u p p r e s st h e d e c o m p o s i n go fw c ，r e d u c i n gt h ec o n t e n to fc i nt h em e l t i n gp o o l ，t h e nr e d u c i n gt h e p r o b a b i l i t yo ff o r m a t i o no fc oa n dc 0 2 3 ah i g hq u a l i t ya n dm o r ew e a rr e s i s t a n c ec o a t i n g sb yl a s e r c l a dn i c k e l - b a s e d 郑州大学硕上学位论文 a b s t r a c t a l l o yp o w d e rd o p e dw i t hap r o p e rc o n t e n to fa 1 2 0 3w a so b t a i n e d p r o p e rc o n t e n to f a 1 2 0 3c a ne n h a n c ew e a rr e s i s t a n c eo fn i c k e l - b a s e da l l o yp o w d e rb e c a u s eb i gn u b b l y a n db r i t t l eh a r d - p h a s e sa r ed i s a p p e a r e di nt h ec o a t i n g s ，t h ef o r m e ds m a l lh a r dp h a s e s w e l ld i s t r i b u t ei nt e n d e rm a t r i xa n dt h e s ep h a s e sc a nr e d u c ea n dr e s i s tw e a ra n d d i s t r i b u t el o a d 4 ae x p e r i m e n to fr e p a i r i n gf a t i g u ec r a c ki nt h es u r f a c eo fl o c a t i n gj a wo fb i g e n do f e n g i n ec o n n e c t i n gr o db y l a s e r c l a d d i n g w a sa c c o m p l i s h e d t h e m e t a l l o g r a p h i c a lo b s e r v a t i o n ，h a r d n e s st e s t i n gi nt h el a s e r - c l a dc o a t i n g s ，a n dc r a c k d e t e c t i n gi nt h er e p a i r e da r e ao ft h ec o n n e c t i n gr o dw e r ec o m p l e t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er e p a i r e dl o c a t i o no ft h ec o n n e c t i n gr o dp o s s e s s e sg o o dp r o p e r t i e sa n d am e t a l l u r g i cb a n dw a sf o r m e db e t w e e nc o a t i n ga n ds u b s t r a t eb yl a s e r - c l a dp o w d e ro f a l l o yg l l 5o ni ta tp r o p e rt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s t h es t r u c t u r eo fl a s e r c l a dl a y e ri s t y p i c a lh y p o e u t e c t i c ：d e n d r i t e so fp r o e u t e c t i cc o n s i s to f7 - n is o l i d 。s o l u t i o ni nw h i c h n ia t o m sc o u l db er e p l a c e dp a r t l yb yc ro rf ea t o m si ni t w h i l et h e e u t e c t i c s b e t w e e nd e n d r i t e sc o n s i s to ff i n ec a r b i d e s ，b o r i d ea n dy - n is o l i d - s o l u t i o n r e p a i r i n g c r a c ko fe n g i n ec o n n e c t i n gr o db yl a s e rc l a d d i n gi sp r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，c r a c k ，p o r o s i t y ，w e a rr e s i s t a n c e ，c r a c k r e p a m n g 郑州大学硕士学位论文 郑重声明 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 2 0 0 5 年5汁扣眦 郑州人学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 自从1 9 6 0 年7 月美国人梅曼制造出了第一台红宝石固态激光器以来，又相 继出现了气体激光器、半导体激光器和化学激光器等。激光器的发展和完善又大 大促进了激光技术的应用。激光科学技术以其强大的生命力谱写了一部典型的学 科交叉的创造发明史。激光已经被广泛应用于科技、经济、军事和社会发展 的诸多领域。 各种机械设备和仪器仪表，在使用过程中发生破坏或者失效基本上都是从表 面开始的。随着现代工业的发展，要求机件的表面具有较高性能。这就要求我们 对材料表面进行必要的改性处理。在众多的现代表面处理技术中，激光表面改性 技术因其对基体材料的适用范围广和改善性能效果好的优点成为当前最引人注 目的技术之一”3 。 金属材料的激光表面处理属高能密度加热热处理技术，它采用高功率密度的 激光束，以非接触的方式加热材料表面，借助于材料的自身传导冷却，来实现材 料表面改性的工艺方法。与其他表面处理技术相比，激光表面处理技术具有如 下特点“： ( 1 ) 能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化。 ( 2 ) 能量作用集中，加工时问短，热影响区小，激光处理后，工件变形小。 ( 3 ) 能够处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线。 ( 4 ) 激光表面改性的效果比普通方法更显著、速度快、效率高、成本低。 ( 5 ) 通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材。 ( 6 )由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力与发展安 全设施。 激光表面改性技术主要包括激光淬火，激光熔凝和非晶化，激光冲击硬化， 激光合金化和激光熔覆等”3 1 。 激光熔覆技术是继激光淬火之后第二个在工业中获得应用的激光表面改性技 术，同其它激光表面强化技术相比，具有以下优点“：冷却速度快，组织具有快 速凝固的典型特征： 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 ( 1 ) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低，从而得到更优、更符合设计的覆 层性能； ( 2 ) 节约贵重的合金粉末： ( 3 ) 更小的热变形； ( 4 ) 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； ( 5 ) 光束可以瞄准难以接近的区域熔覆； ( 6 ) 工艺过程易于实现自动化。 正是由于激光熔覆具有这样的优点，国内外纷纷投入大量人力物力进行研究 “”1 。虽然取得了一定的成果，但由于激光熔覆过程所受影响因素太多，使得覆 层质量难以控制，容易出现裂纹、气孔、成分不均匀等缺陷，阻碍了激光熔覆的 进一步发展”“。 本文作者参与了河南省杰出人才创新基金项目：会属材料表面大面积激光强 化与改性的若干关键技术的研究。在对国内外金属材料表面激光改性深入调查的 基础上，结合发展实际，把研究重点放在了改进镍基激光熔覆层质量方面，特别 是对高硬度镍基合金激光熔覆层的裂纹问题和镍基碳化钨合舍激光熔覆层的气 孔问题进行了研究。最后，对激光熔覆在工件修复方面的应用进行了探讨。 2 郑卅i 大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述l j 研究现状 第二章激光熔覆综述与研究现状 激光熔覆技术是材料改性技术中的一种重要方法，它利用高能激光束( 1 0 4 1 0 6 w c m 2 ) 在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达 到1 0 2 1 0 4 c s ，在金属表面熔覆一层具有特殊物理、化学和力学性能的材料， 从而构成了一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能，这种复合材料能充 分发挥两者的优势，弥补相互间的不足。它起始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 6 美国 人d sg n a m u t h u 获得了激光熔覆方法专利【”。至今已经有将近3 0 年的历史，其 间许多工作者对此进行了系统的研究【2 瑚】。 本章将首先介绍激光熔覆的一些基本概念，然后对国内外近年来激光熔覆的 研究现状作一论述，最后提出本论文研究的目的、内容和意义。 2 1 激光熔覆技术理论基础 2 1 1 激光熔覆的温度场理论 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 均匀性及其它物理冶金性能，因而搞清激光熔覆过程中的热传导、对流和质量传 递问题，对于理论研究和实际工业应用都有着重要的理论价值o 。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 材料交互作用的理论和实验研究，从不同方面建立了激光熔覆的热计算模型。温 度场模拟是其中最主要的工作。 由于激光熔覆采用的激光功率较高，加热和冷却速率都极快：同时熔池的尺 寸较小、温度极高，用实验的方法测量熔池中液体的温度分布有一定的困难。目 前，对激光作用下材料温度场主要采用模拟计算的方法，包括两种方法：解析法和 数值计算法。数值计算又包括有限差分法和有限单元法，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。 早期的焊接、激光淬火、重熔和合金化热过程的研究采用解析法和数值分析 两种方法进行，得出了大量有价值的结论，特别是对于激光相变工艺，计算值和实 际符合得比较好，对实际生产具有重大指导意义。 郑州大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述与研究现状 在a s h i b y 模型使用的运动高斯热源附近温度场的解析式中，引入了特征氏 度z 。，其作用是在有限热作用时问内限制工件表面温度为有限值，即人为假设真 实表面在模型表面下z o 处。由此可见，早期的数学物理模型与激光熔覆及合金 化、焊接传热的实际情况有较大差距，至使距离热源较近部位的温度计算发生了 极大的偏差。但这里恰恰是我们最关注的部位。对于激光熔覆，从工艺上讲，确定 熔化区的尺寸及形状是十分有意义的：从冶金动力学角度上讲，相变点以上的加 热范围是研究的重点。早期研究者都只涉及到固体传热过程。为了准确地计算激 光熔覆及合金化、激光焊接热过程，必须考虑熔池内的流体流动状态对热过程的 影响。即熔池内液态金属以对流为主( 也有液态导热) 的传热过程和熔池外以导热 为主的传热过程，才符合激光熔覆及合金化传热的实际情况。 基于上述模型的缺陷，国内外众多学者采用数值模拟技术，对激光熔覆及合 金化，焊接熔池动力学过程进行了大量的研究，建立了众多的数学物理模型。为了 使问题简化，早期熔池流体流动和传热数学物理模型是建立在种比较理想的基 础之上的，即做了如下假设：工件尺寸无限大，静止热源，温度场和流场呈轴对称 分靠，熔池形貌作为数值分析的前提条件预先确定下来等。应用早期的数学物理 模型进行数值分析，结果表明，流体流动对确定熔池中的传热过程和温度分布起 着重要的影响，对熔池形状和随后的结晶过程有着明显的影响。但这些模型与实 际熔池存在较大差距，只能是一种定性分析。随着时间的推移和研究的不断深入， 建立了众多与实际熔池流体流动和传热过程较符合的真三维数学物理模型。 s k o u 教授等【4 2 】建立了运动高斯热源三维准稳态激光熔化熔池流体流动及 传热模型，考虑了浮力和表面张力梯度作为熔池流体流动的驱动力。熔池的形状 是通过计算得到，而不是事先给定的。用该模型计算了3 2 m m 厚6 0 6 3 铝板熔化熔 池中的流场和温度场。s k o u 讨论了表面张力温度系数dy d t 对熔池形状的影 响，dy d t 为正时，金属液体从熔池中心高温区流向熔池边缘低温区，溶池变宽变 浅，宽深比较大：dy d t 为负时，金属液体从熔池中一心高温区流向熔池底部低温区 宽深比较小。同时s k o u 还考虑了雷诺数对熔池流动方式的影响，通过计算，熔池 的雷诺数小于临界雷诺数，对流被认为是层流。 t z a c h a r i a 等建立了运动电弧非自动焊t i g 焊熔池中的流体流动及传热过 程的三维瞬态模型【删。模型把焊接熔池熔化表面作为完全的变形表面束处理，并 4 郑州大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述与研究现状 把熔池表面的升高h ( x ，y ) 作为主要控制变量，模拟了焊道凸起、焊缝表面波纹和 重力波等现象。在模型算法中使用单元标子技术( m a r k e d e l e m e n t t e c h n i q u e ) 跟踪固液界面的瞬态发展，固液界面是由计算元素中与温度和质量有关的液 念质量分数来确定的，模型在能量方程中还加入了局部瞬态相变的影响，考虑了 由温度变化而引起的密度变化，模型采用了有限差分法对控制方程进行求解，综 合考虑了熔池中的电磁力、浮力、表面张力、表面张力梯度和表面变形的影响。 随着激光熔覆在国内的发展，国内的一些学者也在温度场方面做了一些探 讨。 曾大文等建立了二维准稳态激光熔覆熔池流场及温度场的数值模型，除考虑 对流换热外，模型还考虑了局部大变形自由表面。在贴体正交曲线坐标系下采用 了非交错网格s i m p l e 算法离散求解动量方程，计算出了激光熔覆熔池自由表面 形状和温度场、速度场及局部特征凝固参数。数值结果表明，表面张力温度系数 和扫描速度对熔池自由表面形状及熔池内温度分布、速度分布有重要影响”。 路有勤等在综合考虑了激光熔覆热流施加、材料传热两方面自身特点的基础上， 建立了合理的激光熔覆数值模型。利用有限元法，通过计算模拟，表明所得激光 熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻合良好“。 黄延禄等将熔覆过程中固相区、两相区和液相区作为一连续介质，用非稳念 固液相变统一模型来描述其流场与温度场，并采用固定网格移动坐标来处理带移 动热源的流动与传热问题。能量方程用显焓表示，有关潜热的非稳态项与对流项 均做为其源项处理。用l a m b e r t b e e r 定理和米氏理论计算粉末流与激光光束的 相互作用，使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟程序是在流体动力学软 件p h o e n i c s 基础上，通过添加源项、边界条件、熔覆层轨迹计算以及激光束和粉 末流相互作用等相应模块实现”。 应丽霞等通过建立移动激光高斯热源作用下三维熔覆温度场的计算机数值 分析模型，在分析过程中引入了复合材料热物性参数的计算方法，考虑了相变潜 热和辐射对流散热等因素，用a n s y s 中的a d p l 语言编制了相应的计算机程序， 具有较高的计算精度。在不同的工艺参数条件下，用该模型对激光熔覆陶瓷金 属复合涂层温度场进行了分析计算，得出了熔覆过程中试样表面、端面的温度等 值线分布和温度梯度分布，预测了熔池的轮廓、热影响区的形状、交界面的结合 郑、i t 大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述与研究现状 情况等“。 徐庆鸿等综合考虑了激光熔覆热流施加、材料传热两方面的自身特点( 在热 源施加方面，激光熔覆是小面积、快速、分布不均匀的热流输入形式：在材料传 热方面，激光熔覆是多层异质、预置涂层多孔非实质的材料传热方式) ，建立了 合理的激光熔覆数值模型，利用有限元法，通过计算模拟，结果表明：所得激光 熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻合良好“。 2 1 2 稀释率 稀释率是指在激光熔覆过程中，由于熔化的基材的混进而引起的熔覆合金成 分的变化程度，通常用合金在熔覆层所占的百分数来表示。计算稀释率的方法可 分为两种，一种用熔覆层横截面的面积测量值计算稀释率，称为几何稀释率，这 是最简单也是最常用的稀释率表示法。即 d - s 。( s r + s 。) 式中s 厂熔覆层横截面面积 s b _ 一基体熔化面积 因而稀释率可通过控制熔覆层横断面内基体熔化面积来实施，而基体熔化面积是 由激光能量决定的。 还有一种是按照熔覆层的成分的实测值来计算稀释率： n = p ，( s + x ；一x ，) p ，( s + x 。x ，) + p 。( s + x ：一x ，) 式中n 表示稀释率；p ，表示熔覆层合金的密度；p 。表示基材的密度；s 、 x 。、x ，分别表示熔覆合金、基材和覆层合金中x 元素的质量百分数f 4 8 j 。 激光熔覆过程中，在保证熔覆材料和基体材料达到冶金结合的前提下，希望 基体的熔化量越少越好，以保证熔覆层合金原有的性能( 高硬度、耐磨性、耐蚀 性及抗氧化性) 不受损害。大量实验证明1 4 9 | ：熔覆材料和基体理想的结合应是在 界面上形成致密的低稀释率和较窄的交互扩散带。因此，控制熔覆层稀释率的大 小是获得优良熔覆层的先决条件。 在激光熔覆过程中，为了获得冶金结合的熔覆层，必须使得金属表面基材表 面熔化，因此不可避免的有基材对熔覆合金的稀释，但是为了保证熔覆合金的高 性能，必须尽量减少基材稀释的有害影响，将稀释率控制在适当的程度。一般认 为稀释率保持在8 以下为宜【5 0 1 。 郑州人学硕士学位论文 第二章激光熔覆综述与研究现状 影响稀释率的因素主要包括熔覆材料特性和工艺参数两方面，其中熔覆材料 特性主要是指熔融合金的润湿性、自熔性和熔点，工艺参数指激光功率、光斑尺 寸、送粉速率和扫描速度等。稀释率与激光功率、扫描速度和光斑尺寸这三个参 数关系可采用比能量加以概括。在相同的条件下，稀释率随着比能量的增加而增 加。这是由于单位面积的激光能量的增加造成了更多的基材熔化的缘故。比能量 对稀释率的影响还和预置的粉末层的厚度有关系，粉末层越薄，其稀释率随比能 量的增加就越快；粉末层越厚，较厚的预置层就相当于一个光陷阱，吸收了大部 分激光能量，从而限制了基材的熔化量。在相同的比能量下，不同的功率密度所 对应的稀释率并不相同，其稀释率随着功率密度的升高而增大。这主要是与基材 的热传导有关，高的功率能使粉末层在较短的时间内熔化，从而提高了熔覆层的 稀释率。在同步送粉法中，若激光功率和光斑尺寸相同，基材的熔化深度和熔覆 层的稀释率主要取决于光束的扫描速度和送粉速率。一定面积上单位时间内的粉 末积累的越多，则所需的熔化能量也就越大，这样基材的熔化层就随之变浅，即 送粉速率起到热屏蔽的作用。在相同的激光工艺条件下，随着送粉速率的增大， 稀释率则显著下降，因此可以认为送粉速率是决定熔覆层的最为关键的因素i “。 2 1 3 激光熔覆熔池的对流及其影响 ( 1 ) 熔池的对流机制和模型 各种实验研究已经证明激光辐照的熔池内存在着对流现象。对于对流的机 制，目荫大家普遍接受的是表面张力驱动学说。这种学说认为：在激光的辐照下， 由于熔池内温度的分布不均匀性造成表面张力大小不等，温度越低的地方表面张 力越大，这种表面张力的差驱使液体从低的张力区流向高的张力区，流动的结果 是液体表面产生了高度差，在重力的作用下又驱使溶液重新回流，这样就形成了 对流。金属溶液的表面张力随温度的变化关系可以用表面张力差温度系数a o o t 束表示，通常0 0 o t 为负数，也就是说金属熔液的表面张力随温度的升高而降低， 所以熔池内的表面张力分布从熔池中心到熔池边缘逐渐增加。 由于表面张力的作用，熔池内上层的溶液被拉向熔池的边缘，从而使熔池产 生p q 面，并形成高度差，由此而形成重力梯度驱动力，这样就形成了回流：在表 面张力和重力作用的相同处相互抵消，称为零点，零点的位置和叠加力的大小强 郑州大学硕士学位论立第二章激光熔覆综述l j 研究现状 烈影响着对流强度和对流的方式。叠加力越大，对流就越强烈；零点位置一般位 于熔池的中部，这时对流最为均匀，当它偏上时，会出现上部对流强烈而下部流 动性差的情况，反之亦然。此外，熔池横截面内的对流驱动力是变化的，驱动力 由熔液表面到零点逐渐变小，直至为零。在零点至熔池的底部，驱动力又l h d , 变 大，再从大变小，到液一固面处驱动力又重新变为零。所以，熔池内横截面各点 的对流强度并不一致，甚至还存在着某些驱动力为零的对流“死点”。 激光熔池的对流现象对熔覆合金的成分和组织的均匀化有促进作用，但在激 光熔覆过程中过度的稀释且混合不充分的条件下，容易引起成分和组织偏析，降 低熔覆层固有的性能。激光熔池内对流的形式与激光光束能量分布密切相关，对 称的匀强光束形成对称的两个流环，非对称分布光束形成两个不对流流环甚至一 个流环。送粉激光熔覆的对流控制着合金元素的分布和熔覆层的几何形状。 ( 2 ) 影晌熔池对流的因素 实际作用过程中，熔池的对流特征是由熔液表面张力系数、黏度、密度和熔 液温度分布等许多参数综合作用而决定的。 溶质元素对熔池的对流特征的影响一般来说，当所添加的溶质元素增 大从而熔液的黏度增大时，熔液对流阻力增大，这样就容易形成对流不均匀；如 果添加的元素直接影响熔液表面的张力，也会直接影响熔池的对流特征。 激光光束能量分布对熔池的对流特征的影响 对于o a o t o 的情况， 按照表面张力驱动学说，熔池的对流方式实质上是围绕高温区域进行的，熔液从 高温区域流向低温区域，再由低温区域经熔池底部向上流回高温区。因此，如果 能量呈均匀分布或者高斯分布，就会使熔池的横截面的温度的分布沿其中心对 称，而对于能量非均匀的光束，熔池的对流方式也遵循上述规律，只不过由于温 度分布的不对称，使得对流的图案会发生变化。 激光工艺参数对熔池对流特征的影响 熔池中横截面表面张力梯度与 熔池温度之问有如下关系 塑：_ c n ( 1 也三) 塑 o y t o 砂 式中，c 。是比热容，t o 是计算表面焓的参考温度，t 为熔池温度，o 是表面 张力，y 表示熔池横截面的坐标。 8 郑州大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述与研究现状 上式表明，熔池的对流特征主要由光束功率密度和交互时间所决定。熔池的 对流循环次数主要取决于交互作用时间：而对流强度主要取决于辐照光束的功率 密度。光束功率的密度越高，8 酬b t 的值就越大，液面的高度差也就越大，从而 熔池的流速也就越快；而交互作用时间越长，熔池对流搅拌的时间也就越长。 因此，当辐照光束的功率密度较低时，功率密度和交互时间都对熔池的对流 特征产生影响，但功率密度是主要的影响因素；而当功率密度足够大时，熔池的 对流特征几乎完全被功率密度所影响。 2 2 激光熔覆工艺与组织性能的研究 2 2 1 激光熔覆的工艺方法 根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种：合金同步法和合金前置 法。合金同步法( 一步法) 是指采用专门的送料系统在激光熔覆的过程中将合余 材料直接送到激光作用区，在激光的作用下基材和合金材料同时熔化，然后冷却 结晶形成合金熔覆层，这种方法的优点是工艺过程简单，合金材料利用率高，可 控性好，甚至可以直接形成复杂三维形状的部件，容易实现自动化，国内外实际 生产中采用较多，是熔覆技术中的首选方法。同步法按照送料的不同分为同步送 粉法、同步丝材法和同步板材法等。合会 j 置法( 预置法) 是指将待熔覆的材料 以一定的方法预先覆盖在材料的表面，然后采用激光束在合金覆盖层表面扫描， 使整个合金覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固而在基 材表面形成冶余结合的合金熔覆层。其方式又分为两种：前置涂覆层和前置涂覆 片。 合金同步法的工艺流程是：基材熔覆表面热处理一送料激光熔化一后热处理。 合金前冒法的工艺流程是：基材熔覆表面预处理一预置熔覆材料一预热一激光 熔化后热处理。 2 2 2 激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响 激光熔覆是一个较复杂的工艺过程，影响熔覆层质量的因素主要有材料参数 和工艺参数。工艺参数主要有激光功率p 、激光扫描速度v ，( 或光束作用时间t ) 、 离焦量h ( 或光斑半径r 。) 和送粉率v 。( 或预置厚度h ) 等。 近年来，很多研究者深入研究了个工艺参数对覆层质量的影响，得到了很多 郑州大学硕士学位论文 第二章激光熔覆综述与研究现状 有价值的结果。p e l e t i e r 等【5 2 l 研究发现，在p 和v 。给定时，粉末沉积量m 与层 交接面积s 成正比。刘喜明等1 5 3 】研究发现，在其他条件相同的情况下，随着实际 送粉率的增大，熔覆层宽度减小、厚度增加、接触角增大、表面粗糙度增大。实 验表明，这些现象均随扫描速度的降低而趋于严重。在其他条件不变的情况下， 随着扫描速度的增加，熔覆层的厚度减薄，熔覆宽度减小。此现象受实际送粉速率 的影响很大，当送粉速率较高时，会形成较窄的、接触角较大且有相当厚度的熔覆 层，此时，熔覆层的开裂倾向较大。在实际送粉率较低且激光束的能量密度足够大 时，提高扫描速度可以提高熔覆层的平整度。汪刘应等f 5 4 l 认为在铝合金表面激光 熔覆n i c r b s i 粉末，当激光输出功率一定时，光斑直径和扫描速度的大小对激光 熔覆层的质量有着显著的影响。张庆茂等【5 5 】系统地研究了n i 基合金自动送粉激 光熔覆工艺参数对熔覆层几何形貌的影响。重点讨论了一些参数如激光作用能量 密度( p ) 、作用时间( t ) 、送粉速率( v 。) 、扫描速度( v 。) 等对熔覆层宏观质量的影 响规律。覆盖率随扫描速度增加而减小，随送粉速率的增加而增大。随激光作用 能量密度和作用时间的增加，熔覆层的横截面面积呈线性规律增加，熔覆层宽化 量增加，接触角增大，而且这种现象随送粉速率的增加更加显著。j a s i m ”】的研究 发现，v ，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 _ l 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，通过具体实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 2 3 组织结构和性能的分析测试及改善 在常规功率密度( 1 0 3 i 0 8 w c m 2 ) 时进行的激光熔覆，可以在0 1 1 秒内 的时间内完成整个熔覆过程，如此高的加热和冷却速度使得熔覆层的组织有许多 特点，一般来说，激光熔覆层的组织结构可分为三个区域：熔覆区，过渡区和热 影响区。在激光束的辐照下，熔覆区的温度呈径向分布，使得熔覆区组织呈现为 定向生长的组织形态，在不同的材料体系和工艺参数条件下，熔池结晶的形态是 各不相同的，如平面晶、胞状树枝晶、柱状晶和等轴晶等，而且在同一激光熔池， 由于受结晶前沿液相成分和结晶参数变化的影响，其组织特征也发生变化，随着 离熔覆层与基体结合界面距离的增加，熔覆层枝晶特征尺寸随之减小，即组织不 1 0 郑州大学硕士学位论文 第二章激光熔覆综述与研究现状 均匀：在同一高度下部位的特征尺寸变化不大，即组织均匀。所以，在激光熔覆 层中存在着不均匀性。王忠柯等【5 7 l 试验研究了激光熔覆层的凝固特征和组织形成 规律。结果表明：熔覆层不同位置的凝固特征参数不同。熔覆层底部属于典型的 平面外延生长组织，且枝晶粗大；而顶部是较规则的树枝状共晶组织；中部为细 小的胞晶和柱状晶；且晶体生长受结晶学各向异性影响。熔覆层组织品粒形核的 非均匀形核特征显著。熔覆层微区成分存在着不均匀性，不同元素沿晶j 1 ； j 偏折( 富 集) ，是组织不均匀的重要原因。曾大文【5 8 】等利用激光熔覆解析模型，计算了熔 池局部凝固特性参数( 温度梯度、界面推移速度、冷却速率等) ，结合凝固理论， 解释了激光熔覆层组织形成的原因，建立了熔覆层组织不均匀性的评判标准，依 据该标准对熔覆层组织进行评判，并提出提高扫描速度是改善熔覆层组织不均匀 和提高熔覆层性能的途径之一。 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， 已经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。李子夫等【5 9 l 在镍基合金激光熔 覆y t i m 基合金涂层实验中，通过x 射线衍射结果分析表明，镍基合金激光熔 覆处理后的熔覆区e hq ：和y 细小枝晶组织组成。刘荣祥等 6 0 1 在t i b a l 4 v 表面激 光重熔n i c r b s i + t i n 合金喷涂层实验，利用x r i ) 和s e m 对熔覆层进行了分析，结 果表明，熔覆层主要由y n i 、t i n 、n i b 、c r ：t i 和t i ：n i 组成。欧阳家虎f 6 1 j 和 李强1 6 2 】利用x r d 、s e m 、e d s 和t e m 分别在y 一f 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【6 3 】研究n i 、c r 、s i 高温合会组织结构，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辩像。b a r t o s | 6 4 】 和s a l l a m a n d l 6 5 】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 l 6 6 1 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。 2 2 4 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 郑州大学硕士学位论文第二章激光熔覆综述与研究现状 材料科学和凝聚念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，激光熔覆界面问题己引起 一l 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。 吴人洁等1 6 7 】较全顽地给出了这一领域的综述。从固固界面角度，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，产乍应力和裂纹。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，