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激光熔覆技术 固体激光实验室2011年9月11日 1 激光熔覆技术的定义 激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料 经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化 并快速凝固后形成稀释度极低 与基体成冶金结合的表面涂层 显著改善基层表面的耐磨 耐蚀 耐热 抗氧化及电气特性的工艺方法 从而达到表面改性或修复的目的 既满足了对材料表面特定性能的要求 又节约了大量的贵重元素 激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术 它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质 降低成本 节约贵重稀有金属材料 因此 世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视 2 激光熔覆技术的优点 氧 乙炔火焰熔覆感应熔覆氩弧熔覆等离子弧熔覆激光熔覆以上5种熔覆的方法 激光熔覆技术最为突出 也是研究最多的 其优点为 1 冷却速度快 高达106K s 属于快速凝固过程 容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相 如非稳相 非晶态等 2 涂层稀释率低 一般小于5 与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合 通过对激光工艺参数的调整 可以获得低稀释率的良好涂层 并且涂层成分和稀释度可控 3 热输入和畸变较小 尤其是采用高功率密度快速熔覆时 变形可降低到零件的装配公差内 4 粉末选择几乎没有任何限制 特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金 5 熔覆层的厚度范围大 单道送粉一次涂覆厚度在0 2 2 0mm 6 能进行选区熔敷 材料消耗少 具有卓越的性能价格比 7 光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷 8 工艺过程易于实现自动化 3 激光熔覆技术的作用 对材料的表面改性 表面改性 是指在保持材料或制品原性能的前提下 赋予其表面新的性能 如亲水性 生物相容性 抗静电性能 染色性能 防氧化性等 如燃汽轮机叶片 轧辊 齿轮等 轧锟磨损修复 零件的抗氧化性熔覆 食品加工设备耐腐蚀熔覆 4 激光熔覆技术的作用 对产品的表面修复如转子 模具等 有关资料表明 修复后的部件强度可达到原强度的90 以上 其修复费用不到重置价格的1 5 更重要的是缩短了维修时间 解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题 另外 对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金 可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命 对模具表面进行激光熔覆处理 不仅提高模具强度 还可以降低2 3的制造成本 缩短4 5的制造周期 空压机转子轴承修复中 抛锚机传动轴熔覆修复 桨叶激光熔覆强化 5 激光熔覆技术的工艺 熔覆材料 目前应用广泛的激光熔覆材料主要有 镍基 钴基 铁基合金 碳化钨复合材料 其中 又以镍基材料应用最多 与钴基材料相比 其价格便宜 熔覆工艺 激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类 即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆 预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位 然后采用激光束辐照扫描熔化 熔覆材料以粉 丝 板的形式加入 其中以粉末的形式最为常用 同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中 使供料和熔覆同时完成 熔覆材料主要也是以粉末的形式送入 有的也采用线材或板材进行同步送料 6 激光熔覆技术的工艺 预置式激光熔覆的主要工艺流程为 基材熔覆表面预处理 预置熔覆材料 预热 激光熔化 后热处理 同步式激光熔覆的主要工艺流程为 基材熔覆表面预处理 送料激光熔化 后热处理 按工艺流程 与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法 熔覆材料的供料方法 预热和后热处理 7 激光熔覆技术的设备 激光熔覆成套设备组成 激光器 冷却机组 送粉机构 加工工作台 计算机等 8 激光器的选用 激光器的选用 目前应用广泛的有CO2激光器 固体激光器Nd YAG 基本参数对比1 CO2 Nd YAG激光器的输出特性 PW 脉冲式CW 连续式 9 激光器的选用 由上表可知 激光的输出能量有脉冲式和连续式两种类型 Nd YAG激光相对CO2激光温度升的快 需要激光的能量少 热影响区和热变形区小 处理层冷却速度快 温度梯度大 所以激光产生的热影响区和热变形区一次是 YAG激光 CO2激光2 金属对CO2 Nd YAG激光的吸收率在激光熔覆与加工过程中 金属激光能量的吸收是一个十分重要的参数 下表为几种金属对激光的吸收率 10 激光器的选用 从上表可知 金属表面对激光的吸收率随激光波长的增加而减少 则金属表面对激光的吸收率的大小依次为Nd YAG激光 CO2激光综上所述 1 CO2激光器适用于大功率 大尺寸精度要求较低的加工和熔覆领域 Nd YAG激光适用于中小功率 中小尺寸 精度要求较高的加工和熔覆领域 2 Nd YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光直接接触金属快速制造领域 11 激光熔覆技术的应用 航空领域 激光熔敷技术在航空航天领域 汽车领域 石油领域 磨具和轧锟领域 生物领域等方面有一定的应用 激光熔覆技术不仅能用于加工零部件 而且能用于修复零部件 在修复方面 激光熔覆可以获得高硬度 耐磨 耐蚀 耐高温的材料表面 这种技术生产效率高 环境污染小 属于绿色加工技术 RollsRoyce公司利用激光熔覆技术 对航空发动机叶片进行修复 同时把工件的开裂难题给解决了 工时也大大降低了 还有利用激光熔覆技术 在排气阀密封面熔覆合金涂层 熔覆层的硬度和耐磨性大大提高而且避免了熔覆层中的开裂和气孔现象 同时耐腐蚀性也提高好几倍 1 航空领域钛合金在航空航天领域广泛使用 主要用来制造高的强度 质量比 耐热和耐腐蚀的零部件 同时钛合金在应用过程中也存在许多不足之处 如摩擦因数大 耐磨性差等 如果在钛合金材料表面熔覆一层能增强材料表面特性的物质 同时利用激光熔覆技术 还可以降低成本 节约时间 激光熔覆术的应用 12 激光熔覆技术的应用 汽车领域 2 在汽车领域的应用在汽车制造方面 激光器可用于汽车车身的焊接和切割 激光熔覆技术最先适用于汽车零件方面 在排气门的密封面熔覆Stellite合金 通过磨擦磨损测试发现 熔覆层的耐磨性能提高6倍 利用激光熔覆技术可以熔覆耐磨 耐热性强的材料表面 还可以应用在汽车发动机气门 气门座圈密封锥面等 以及排气阀 换向器 齿轮等零部件上 13 激光熔覆技术的应用 石油领域 3 石油方面因石油开采现场的工况条件比较差 许多金属零部件长期处于承受重载状态 同时还有严重的腐蚀和磨损现象 导致金属零部件易损害 这就大大降低了零部件的使用寿命 所以金属零部件需要具有高硬度 高强度 高耐蚀性等各种性能 才能长期应用于恶劣的环境 我国在钻采机械方面利用激光熔覆技术取得了很大的成果 14 激光熔覆技术的应用 模具和轧辊领域 4 模具和轧辊领域的应用模具激光表面熔覆技术经过近年来的发展 现已逐步走向实用阶段 许多设备的生产率和产品都由模具的使用寿命决定 目前熔覆技术应用在模具的表面强化和修复方面 激光熔覆技术可以改善模具钢的特性 使熔覆层表面硬度高 耐磨性强和抗高温能力强 从各个方面提高模具的使用寿命 在模具表面熔覆一层陶瓷层 使熔覆层硬度和耐磨性都有明显提高 轧钢机导向板就是利用激光熔覆技术在导向板上熔覆一层保护层 使材料表面形成高温耐磨涂层 这种导向板与普通碳钢导向板相比 其耐磨性大大提高了 同时耗材少 生产率高 轧辊是轧钢工业中损耗较严重的工具 它也是轧钢机中很重要的部件 轧辊质量的好坏对轧板 带材的质量和产量都有直接的影响 所以轧辊的表面材料有很好的特性非常重要 利用激光熔覆技术也可以满足这一要求 15 激光熔覆技术的应用 生物领域 5 生物医用领域的应用不锈钢 钛及其合金具有高硬度 高强度 高耐蚀性等各种性能 所以在生物医用领域受到关注 一些方面已经应用 但因其耐蚀性和生物相容性较差以及金属离子潜在的毒副作用 使不锈钢 钛及其合金材料在机体中的应用受到了极大的限制 因此 激光熔覆技术在生物医用领域的应用还有待进一步的研究和发展 16 激光熔覆技术的发展现状 激光熔覆技术是 种涉及光 机 电 计算机 材料 物理 化学等多门学科的跨学科高新技术 它由上个世纪60年代提出 并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利 进入80年代 激光熔覆技术得到了迅速的发展 近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术 为激光熔覆技术又添了新的活力 目前已成功开展了在不锈钢 模具钢 可锻铸铁 灰口铸铁 铜合金 钛合金 铝合金及特殊合金表面钴基 镍基 铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆 激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件 镍基合金粉末适用于要求局部耐磨 耐热腐蚀及抗热疲劳的构件 钴基合金粉末适用于要求耐磨 耐蚀及抗热疲劳的零件 陶瓷涂层在高温下有较高的强度 热稳定性好 化学稳定性高 适用于要求耐磨 耐蚀 耐高温和抗氧化性的零件 在滑动磨损 冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下 纯的镍基 钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求 因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点 目前已经进行了钢 钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究 17 激光熔覆技术国内发展情况 沈阳大陆激光技术有限公司宁波市鄞州镭速激光科技有限公司武汉大族金石凯激光系统有限公司北京瑞派泰马激光科技有限公司等公司在激光熔覆方面以取得了很大的进展 18 2020 1 7 19 激光熔覆技术国内发展情况 20 激光熔覆技术国内发展情况 21 激光熔覆技术的展望 目前激光熔覆技术已经取得一定的成果 某些方面已经进入实际工业应用阶段 但由于激光熔覆技术发展时间短 还存在着一些问题 在以后的研究中应从以下几个方向深入开展 1 研究激光熔覆技术的基础理论可以以热力学和外延生长作为出发点 对激光熔覆快速凝固行为进行研究 研究范围有 各种亚稳相的形成规律 组织特征及溶质在凝固过程中的分配规律 2 建立理论模型建立更接近实际过程的传输模型有能量传输模型动量传输模型和质量传输模型 通过对这些模型的数值分析 得到熔池中的定量信息 从而对相变规律做进一步深入研究 3 设计与开发熔覆材料利用激光熔覆技术 对熔覆材料表面特性进一步研究 如力学性 能耐蚀性和耐摩擦磨损性能等