高性能金属零件快速凝固激光成形技术

高性能金属零件快速凝固激光成形技术

采用psp快速加工工艺技术（rapidsolidifi装置厂），生产高速冷凝固晶、准晶、非晶等新型结构和功能材料。这是提高传统材料性能、探索现有材料性能潜力、研究和开发高性能新材料的重要手段之一。高速固碳材料技术和高速冷速连续理论的研究是当今科学研究材料、工程和冷态物理的国际先进领域之一。激光表面快速熔化/快速凝固是实现金属材料快速凝固的三大基本方法之一,也是迄今为止能实现凝固冷却速度最快的快速凝固方法.对金属材料进行激光表面熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速凝固,不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征(如:枝晶及组织细化、溶质元素高度过饱和固溶、低偏析或无偏析、形成各种亚稳相、准晶、非晶等非平衡相等)和特殊物理化学及力学性能的表层材料外,还可以在激光材料表面快速熔化过程中灵活地向熔池中加入合金元素(激光表面合金化)或直接熔化同轴同步输送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固,从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材、具有细小均匀快速凝固非平衡组织特征和所设计优异特殊性能配合的特种表面冶金涂层材料.此外,由于激光表面快速凝固加工过程快速、灵活、热影响区小、易于自动化,快速凝固激光表面改性应用基础与应用研究进展迅速,事实上,在快速凝固理论研究基础上发展起来的基于激光表面合金化及激光熔覆的激光表面工程(lasersurfaceengineering)技术,已成为一种将特种先进涂层新材料设计、新材料合成及零件优质涂层制备有机融为一体的现代表面工程新技术之一.近年来将快速凝固激光材料加工(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)与快速原型制造RPM(RapidPrototypeManufacturing)基本原理相结合而迅速发展起来的高性能金属零件激光添加材料制造技术LAM(LaserAdditiveManufacturing)或激光直接成形技术(laserdirectforming),是材料科学、材料加工工程、先进制造技术、激光技术、计算机科学等交叉学科前沿领域热点研究方向之一,是一种将“材料设计”、“材料合成/制备”与“近净形复杂金属零件快速成形”有机融为一体的先进、低成本、数字化、知识化、绿色、快速制造技术.北京航空航天大学材料学院激光材料加工与表面工程实验室,近年来一直从事先进金属材料快速凝固激光表面改性及高性能金属零部件快速凝固激光快速成形技术的研究.本文简要报道本实验室近2年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展.1试验及成果钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石工、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景.但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金作为摩擦磨损运动副零部件的应用.采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、优异阻燃性能、同钛合金零件基材之间为牢固冶金结合的高温耐磨耐蚀阻燃特殊涂层材料,是有效解决钛合金摩擦系数高、耐磨性低等固有性能缺点最有效、经济、灵活的方法之一.本文从1995年开始一直致力于钛合金快速凝固激光表面改性技术的研究,先后采用激光表面合金化及激光熔覆技术在钛合金表面制备出了分别以TiN,TiC,Al2O3,WC,Cr7C3,SiC等硬质耐磨相为增强相的快速凝固“原位”耐磨复合材料表面改性层,大幅度提高了钛合金的摩擦学性能.近2年来,采用快速凝固激光表面合金化及激光熔覆改性技术在钛合金表面制备难熔金属间化合物增强快速凝固高温耐磨涂层的研究,对TC4,BT9,TA15等钛合金进行快速凝固激光表面合金化与激光熔覆,成功研制出了Ti5Si3/NiTi2,Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2,Ti5Si3/Ti2Ni3Si等高硬度高耐磨金属间化合物耐磨涂层新材料,由于上述涂层组织组成相全部均为金属间化合物,其固有的高硬度及反常的硬度温度关系、独特的金属键与共价键共存性质,在室温及高温滑动磨损、磨料磨损及微动磨损等磨损条件下不仅磨损速率很低,而且还具有很低的摩擦系数,与钛合金基材相比,耐磨性可提高幅度达到100~710倍、摩擦系数降低近50%,为钛合金作为摩擦副机械零部件特别是高温耐磨运动副零部件的应用,提供了可能性和新途径,部分研究成果已应用于航空发动机关键高温耐磨运动副零部件.2过渡金属硅化物高温耐磨性耐蚀涂层新材料的研发在航空航天、石油化工、电力等国防及工业装备中大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料性能要求十分苛刻,急需同时具有优异的高温耐磨性能与低的摩擦系数、优异的高温抗氧化、抗热腐蚀等性能与优良摩擦学相容性的高耐磨、抗氧化、抗热腐蚀、低摩擦多功能涂层新材料及其优质涂层制备新技术.据此,近年来本文以快速凝固激光熔覆技术作为涂层材料合成与优质涂层制备技术手段,一直开展“先进高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其快速凝固激光熔覆涂层制备新技术”的研究.针对先进航空发动机中大量关键高温高速运动副零部件对高温耐磨、低摩擦、自润滑、抗氧化、金属摩擦相容等多功能涂层材料及其优质涂层制备技术的要求,利用新的耐磨材料设计原理与快速凝固激光熔覆涂层制备技术,研究成功了同时具有优异高温耐磨性、优异摩擦学相容性与优良激光熔覆涂层工艺性能、碳含量(质量分数)高达9%~12%、显微组织由完全孤立分布块状及球状高温耐磨碳化物、球状高温自润滑相及连续高温耐磨耐蚀镍基固溶体基体组成(如图1所示)的“超高碳Cr-Ni-C高温耐磨自润滑多功能涂层新材料”及其优质涂层(组织完全致密、均匀、同零件基材之间为“无界面”冶金熔合结合)激光熔覆制备工艺,研究成果在我国某航空发动机关键高温高速滑动摩擦副部件上通过整机装机试车考核.近年来,针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,提出了“难熔金属硅化物合金高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料研究新领域,成功研究出Ti5Si3/Ni3Ti2Si,Cr3Si/Cr2Ni3Si,Mo2Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi等同时具有优异高温耐磨性能、抗热腐蚀及抗氧化性能、低摩擦系数及优良摩擦学相容性等性能配合的过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系并优化出了其优质涂层激光熔覆制备新技术[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],发现在常温及高温金属干滑动磨损条件下,Mo2Ni3Si/NiSi,Ti5Si3/Ni3Ti2Si等金属硅化物高温耐磨耐蚀涂层具有“反常载荷特性”(材料磨损失重不随试验载荷的增加而增加)、“反常温度特性”(材料磨损失重随温度的增加反而降低)、“与金属摩擦完全不发生粘着”(如图2a、图2b所示)等独特的“不粘”特性.3不同凝固冷却速度对tic晶体结构的影响“小平面相”(facetedphase)液-固界面结构、生长形态选择规律及生长机制研究是凝固理论研究的基本问题及难点问题之一.本文以激光表面合金化、激光表面熔化及激光熔覆等表面熔化/凝固技术为手段,选择Jackson因子为5~8的TiC型MC碳化物的典型小平面相(facetedphase)作为研究对象,研究TiC增强金属及金属间化合物基高温耐磨复合材料涂层不同凝固冷却速度条件下TiC小面相的凝固生长形态、液-固界面结构及凝固生长机制.结果表明,在冷却速度为102~105?K/s的非平衡凝固条件下,小平面相TiC的生长形态丰富多变,从亚快速凝固条件下的“三维小面分叉网络树枝状”、到快速凝固条件下的“小平面花瓣状”、“径向辐射小面分枝团族树枝晶”等生长新形态(如图3所示),但深入观察发现,无论凝固冷却速度及凝固形态如何变化,其生长界面或表面始终具有典型的小平面特征,说明对于Jackson因子很高的典型小面晶体(如TiC晶体),在1.0×102~1.4×105?K/s较宽的凝固冷却速度范围内,尽管其液/固界面上生长台阶密度随着凝固冷却速度的增加而显著增加,但液/固界面在原子尺度上光滑及液/固界面上生长台阶侧壁晶面间严格的晶体学关系并未随凝固冷却速度变化而改变,也就是说,其原子尺度上的光滑液固界面结构及其台阶侧向生长机制的基本特征并未随凝固冷却速度及凝固条件的变化而变化,说明经典凝固理论有关小面晶体“随过冷度增加,液/固界面结构由光滑向粗糙转变、生长机制由侧向生长向连续生长转变”的著名推论对原子间结合力很强、熔化熵很高的难熔碳化物小面晶体并不具有普遍性.4u2004激光熔覆技术特点高性能金属近净成形复杂零部件激光快速成形技术,是近年来在材料科学与工程、先进制造技术与工程学科交叉领域迅速发展和受到广泛关注的高性能新材料制备与近净成形复杂零件成形新技术,它是快速凝固技术、新材料制备技术与先进制造技术紧密结合的典范之一.该技术以快速凝固激光材料制备加工(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)技术为核心,利用快速原型制造(rapidprototypemanufacturing)技术在无需任何模具和工装条件下快速成型任意形状零件的基本原理,在金属零件CAD实体模型离散切片数据计算机数控系统驱动下,以快速凝固激光熔覆材料制备技术为手段,通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积,直接制备并成形出组织细小致密、成分均匀、性能优异的高性能金属材料及其近净成形零件,是一种材料技术与制造技术有机融为一体的“新材料设计、新材料制备与近净成形高性能复杂零件快速成形一体化”新技术.采用该技术制造金属零件,只需同一套通用的激光快速成形装备,即可完成各种高性能金属材料的制备与各种复杂金属零部件的快速成形,具有高度的柔性、适应性及快速响应性、应用面宽广;与传统的先进材料制备与零件成形技术相比,存在无需零件毛坯材料制备、无需零件专用成型模具及锻铸等成形设备、切削加工量小、制造周期短、成本低、材料利用率高等突出优点.自1999年以来,本实验室一直从事钛合金、高温合金及金属间化合物等高性能金属结构材料复杂零部件激光快速成形技术的研究,研究成功了国内首套钛合金等高活性金属零件动态密封、惰性气氛保护激光快速成形成套工艺装备,突破了钛合金复杂结构件激光快速成形的关键技术,成为国内首家、国际上少数几家全面掌握钛合金零件激光快速成形技术的研究单位之一,已完成工业纯钛,TC4,BT20,BT22等钛合金复杂形状试件及零件的激光快速成形,掌握了钛合金复杂零件激光快速成形关键工艺与成形规律、变形及组织控制技术.快速凝固激光成形钛合金完全致密、组织均匀、力学性能达到甚至超过锻造钛合金水平(部分力学性能试验结果见表1).采用该技术已批量试制出钛合金机身结构件(如图4a所示),同时还试制出了发动机钛合金叶片模型样件(如图4b)、具有快速凝固径向定向微细柱状晶组织的镍基高温合金盘形零件试验样件(如图5所示).掌握了多性能梯度材料零件激光快速成形关键技术,激光成形制造出了Ti/TA15,TA15/TiAl,TC4/TA15/BT22等多种梯度材料钛合金及TiAl金属间化合物零件样件.5激光约束熔铸成型新工艺及工艺概况W,Mo,Nb,Ta等难熔金属合金及MoSi2,Nb5Si3,W5Si3,Ta5Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型.为此,本文利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔铸成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”(LASMELTProcess)并成功应用于W基合金及W/W5Si3,W/W2Ni3Si,Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型(图6),该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径.6激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液-固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现钛合金的定向凝固.本实验室最近发明