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激光熔覆_图文讲解.doc

激光熔覆_图文讲解

冯思秀
2019-02-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《激光熔覆_图文讲解doc》,可适用于职业教育领域

一、激光熔覆的原理激光溶覆是利用高能激光束辐照通过迅速熔化、扩展和凝固在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料构成一种新的复合材料以弥补基体所缺少的高性能。能充分发挥二者的优势克服彼此的不足。可以根据工件的工况要求熔覆各种(设计)成分的金属或非金属制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金亦可使非相变材料(AI、Cu、Ni等)和非金属材料的表面得到强化。在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等与上述表面强化技术相比激光熔覆具有下述优点:()熔覆层晶粒细小结构致密因而硬度一般较高耐磨、耐蚀等性能亦更为优异。()熔覆层稀释率低由于激光作用时间短基材的熔化量小对熔覆层的冲淡率低(一般仅为%)因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能节约昂贵的覆层材料。()激光熔覆热影响区小工件变形小熔覆成品率高。()激光熔覆过程易实现自动化生产覆层质量稳定如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景已成为当今材料领域研究和开发的热点。激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题尤其是大工件的熔覆层裂缝几乎难以避免为此研究者们除了改进设备探索合适工艺还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材料。二、激光熔覆工艺方法激光熔覆工艺方法有两种类型:、二步法(预置法)该法是在激光熔覆处理前先将熔覆材料置于工作表面然后采用激光将其熔化冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括:()预置涂覆层:通常是应用手工涂敷最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面干燥后再进行激光熔覆处理。但此法生产效率低熔覆厚度不一致不宜用于大批量生产。()预置片:将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片置于工件需熔覆部位再进行激光处理。此法粉末利用率高且质量稳定适宜于一些深孔零件如小口径阀体采用此法处理能获得高质量涂层。、一步法(同步法)这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺它又有两种方法。同步送粉法:使用专用喷射送粉装置(见图)将单种或混合粉末送入熔池控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大热效率高可获得比其他方法更厚的熔覆层容易实现自动化。国外实际生产中采用较多。同步送丝法:此法工艺原理虽与同步送粉法相同但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料更易保证熔覆层的成分均匀性尤其是当熔覆层是复合材料时不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。但是丝材表面光滑对激光的反射较强激光利用率相时较低此外线材制造过程较复杂且品种规格少。激光熔覆材料激光熔覆的合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等。激光熔覆铁基合金适用于要求局部耐磨且容易变形的零件。铁基合金涂层酌基材采用铸铁和低碳钢熔覆镍基合金适合于要求局部耐磨、耐热腐蚀零件所需的激光功率密度比熔覆铁基合金的略高钴基合金涂层适合于要求耐磨耐蚀和抗热疲劳的零件陶瓷涂层在高温下有较高的强度且热稳定性好、化学稳定性高适用于耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。此外还开发了铜基合金、银基合金、非晶态和准晶涂层。、镍基合金镍基合金的合金化原理是运用钼、钨、铬、铁、钴等元素进行奥氏体固熔强化运用Al、Ti、Nb、Ta等获得金属问化合物γ′相沉淀强化添加B、Zr、Co等元素实现现晶界强化。激光熔覆镍基合金粉末的合金元素选择也是基于以上几个方面来选择的但考虑到激光熔覆工艺的特点合金元素的添加量有所差别。此外研究表明添加稀土元素对镍基高温合金稳定性有利、对合金高温抗氧化性、耐硫腐蚀等也均有重要作用。添加一定量的碳化物可显著提高涂层耐磨性。激光熔覆钴基合金主要用于铜和铁基合金基体上关于钴基合金的成分设计品种较少所用元素主要有Cr、W、Fe、Ni和C此外添加B、Si以形成自熔合金。、熔覆层增强颗粒增强颗粒在激光熔覆中将发生分解、析出及长大这些对熔覆层的微观组织形态有很大影响从而影响最佳性能。熔覆层选用的增强颗粒其性质可分为三种类型:金属键类、共价键类和离子键类。熔覆所用基材广泛有碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、镍基高温合金等但对于一定工作环境下对某一基体而言存在最佳的合金涂层因此必须相互合理匹配。激光熔覆防开裂对策抑制激光熔覆的开裂对开拓激光熔覆技术的生产应用具有现实意义目前所采用的抑制熔覆开裂的方法主要有:()调整应力状态尽可能降低拉应力预热和熔覆后续处理:对熔覆的基体材料和熔覆粉末进行一定温度预热可降低激光处理中的热应力有利于抑制熔覆裂纹的产生。预热的实质是降低温度梯度所以如果在满足使用性能要求的前提下适当降低熔覆材料的熔点这对抑制熔覆层的开裂也无疑是有利的。激光熔覆后进行后续处理的目的是降低或消除其残余应力这可以避免熔覆层在使用过程中由于外界因素的诱导而产生裂纹。关于退火处理对消除激光熔覆层的残余拉应力不能一概而论只有对那些熔覆材料具有较低热膨胀系数的熔覆系统才有益因为只有当熔覆层有较低的热膨胀系数时退火后熔覆层中才产生较大的压应力压应力在许多的情况是有益的。与此相反当基材具有较低的热膨胀系数时退火后冷到室温时会在熔覆层中产生比原来更大的拉应力。()添加合金元素提高熔覆层抗开裂能力合金化增加韧性相:对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素在满足其使用性能的基础上增加其韧性相提高覆层的韧性对抑制热裂纹的产生是一种有效的方法。研究表明在NiCrBSi合金中分别加入(质量分数)的FeV、FeTi、FeSi合金熔覆层中韧性相(γ相)明显增加同时熔覆层开裂敏感性显著下降Ni基合金中加入Ni、Co能降低合金熔覆层开裂的敏感性这主要是使熔覆层γ中韧性相增加同时熔覆层组织由共晶组织向非共晶组织变化而树枝状非共晶组织可以降低熔覆层开裂敏感性。、优化工艺方法和参数尽可能减少熔覆层开裂针对具体熔覆材料体系和使用要求可采用不同的改进途径减少熔覆层开裂特别在激光熔覆较厚的陶瓷涂层时由于熔覆层材料与基体之间在性能上的大差异更易导致熔覆层孔洞或变形开裂。激光熔覆工业应用激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益应用范围涉及许多工业领域主要有以下几个方面:、航空航天工业航空航天工业是首先吸取激光熔覆的优点用于生产的部门。它不仅用于加工零部件亦用于修理方面。年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片在铸造的Ni基合金涡轮叶片上用kWCO激光配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得成功。据报导虽然激光熔覆的费用很高但比原来采用电弧焊技术的制造成本低。由于激光技术先进热影响区小产品质量好、成品率高而且可省略熔覆后磨削加工并大量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。在修理方面采用激光熔覆修复被磨损的H型涡轮机叶片因为技术要求修复层必须是冶金结合不允许任何机械连结方法。由于制造涡轮机叶片的Ni基合金对热裂纹极敏感一般的熔覆技术应用受到限制只有采用能量大、作用时间短的激光熔覆技术可以获得光滑平整的表面且生产效率高。、汽车制造工业在美国采用激光熔覆技术AlSl钢制的管道闸阀和钢制阀板熔覆Co基合金和WC。由于激光熔覆加热速度快冷却速度高工件变形小加工余量小并能获得高的沉积硬化效果、硬度高、耐磨性好无疏松等缺陷而且熔覆层与基材为冶金结合等深受用户欢迎此外还用于化工设备某些不锈钢部件熔覆 Ni台金(Ni、Cr)获得良好的耐高温、耐蚀性能以及用于油田抽油泵易磨损、腐蚀部件的表面强化。、热能动力工业用于汽轮机末级叶片抗汽蚀和高温腐蚀疲劳电站锅炉阀门密封面抗高温腐蚀介质冲蚀、磨损表面强化代替手工堆焊或等离子喷焊以提高生产效率降低材料耗量进一步提高使用性能。

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