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激光熔覆再制造技术工艺研究现状

激光熔覆再制造技术工艺研究现状

作者:
天弘激光
来源:
天弘激光
发布时间:
2020/07/16
【摘要】:
(1)工艺参数的影响研究
 
熔覆工艺过程直接决定再制造成形质量,是激光熔覆技术应用于规模产业化的核心要素,结合激光熔覆再制造在矿山液压支架立柱上的应用经验总结发现,再制造成品质量控制一般涉及熔覆表面宏观质量(无裂纹、砂眼等缺陷)、成形厚度、表面硬度分布等,而影响激光熔覆成形质量的几个关键参数即为激光功率、焦距、扫描线速度、搭接率、送粉率,其中搭接率与步距设置有关,送粉速率与熔覆厚度直接相关,熔覆有效热量输入则是这些参数综合作用的结果。
 
自激光熔覆获得产业化应用以来,研究者围绕各项参数对性能的影响及作用机理做了大量研究,可以较为全面的覆盖激光熔覆技术应用中的关键影响因素及影响机理。江吉彬等通过分析激光熔覆技术的国内外研究现状,指出熔覆参数类型有工艺参数、过程参数、质量参数,按照该分类方法,激光熔覆再制造参数从激光光源、机床、待熔覆零部件基体、粉末、送粉系统几方面可细分为:①激光功率、焦距(光源)、光斑规格。②机床精度、转速、熔覆步进控制(机床)。③零部件形状、尺寸及材料特性(零部件基体)。④粉末成分、功能、物理性能(粒度分布、流动性、松装密度、氧含量)。⑤送粉速率。⑥保护气流大小。这些参数的协调性作用,首先直接关乎熔覆产品的质量,最为直观的是气孔、砂眼、裂纹等肉眼可见的熔覆层宏观表征(见图2),其次是熔覆尺寸以及机械加工完成后可测的表面硬度、粗糙度、耐腐蚀性,再次是取样检测的熔覆层稀释率、结合情况、内部组织结构及缺陷情况、剖面硬度、热影响区大小等。
 
 
许明三等以材料种类、熔覆功率、熔覆扫描速度为影响因素进行正交试验,研究对结合强度的影响,发现合金粉末种类对结合强度的影响最大,另外是扫描速度,最小是激光输出功率。45钢基体表面激光熔覆层与基体的结合强度大于基体的抗应力强度,镍基的熔覆层的抗剪强度为母材的2~3倍,铁基熔覆层达到母材5倍以上。杜学芸等使用能量密度不同大功率激光器进行熔覆试验并通过中性盐雾试验考察耐腐蚀性能,经分析发现:能量密度越高,熔覆层显微组织差异越大,且耐蚀性能越差;不同功率密度下,熔覆层中的 Cr 平均含量无明显差异,但随着激光熔覆能量密度增大,Cr分布越发不均匀,熔覆层平均硬度越高,耐蚀性能越差。
 
(2)数值仿真技术的应用
 
先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析,将数值仿真和人工智能技术相结合,可以通过科学的模拟替代大量的基础验证过程,不仅省时省力,还能解决一些实际操作难于成行的试验内容。不容质疑,激光熔覆工艺参数之间的协同作用过程极其复杂,具备复杂物理变化、化学变化、动态的热处理特点,熔池瞬态温度场、成形应力场都难以定量检测和分析,近年来,有很多研究者将计算机仿真应用于激光熔覆研究,大大简化了工艺验证过程,提升了创新技术的开发效率。如郭卫等利用ANSYS有限元分析软件数值模拟27SiMn表面不同功率下激光熔覆304的过程,分析了不同激光功率下的温度场,得到了距离熔覆层表面1mm处的某点温度-时间曲线,减少了试验量。
 
(3)多技术复合的研究
 
为了提升激光熔覆成形质量,熔覆前预热、后热处理以及多种加工技术耦合获得了较为广泛的研究与应用。激光熔覆后热处理可以有效地降低涂层的残余应力,同时改善涂层的力学性能。激光重熔采用激光为热源,使金属材料表面快速熔化,随后自行快冷从而在基体组织上获得重格层及淬火层双层硬化组织,再次熔化的液相有助于成分均匀化渗透和扩散。如李俊鹏研究了铝活塞合金激光重熔后重熔区结构分布,发现激光重熔很像是熔化焊、组织比较接近于连续铸造,枝晶骨架生长受限,晶粒尺寸减小到原来的1/10左右,从基体到顶端树枝晶逐渐变为等轴晶,指出形核率、温度梯度、凝固时间对晶粒的大小和晶粒生长的方向起到了决定性的作用。
 

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