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激光熔覆技术介绍
关键词:激光熔覆
2020-02-25

是一种表面改性技术,又称激光熔敷或激光包覆。通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

具体来说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。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比,激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点,而且可控性好,可实现三维自动加工,加工质量高。因此,激光熔覆技术应用前景十分广阔,而且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。


激光熔覆

激光熔覆技术原理和流程

1、激光熔覆工艺

按熔覆材料的供给方式激光熔覆工艺大概可分为两大类,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。

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。


2、激光熔覆设备--激光器

应用于激光熔覆的激光器主要有co2激光器和固体激光器(主要包括碟片激光器,光纤激光器和二极管激光器,老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低,维护繁琐等问题已逐渐淡出市场)。对于连续co2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究.高功率固体激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用co2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在co2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷。固体激光器,特别是碟片激光器输出波长为1.06μm,较co2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。

激光器工作原理:

激光熔覆成套设备组成:激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。

激光器的选用:应用广泛的有co2激光器,固体激光器。


激光熔覆应用

1、激光熔覆应用领域

进入20世纪80年代以来,激光熔覆技术得到了迅速的发展,已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。

激光熔覆的应用主要在两个方面,即耐腐蚀(包括耐高温腐蚀)和耐磨损,应用的范围很广泛,例如内燃机的阀门和阀座的密封面,水、气或蒸汽分离器的激光熔覆等。

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。


2、激光熔覆发展前景

激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:

(1)熔覆材料的设计与开发。

(2)激光熔覆的基础理论研究。

(3)理论模型的建立。

(4)激光熔覆设备的改进与研制。

(5)激光熔覆的快速成型技术。

(6)熔覆过程控制的自动化。


3、激光熔覆技术存在的问题

激光熔覆层质量的优劣评价,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。

研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。

激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:

①光熔敷过程的检测和实施自动化控制。

激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s.由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度.

③激光熔覆层的开裂敏感性,仍然是困扰国内外研究者的一个难题,也是工程应用及产业化的障碍,虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究,但控制方法方面还不成熟。




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