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科研前瞻 | 浅析激光熔覆工艺 2022-03-31

工艺简介

1. 技术

1.1 分类:熔覆技术根据热源的不同,可以分为技术、等离子熔覆技术、感应熔覆技术及复合熔覆技术等。

1.2 定义:激光熔覆技术兴于20世纪70年代,是通过不同的添料方式,并利用高功率密度激光束对材料表面进行非接触加热熔融,然后通过熔覆层材料的快速冷却,以及形成具有不同性质微观组织结构的熔覆层来实现表面改性,激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程。

1.3 优点:激光熔覆技术优势(如下图)


 

 

1.4 应用:基于激光束的特点(高能量密度(104~106 w/cm2),激光熔覆技术可实现对多种金属、非金属的熔覆,特别是可以实现高硬度、高脆性及高熔点材料的快速结合(冷却速度通常达到 102~106 ℃/s),粉末选择范围广,且可精准熔覆;同时易于形成冶金结合,结合强度较高,自动化程度高等优点,被广泛应用于汽车制造、石油化工、 航天航海、机械制造与修复等领域;

 

常用工艺对比

常用工艺对比图1

 

常用工艺对比图2

 

 

激光熔覆系统示意图

激光熔覆系统示意图

 

激光熔覆设备主要包括: 激光器、熔覆喷头、加工平台和送料装置。

而激光熔覆喷头是激光熔覆系统的关键核心部件,可实现激光束传输、变换、聚焦和熔覆材料的同步输送,在基材表面实现激光束、熔覆材料、熔池之间的精确耦合并连续形成熔覆层。其中激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光粉的耦合方式是熔覆喷头的关键技术。

 

激光熔覆的分类

1. 按工作介质分为 4 类(如下表 );

激光器的类型及特点图

 

2. 按工作方式分为连续型和脉冲型;

3. 按熔覆材料的供给方式分为两类, 即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆;sls和slm工艺方式同样属于预置粉末型;预置式的手工涂覆效率较低;同步式的熔覆工艺过程简单,熔覆速度快,效率高,自动化程度高,适合大规模工业生产。但该方法对粉末的颗粒粒度和流动性等方面要求较高。

4. 目前广泛应用的激光器主要是横流co2激光器和yag激光器。yag激光器的输出波长为1.06μm,较co2激光波长小一个数量级,吸收率相对高;但因co2激光器转换功率高,器件结构简单、造价低廉,目前仍为激光熔覆主要采用的激光器。

5. 光纤激光器也逐渐应用到激光熔覆中(具有多种优势,如光纤的可挠性带来的小型化、集约化;多维空间的加工;光电效率达30%以上,有效降低成本;可调谐性好等);这种激光器是以掺入某些激活离子的光纤作为工作介质,或利用光纤自身的非线性光学效应制成。

6. 二极管激光器体积小、成本低、波长短(金属吸收率高)、功率大,是极有开发和应用前景的熔覆用激光器。

 

熔覆喷头系统

熔覆喷头系统图

 

激光光斑形状图

 

研究表明,采用矩形光斑或激光-感应复合熔覆技术等均有利于提高熔覆效率。如在宽带光束模式下,不仅可以增加熔覆带宽度,还能够降低裂纹敏感度。同时,利用熔池边缘温度梯度形成的表面张力起到搅拌熔体合金使其均匀分布的作用。

 

熔覆层的稀释率

激光熔覆截面示意图

 

公示图

 

不同工艺参数熔覆层截面形貌图

 

稀释率是影响熔覆层质量的重要因素,稀释率过低,熔覆层与基材的结合性能较差,甚至无法实现冶金结合;稀释率过高,基材元素过度稀释熔覆层,极易导致熔覆层产生裂纹、气孔等缺陷。研究表明,稀释率取值范围在 10% ~15% 之间熔覆层性能最好。以稀释率范围为约束条件,采用最佳显微硬度值选取最优熔覆工艺参数。

 

熔覆层的热应力

熔覆层裂纹的产生是由工艺原因、组织因素、 残余应力及显微偏析等综合作用的结果,但其中又以熔覆过程中各种应力综合作用的影响最大。总体上,涂层内部的应力可分为三类:

· 

l 由熔池快速凝固引起的骤冷应力。

l 熔覆结束后,涂层和基体共同冷却到室温导致的热应力,其是由涂层和基体的热膨胀系数失配造成的残余应力。

l 温度变化过程中组织变化等带来的相变应力。

热应力在激光熔覆层中的表现形式为拉应力,该拉应力的大小可以由以下公式计算:

公式图2

 

式 中:σth 代表热应力,mpa;e 为弹性模量,mpa;ν 代表泊松比;δα 为基材材料与熔覆层材料的热膨胀系数之差;δt 熔覆层温度与环境温度之差,℃;σ1, σ2 分别为熔覆层与基体的抗拉强 度,mpa;e' 代表基体材料的弹性模量,mpa。

由表达式(2)可知,热应力值与温差、泊松比、弹性模量以及膨胀系数之差有关。随着 δα 减小,热应力也随之减小。

同时由式(3)可知,δα 应控制一个合理区间内。因此,尽可能地选取与基体热物理特性参数接近的熔覆材料,可以有效地降低热应力,从而降低熔覆层发生开裂的敏感性。

 

熔覆层的质量评价指标

8.1 评价熔覆层质量的好坏,主要从两个方面来考虑:

一是从宏观上,考察熔覆道形状、表面平整度、 裂纹、气孔及稀释率等;

二是从微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所需要的性能。

熔覆层的质量评价指标图

 

8.2 激光熔覆技术面临的主要问题是:

1)传统的激光熔覆层质量不太稳定性。在激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,再加上熔覆层和基体材料在温度梯度和热膨胀系数等性能上的差异,从而使熔覆层中容易产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度等,导致激光熔覆技术在国内还未实现完全产业化;

2)激光熔覆过程的在线检测和自动化控制还不太成熟;

3)熔覆层脆性高,裂纹倾向大。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;

4)大面积熔覆等亟待解决的问题限制了它的应用发展;及设备昂贵等问题。

 

激光熔覆工艺的性能优点

磨损形貌对比图

 

显微硬度分布曲线图

 

激光熔覆工艺的性能优点

 

变化曲线图

 

 

激光熔覆工艺的参数优化

在实际工艺中常用比能量 e(=p / dvh)、来评价熔覆层质量;

公式图3

 

 

其中:

e为激光能量密度,j/mm3;

p为激光功率,w;

v为激光扫描速度,mm/s ;

d为光斑直径,mm;

h为铺粉厚度,mm。

 

slm打印工艺参数选用ge m2机型使用的钛合金打印参数,即р激光功率为370w,v扫描速度为1700mm/s,d光斑直径为130μm,h铺粉层厚为60μm。该参数的激光能量密度由公式1推导出,为27.9j/mm3。

slm打印工艺参数图

 

激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光粉的耦合方式是熔覆喷头;

比能量过大会造成合金粉末过烧,熔覆深度大,稀释率大,严重降低熔覆层的耐磨、耐蚀性能,熔覆材料过烧、蒸发,表面呈散裂状,涂层不平度增加;

比能量过小会使熔化不完全,稀释率太小,润湿性差,熔覆层和基体结合不牢,容易剥落,熔覆层表面出现气孔等外观缺陷;表面不平整;

光斑直径过小,热能量过于集中,晶粒细化效果不佳,会导致熔覆层硬度不够,也不利于大面积的涂层;增大光斑直径,激光熔池增大,熔池表面张力减小,熔覆层表面质量提高;若光斑直径过大,则输入热能过低,不能彻底熔融,结合质量下降,导致裂纹开裂倾向增大;

搭接率过小会使各熔覆道之间出现凹陷。随着搭接率提高,激光熔覆表面粗糙度会降低,熔覆层表面会变得平整。但过大的搭接率会导致气孔、裂纹的产生;

 

熔覆材料的设计原则

设计和选择熔覆材料时要遵 循热膨胀系数相近原则、熔点相近原则和润湿性原则;

1)热膨胀系数若相差太大,在热应力的作用下,熔覆层可能产生一系列的缺陷,如裂纹、剥落等;

2)二者的熔点也应相近,相差太多,得不到较好的冶金结合效果,熔点过高或过低都会使熔覆表面熔合比变大。熔覆材料熔点过高会导致材料与基体在熔覆的过程中熔化量较少,熔覆层的表面粗糙度较高; 熔点过低则会导致熔覆材料的熔化量过多、金属流动性较强、易产生气孔和夹杂;

3)熔覆材料与基体之间具有良好的润湿性能够有利于熔覆层的铺展和生长, 使二者结合更加牢固(润湿角小,界面结合良好);

4)不同材料对激光的吸收性能和结合强度不同,直接影响激光熔覆层和熔覆层与基体界面处的质量。

单道熔覆层尺寸示意图

 

激光熔覆涂层材料体系

激光熔覆涂层材料体系图

 

不同元素作用图

 

性能图1

 

性能图2

 

自熔性熔覆粉末应用与研究比较广泛( fe 基、ni 基和 co 基为主,具有良好的力学性能,且对基体有很好的适用性,具有较好的工艺成形性),粉末中中加入合金化元素( si、b 等)可以降低合金的熔点,改善其湿润性和流动性,并具有自我脱氧和造渣功能及自熔作用, 而且熔渣上浮的同时,还可将部分气体杂质等带出;它们优先与合金粉末中的氧以及工件表面氧化物一起熔融生成低熔点共晶体的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面,防止液体金属过度氧化,但是,b、si 元素过多时则易与 ni、cr、fe 等元素形成在奥氏体晶界富集的硬脆低熔点共晶组织,延展性降低,裂纹敏感性提高。

熔覆层质量的优化方向

影响熔覆层质量的因素:(熔覆层组织性能、显微硬度、 缺陷影响)

1)激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度是最主要的参数,通常用比能量进行优化设计(大量研究表明:随着扫描速度提高,裂纹率增加。激光功率提高,开裂倾向降低。送粉速率增加,开裂倾向也随之加大。随熔覆层数的增加,裂纹数增多,开裂倾向增大)-(熔覆过程控制的自动化--红外线测温仪对熔池温度进行实时动态监测反馈补偿激光功率速度调节机制、凸字形激光光斑);

2)激光作用在基材表面的吸收率;工件的预热和缓冷处理(影响了熔覆层温度梯度的分布,进而改变熔覆层的应力状况),材料的热物理特性等差异(裂纹尤其容易发生在熔覆层和基体交接界面处,基体材料和熔覆层材料热物理特性不相匹配所导致);

3)采取对称熔覆工艺可以解决产品变形的问题;以及对熔覆顺序(横向和竖向熔覆)的变现差异;

4)合理设计熔覆层(激光熔覆修复用合金粉末的最佳配比);以及梯度功能涂层,例如:在铜合金上依次激光熔覆了ni基合金和co基合金,形成了cu-ni-co梯度涂层,以镍基合金作为过渡层解决了cu和co之间性质差异大的问题,提高了铜合金表面的耐磨性,过渡层的添加有效抑制了涂层的开裂;

5)复合激光熔覆工艺:如激光熔覆辅加电磁搅拌、超声波、机械振动、交变磁场等(使熔覆层组织的晶粒均匀细化,并能够消除熔覆层内的气孔和微裂纹,提高熔覆层质量)

6)熔覆过程时间较短,若合金粉末的脱氧造渣不能被及时排除,就容易在熔覆层形成孔洞、夹渣等缺陷,造成孔洞、夹渣裂纹。气孔的形成机制:普遍认为气孔是由于残余的保护气体或在激光熔覆过程中形成的气体没有足够的时间从熔池中逸出而形成的。对于气孔的控制,可以通过优化工艺参数、减少气体来源( 如烘干熔覆合金粉末) 、预热缓冷、略微延长熔池时间来实现。

 

复合激光熔覆技术

高温工况,电磁辅助设备对高温应具有一定的耐性,因此普遍采用的电磁设备都需要与高温区保持一段的距离,而电磁力作用于熔池的效果对距离有较大的敏感性,所以电磁设备在高温环境下的作用方式仍需改进。

感应加热的温度有限,同时制约了感应熔覆技术的发展,同时感应线圈会产生磁场,而磁场对熔池的流动也有影响。

示意图1

示意图2

 

 

超声振动激光熔覆技术

1)利用超声振动对合金熔体的空化效应、声流效应、谐振效应以及热效应,增加熔液的流动性,可以促进熔体中气泡的逸出,加速溶质元素的扩散,打碎粗大的晶粒,实现晶粒的细化。液态金属在加入超声振动后,熔覆层的成形质量得到显著提升,晶粒明显细化,平均显微硬度以及表面粗糙度等性能都得到了提高。

2)ulc 技术的推广应用, 当前仍存在以下问题亟须解决:

l 超声振动在激光熔覆熔池中的多种效应的耦合机理有待明确;

l ulc 过程的精确数值模拟技术;

l 超声振动模块的集成化设计与高效耦合;

l 基于ulc技术的工艺设计与优化

ulc技术原理

ulc技术中的超声施加形式

 

扫描分布曲线图

 

 

超声振动激光熔覆技术

影响图1

 

影响图2

 

影响图3

 

影响图4

 

 

超高速激光熔覆技术

超高速激光熔覆技术(extreme high speed cladding)利用同轴送粉的方式,通过调整粉末焦平面与激光焦平面的相对位置,使熔覆粉末在基体上方与激光束交汇发生熔化,使大部分的激光能量直接作用在粉末上,熔覆粉末在到达熔池前就处于熔化或半熔化状态,从而减少粉末在熔池中存在的时间,降低了对基体的热输入,极大地提高了熔覆效率和粉末利用率。在送粉时为了满足熔覆效率和熔覆质量的要求,其粉末应具有优异的流动性,且要使粉末在基体上方完全熔化,粉末粒径不宜过大。它与传统激光熔覆本质的区别是改变了粉末的熔化位置,它解决了制约传统熔覆技术大规模推广的最大瓶颈—效率,从而也带来了成本的大幅度降低。

 

1)热输入明显减少(降幅达70% ),超低的热输入和较高的熔覆速度有助于提高冷却速度,因此导致枝晶细化;熔覆层晶粒更加细小且分布均匀,涂层的显微组织更为致密;

2)熔覆沉积速率快(提升100~250倍),可用于大面积零件的涂覆;

3)表面光洁度高,且粉末利用率高,用传统激光熔覆制备的涂层的厚度通常大于 0.5 mm,而超高速激光熔覆制备的涂层厚度在25~250µm之间,且表面粗糙度可降至原来的 1/10。

超声波激光熔覆图

 

超声波成品图

 




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