激光技術(shù)是與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的20世紀(jì)四大科技發(fā)明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相干性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),因此特別適用于材料加工。激光加工技術(shù)就是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù),是集光學(xué)、機(jī)械學(xué)、冶金學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等為一體的高技術(shù),發(fā)展非常迅速,其應(yīng)用范圍也日趨廣闊。
激光熔覆技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面,是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù),涉及物理、冶金、材料科學(xué)等領(lǐng)域。其研究歷史可追溯到20世紀(jì)70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利;進(jìn)入80年代,激光熔覆技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光等領(lǐng)域的前沿性課題,可以在低成本鋼板上制成高性能表面,代替大量的高級(jí)合金,以節(jié)約貴重、稀有的金屬材料,提高材料的綜合性能,降低能源消耗,適用于局部易磨損、剝蝕、氧化及腐蝕等零部件,受到了國內(nèi)外的普遍重視;到90年代后,相關(guān)科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)得到快速發(fā)展。
當(dāng)今國內(nèi)外對(duì)激光熔覆的研究大致從以下幾個(gè)角度出發(fā):一是激光熔覆的機(jī)理研究;二是激光熔覆工藝及其組織性能的研究;三是激光熔覆的應(yīng)用研究?,F(xiàn)對(duì)激光熔覆的各方面研究發(fā)展?fàn)顩r作以介紹,并指出其存在的主要問題及其今后的發(fā)展方向。
1.激光熔覆的機(jī)理研究
激光熔覆是一個(gè)動(dòng)態(tài)熔化過程,熔池尺寸小,不僅存在著傳熱現(xiàn)象,而且也存在著對(duì)流、質(zhì)量傳遞等,它們直接影響熔池的宏觀形貌、偏析、組織和成分的均勻性及其他物理冶金性能,因此研究激光熔覆加熱理論,搞清激光熔覆過程中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流及質(zhì)量傳遞等問題,對(duì)于弄清激光熔覆理論具有重要意義。
2.激光熔覆工藝及其組織性能的研究
激光熔覆工藝方法有兩種類型:
(1)一步法(同步法)
該方法為在激光束輻照工件的同時(shí)向激光作用區(qū)送熔覆材料的工藝,它又有兩種方法。
①同步送粉法:使用專用噴射送粉裝置將單種或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光掃描速度即可調(diào)整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對(duì)激光的吸收率大,熱效率高,可獲得比其他方法更厚的熔覆層,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。
②同步送絲法:此法工藝原理雖與同步送粉法相同,但熔覆材料是預(yù)先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費(fèi)材料,更易保證熔覆層的成分均勻性,尤其是當(dāng)熔覆層是復(fù)合材料時(shí),不會(huì)因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質(zhì)量,且通過對(duì)絲材進(jìn)行預(yù)熱的精細(xì)處理可提高熔覆速率;但是絲材表面光滑,對(duì)激光的反射較強(qiáng),激光利用率相時(shí)較低。此外,線材制造過程較復(fù)雜,且品種規(guī)格少。
(2)二步法(預(yù)置法)
該法是在激光熔覆處理前,先將熔覆材料置于工作表面,然后采用激光將其熔化,冷凝后形成熔覆層。預(yù)置熔覆材料的方式包括:
①預(yù)置涂覆層:通常是應(yīng)用手工涂敷,最為經(jīng)濟(jì)、方便,它是用粘結(jié)劑將熔覆用粉末調(diào)成糊狀置于工件表面,干燥后再進(jìn)行激光熔覆處理。此法生產(chǎn)效率低,熔覆厚度不一致,不宜用于大批量生產(chǎn)。
②預(yù)置片:將熔覆材料的粉末加入少量粘結(jié)劑模壓成片,置于工件需熔覆部位,再進(jìn)行激光處理。此法粉末利用率高,且質(zhì)量穩(wěn)定,適宜于一些深孔零件,如小口徑閥體,采用此法處理能獲得高質(zhì)量涂層。
3.激光熔覆的應(yīng)用研究
激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù),它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì),降低成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料。因此,世界上各工業(yè)先進(jìn)國家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。
應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器(主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器,老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低、維護(hù)繁瑣等問題已逐漸淡出市場)。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆,國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷。固體激光器,特別是碟片激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個(gè)數(shù)量級(jí),因而更適合此類金屬的激光熔覆。
激光熔覆具有以下特點(diǎn):
(1)冷卻速度快(高達(dá)106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等;
(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合,通過對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;
(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí),變形可降低到零件的裝配公差內(nèi);
(4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;
(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm;
(6)能進(jìn)行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價(jià)格比;
(7)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;
(8)工藝過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
目前,激光熔覆在應(yīng)用過程中也存在一些問題。評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個(gè)方面來考慮:一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應(yīng)測定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結(jié)合,必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測。
激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問題是:
(1)激光熔覆技術(shù)在國內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達(dá)1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。
(2)光熔敷過程的檢測和實(shí)施自動(dòng)化控制。
(3)激光熔覆層的開裂敏感性,該問題仍然是困擾國內(nèi)外研究者的一個(gè)難題,也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的障礙,雖然已經(jīng)對(duì)裂紋的形成擴(kuò)展進(jìn)行了研究,但控制方法方面還不成熟。
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