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激光熔覆再制造技術工藝研究現狀

激光熔覆再制造技術工藝研究現狀

作者:
天弘激光
來源:
天弘激光
發布時間:
2020/07/16
【摘要】:
(1)工藝參數的影響研究
 
熔覆工藝過程直接決定再制造成形質量,是激光熔覆技術應用于規模產業化的核心要素,結合激光熔覆再制造在礦山液壓支架立柱上的應用經驗總結發現,再制造成品質量控制一般涉及熔覆表面宏觀質量(無裂紋、砂眼等缺陷)、成形厚度、表面硬度分布等,而影響激光熔覆成形質量的幾個關鍵參數即為激光功率、焦距、掃描線速度、搭接率、送粉率,其中搭接率與步距設置有關,送粉速率與熔覆厚度直接相關,熔覆有效熱量輸入則是這些參數綜合作用的結果。
 
自激光熔覆獲得產業化應用以來,研究者圍繞各項參數對性能的影響及作用機理做了大量研究,可以較為全面的覆蓋激光熔覆技術應用中的關鍵影響因素及影響機理。江吉彬等通過分析激光熔覆技術的國內外研究現狀,指出熔覆參數類型有工藝參數、過程參數、質量參數,按照該分類方法,激光熔覆再制造參數從激光光源、機床、待熔覆零部件基體、粉末、送粉系統幾方面可細分為:①激光功率、焦距(光源)、光斑規格。②機床精度、轉速、熔覆步進控制(機床)。③零部件形狀、尺寸及材料特性(零部件基體)。④粉末成分、功能、物理性能(粒度分布、流動性、松裝密度、氧含量)。⑤送粉速率。⑥保護氣流大小。這些參數的協調性作用,首先直接關乎熔覆產品的質量,最為直觀的是氣孔、砂眼、裂紋等肉眼可見的熔覆層宏觀表征(見圖2),其次是熔覆尺寸以及機械加工完成后可測的表面硬度、粗糙度、耐腐蝕性,再次是取樣檢測的熔覆層稀釋率、結合情況、內部組織結構及缺陷情況、剖面硬度、熱影響區大小等。
 
 
許明三等以材料種類、熔覆功率、熔覆掃描速度為影響因素進行正交試驗,研究對結合強度的影響,發現合金粉末種類對結合強度的影響最大,另外是掃描速度,最小是激光輸出功率。45鋼基體表面激光熔覆層與基體的結合強度大于基體的抗應力強度,鎳基的熔覆層的抗剪強度為母材的2~3倍,鐵基熔覆層達到母材5倍以上。杜學蕓等使用能量密度不同大功率激光器進行熔覆試驗并通過中性鹽霧試驗考察耐腐蝕性能,經分析發現:能量密度越高,熔覆層顯微組織差異越大,且耐蝕性能越差;不同功率密度下,熔覆層中的 Cr 平均含量無明顯差異,但隨著激光熔覆能量密度增大,Cr分布越發不均勻,熔覆層平均硬度越高,耐蝕性能越差。
 
(2)數值仿真技術的應用
 
先進制造技術的一個重要發展趨勢是工藝設計由經驗判斷走向定量分析,將數值仿真和人工智能技術相結合,可以通過科學的模擬替代大量的基礎驗證過程,不僅省時省力,還能解決一些實際操作難于成行的試驗內容。不容質疑,激光熔覆工藝參數之間的協同作用過程極其復雜,具備復雜物理變化、化學變化、動態的熱處理特點,熔池瞬態溫度場、成形應力場都難以定量檢測和分析,近年來,有很多研究者將計算機仿真應用于激光熔覆研究,大大簡化了工藝驗證過程,提升了創新技術的開發效率。如郭衛等利用ANSYS有限元分析軟件數值模擬27SiMn表面不同功率下激光熔覆304的過程,分析了不同激光功率下的溫度場,得到了距離熔覆層表面1mm處的某點溫度-時間曲線,減少了試驗量。
 
(3)多技術復合的研究
 
為了提升激光熔覆成形質量,熔覆前預熱、后熱處理以及多種加工技術耦合獲得了較為廣泛的研究與應用。激光熔覆后熱處理可以有效地降低涂層的殘余應力,同時改善涂層的力學性能。激光重熔采用激光為熱源,使金屬材料表面快速熔化,隨后自行快冷從而在基體組織上獲得重格層及淬火層雙層硬化組織,再次熔化的液相有助于成分均勻化滲透和擴散。如李俊鵬研究了鋁活塞合金激光重熔后重熔區結構分布,發現激光重熔很像是熔化焊、組織比較接近于連續鑄造,枝晶骨架生長受限,晶粒尺寸減小到原來的1/10左右,從基體到頂端樹枝晶逐漸變為等軸晶,指出形核率、溫度梯度、凝固時間對晶粒的大小和晶粒生長的方向起到了決定性的作用。
 

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