激光熔覆技术及其应用(上).pdf

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1、激光熔覆技术及其应用(上)原中国航空精密机械研究所(北京100076)荣烈润一激光熔覆过程易实现自动化，且熔覆层质量稳定。、概述3．激光熔覆技术的理论基础1．激光熔覆技术的基本原理在激光熔覆技术中，除基体与粉末，工艺参数激光熔覆(也称激光色覆)是材料表面改性也对涂覆层的质量影响显著，如保护气体种类及流技术，其原理是先在基材表面熔覆一层具有特量(影响熔覆层的形貌、深度及界面稀释率)、粉殊物理、化学或力学性能的材料，利用高功率末的流量及送粉的位置，激光器的功率、粉末喷嘴密度激光束(104—106W／

2、cm)辐照金属表面，的直径大小、激光扫描速度，以及离焦量、预热温通过迅速熔化、扩展及迅速凝固(冷却速度可达度等。为此，有必要从激光与金属的相互作用和过10～106K／s)，从而在材料表面构成一种新的复程中的物理化学现象两方面进行讨论。合材料，以弥补基体材料所缺少的高性能，这种(1)金属对激光的吸收及影响因素金属熔覆复合材料可充分发挥两者的优势，弥补相互间的是基于光热效应的热加工，关键是激光能够被加工不足。材料所吸收并转化的热量。金属对激光的吸收与激激光熔覆与合金化都是利用高功率密度的激光光、材料

3、的特性以及表面状态等诸多因素有关。①束所产生的快速熔凝过程，在基材表面形成与基材波长。随着激光波长的缩短，金属对激光的吸收增相互熔化的且具有完全不同成分与性能的合金覆加。多数金属对10．6m波长的CO：激光器吸收率约层。两者的差别仅在于：激光熔覆中覆层材料完全有10％，而对1．06m的YAG(掺钕钇锂石榴石)熔化，而基材熔化层极薄，因而对覆层的成分影响激光的吸收率为30％～40％。在激光加工时，激光极小；而激光合金化则是基材的表面熔融层内加入波长应小于被辐照金属的临界波长。②激光功率密合金元素，

4、从而形成以基材为基础的新的合金层。度。即单位光斑面积内的功率大小。不同功率密度2．激光熔覆技术的特点的激光作用在材料表面会引起材料的不同变化，从激光熔覆可根据工件的工况要求，熔覆各种设而影响材料对激光的吸收率。在激光熔覆过程中，计成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、激光功率密度是一个很重要的参数，用较大功率的抗氧化、抗疲劳，或具有光、电、磁特性的表面覆激光器来进行熔覆最好，但受条件和成本限制，一层。与工业中常用的堆焊、热喷涂及等离子喷焊等般不易实现。经试验可知，熔化并不总是随着吸收相比，具

5、有以下优点：①熔覆热影响区小，工件变率的提高而提高，功率大幅提高有可能导致吸收率形小，熔覆成品率高。②熔覆层晶粒细小，结构紧的降低。如果激光功率密度达到10。W／cm量级时，密，其硬度相对较高，耐磨、耐蚀性等较好。③由材料表面将在激光束的照射下强烈气化并形成小于激光作用时间短(纳秒级)，基体的熔化量较孔；而当超过10W／cm量级时，将会出现等离子体小，对熔覆层的稀释率相对低(5％～8％)，故可对激光的吸收产生屏蔽现象。为此，激光功率的选在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分及性择对激光熔覆也有

6、影响。此外，功率密度的选择还能，从而节省昂贵的覆层材料。④高的冷却速度应考虑涂层的塌陷问题。③激光的热有效利用率。(可达10。K／s)使凝固组织细化，甚至产生新性能试验和理论计算都表明激光热熔覆处理过程中激光的组织结构，如亚稳态、非晶态、超弥散态等。⑤的有效利用率很低。④材料的性质。材料导电性的争磊⋯_39优劣决定了金属对激光吸收率的高低。⑤材料的表熔覆层质量的最为关键的因素。面状态。金属表面的吸收率随着其表面粗糙度值、总之，在实际工艺中必须统筹设计，选择合适各种缺陷及杂质的增加而增加。可以增加

7、一倍。为的熔覆材料与基体材料体系、送粉方式和工艺参数了提高其吸收率，可在表面涂覆粉末中添加一些利匹配，才能达到稀释率的控制，进而达到成分、组于激光吸收的物质，如石墨等。常采用惰性气体保织和性能的设计要求。护被辐照的材料表面来减少最佳涂层厚度，并提高二、激光熔覆材料激光加工功率。此外，入射角的偏振以及表面氧化等都对激光吸收率产生影响。1．激光熔覆材料设计的一般原则(2)金属工艺参数与稀释率的关系所谓“稀在设计涂层材料时，不能只强调涂层材料的使释率”指在激光熔覆过程中，由于熔化基材的混入用性能，还需

8、考虑涂层材料是否具有良好的涂覆工而引起了熔覆合金成分的变化程度，通常用基材合艺性，尤其是与基材在一些热物理性能上是否具有金在熔覆层所占的百分数来表示。稀释率是激光熔良好的匹配关系。覆工艺控制的重要参数。稀释率过大、过小都会造(1)熔覆材料与基材热膨胀系数的匹配目成熔覆层的不良结果。过大，既损害熔覆层固有的前，多数研究是按照激光熔覆层与基材热膨胀系数性能，又会加大熔覆层开裂、变形的倾向；过小，的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计。这是则不能在熔覆层与基体界面形成良好的冶金结合，因为熔覆合金与基材