激光熔覆-視頻

       激光熔覆(Laser Cladding)亦稱激光熔敷或激光包覆,是一種新的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法,在基層表面形成冶金結合的添料熔覆層。


基本信息


激光熔覆是指:通過同步或預置材料的方式,將外部材料添加至基體經激光輻照后形成的熔池中,并使二者共同快速凝固形成包覆層的工藝方法。

激光熔覆特點:熔覆層稀釋度低但結合力強,與基體呈冶金結合,可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性,從而達到表面改性或修復的目的,滿足材料表面特定性能要求的同時可節約大量的材料成本。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比,激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點,因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。
從當前激光熔覆的應用情況來看,其主要應用于三個方面:一,對材料的表面改性,如燃汽輪機葉片,軋輥,齒輪等;二,對產品的表面修復,如轉子,模具等。有關資料表明,修復后的部件強度可達到原強度的90%以上,其修復費用不到重置價格的1/5,更重要的是縮短了維修時間,解決了大型企業重大成套設備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。另外,對關鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金,可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命;對模具表面進行激光熔覆處理,不僅提高模具強度,還可以降低2/3的制造成本,縮短4/5的制造周期。三,激光增材制造。通過同步送粉或送絲的方式,進行逐層的激光熔覆,進而獲得具有三維結構的零部件。該技術又可稱為激光熔化沉積、激光金屬沉積、激光直接熔化沉積等 [1]  。

熔覆材料:應用廣泛的激光熔覆材料主要有:鎳基、鈷基、鐵基、鈦合金、銅合金、顆粒型金屬基復合材料,陶瓷材料等[2]  。

工藝設備原理 



熔覆工藝:激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類,即預置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

預置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位,然后采用激光束輻照掃描熔化,熔覆材料以粉或絲形式加入,其中以粉末的形式最為常用。
同步式激光熔覆則是將粉末或絲材類熔覆材料經過噴嘴在熔覆過程中同步送入熔池中。熔覆材料以粉或絲形式加入,其中以粉末的形式最為常用。
預置式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---預置熔覆材料---預熱---激光熔覆---后熱處理。
同步式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---預熱---同步激光熔覆---后熱處理。
按工藝流程,與激光熔覆相關的工藝主要是基材表面預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和后熱處理。
激光器工作原理:
激光熔覆成套設備組成:激光器、冷卻機組、送粉機構、加工工作臺等。

激光器的選用:主流的激光器類型均支持激光熔覆工藝,例如CO2激光器,固體激光器光纖激光器半導體激光器等。

工藝參數


激光熔覆的工藝參數主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預熱溫度等。這些參數對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數之間也相互影響,是一個非常復雜的過程,須采用合理的控制方法將這些參數控制在激光熔覆工藝允許的范圍內。 [3]

激光熔覆有3個重要的工

激光功率

激光功率越大,融化的熔覆金屬量越多,產生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加,熔覆層深度增加,周圍的液體金屬劇烈波動,動態凝固結晶,使氣孔數量逐漸減少甚至得以消除,裂紋也逐漸減少。當熔覆層深度達到極限深度后,隨著功率提高,基體表面溫度升高,變形和開裂現象加劇,激光功率過小,僅表面涂層融化,基體未熔,此時熔覆層表面出現局部起球、空洞等,達不到表面熔覆目的。 [3]

光斑直徑

激光束一般為圓形。熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑,光斑直徑增加,熔覆層變寬。光斑尺寸不同會引起熔覆層表面能量分布變化,所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說,在小尺寸光斑下,熔覆層質量較好,隨著光斑尺寸增大,熔覆層質量下降。但光斑直徑過小,不利于獲得大面積的熔覆層。 [3]
熔覆速度
熔覆速度V與激光功率P有相似的影響。熔覆速度過高,合金粉末不能完全融化,未起到優質熔覆的效果;熔覆速度太低,熔池存在時間過長,粉末過燒,合金元素損失,同時基體的熱輸入量大,會增加變形量。
激光熔覆參數不是獨立的影響熔覆層宏觀和微觀質量,而是相互影響的。為了說明激光功率P、光斑直徑D和熔覆速度V三者的綜合作用,提出了比能量Es的概念,即:
Es=P/(DV)
即單位面積的輻照能量,可將激光功率密度和熔覆速度等因素綜合在一起考慮。
比能量減小有利于降低稀釋率,同時與熔覆層厚度也有一定的關系。在激光功率一定的條件下,熔覆層稀釋率隨光斑直徑增大而減小,當熔覆速度和光斑直徑一定時,熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。另外,隨著熔覆速度的增加,基體的融化深度下降,基體材料對熔覆層的稀釋率下降。

在多道激光熔覆中,搭接率是影響熔覆層表面粗糙度的主要因素,搭接率提高,熔覆層表面粗糙度降低,但搭接部分的均勻性很難得到保證。熔覆道之間相互搭接區域的深度與熔覆道正中的深度有所不同,從而影響了整個熔覆層的均勻性。而且多道搭接熔覆的殘余拉應力會疊加,使局部總應力值增大,增大了熔覆層裂紋的敏感性。預熱和回火能降低熔覆層的裂紋傾向。 [3] 




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