激光熔敷法制備超細合金送粉器的試驗研究

激光熔敷法制備超細合金送粉器的試驗研究

激光填充日益完成，該技術的專用送粉設備是其中的關鍵技術之一。目前，適用于該技術的傳粉設備包括自送粉裝置、螺旋送粉器和刮板送粉裝置。國內(nèi)外也報道了其他類似的送粉裝置，但未對精細金屬粉末的輸送問題做出好的解決。例如，由于分散不均，很容易形成填充窗，送粉水流停滯，穩(wěn)定性差等。此外，他們無法運送超細粉末，也不能滿足零件復雜位置的加工要求。根據(jù)這一事實，本文設計了一種新的動力送粉裝置，以彌補這方面的不足。1送粉器的裝配結(jié)構(gòu)本文設計的送粉器,其粉末喂送裝置采用封閉式載氣系統(tǒng),氣動輸送采用分路輸送,可造成負壓輸送,利于粉末流動和分散;其主體結(jié)構(gòu)采用分體式,粉斗、粉體腔可分離且內(nèi)充平衡氣體,主要部件粉體腔采用整體式結(jié)構(gòu);利用粉輪撥送粉末,交流微型電機提供動力.送粉均勻易控,且避免了粉末擠壓;這其中,密封腔密封性能的好壞是關鍵,因為既要保持氣壓平衡,又要防止粉末進入軸承腔.本設備對粉體腔采用多重密封,各密封點加置密封圈,密封性能優(yōu)良.圖1為送粉器裝配結(jié)構(gòu)示意圖.在氣動輸送管路設計上,設計的輸送氣體分4路進入送粉器,即分別進入粉斗、粉斗與粉體腔之間的落粉通道、落粉腔、軸承座腔.第1路氣體通入粉斗,其作用是在粉斗中存在一定的壓力,從而使粉末易于下落,并且避免粉末回流;第2路氣體送入粉斗與粉體腔之間的落粉通道,其進口位置在送粉開關的下方,作用與前者相似;第3路直接接落粉腔,這一路最關鍵,它直接與粉輪撥出的粉末接觸,在落粉腔內(nèi)將粉末分散,形成流體,出落粉腔口,流入輸送橡皮管;第4路氣體通入軸承座內(nèi)腔,保持腔內(nèi)正壓,主要起平衡作用,防止粉輪旋轉(zhuǎn)撥送粉末時粉末和外界灰塵進入軸承.另外,根據(jù)需要可在氣路連接粉斗一端安裝一個安全閥,保持粉斗的氣壓平衡.在落粉腔結(jié)構(gòu)上,設計氣流經(jīng)入口進入再經(jīng)入口下端的縮口后才進入落粉腔.在氣動力學上定義這種先收縮后擴大的噴管為縮放管,也稱拉法爾管.根據(jù)相似性原理,本系統(tǒng)中為了將粉輪沿圓周切線方向送出的初速度v0的粉末顆粒吹散和載送,落粉腔的結(jié)構(gòu)采用了拉法爾管結(jié)構(gòu),氣流通過漸縮通道,再經(jīng)細小管道進入漸大管腔.這樣,氣流通過較短的通道即可獲得較大的壓力,當與粉輪撥送的粉末相遇時利于載送粉末以及粉末的分散.2反應的料性對送粉效果的影響在氣動送粉試驗中,針對要解決超細合金粉末的輸送難題,筆者研究了Ni02C(Ni60)、WC、Al2O3-Cr2O33種不同料性的超細合金粉末的氣動送粉,對比試驗如表1.這3種粉末的基本料性如下:鎳基合金粉密度較大,流動性好;Al2O3-Cr2O3密度很低,流動性差;WC粉末密度較鎳基粉末稍大,流動性也差.送粉工藝參數(shù)如下:送粉量m(g/min);送粉精度ε(%);粉末利用率η(%);氣流速度v(L/min);粉刻N;轉(zhuǎn)速n(r/min).2.13機液比和送粉量圖2為3種超細合金粉末在同一氣流速度下(v=3L/min)的送粉曲線圖.測定送粉量時發(fā)現(xiàn),送粉量隨轉(zhuǎn)速的變化而變化,氣流量影響粉流的速度.氣流量增大,粉流速度增大.當然,送粉量的大小也與該種粉末的密度有一定關系.因相同體積的粉末,其質(zhì)量不一,故相同轉(zhuǎn)速、氣流條件下,密度大的,每分鐘輸送的粉末質(zhì)量大.2.2送粉精度計算對于送粉的均勻性問題,主要考察其單位時間內(nèi)運輸粉末的質(zhì)量有無波動.不同轉(zhuǎn)速下送粉運輸?shù)那闆r是個因素很多、情況比較復雜的問題,用送粉精度來界定運輸?shù)姆€(wěn)定性,定義的送粉精度可用下式來表示:ε=∑Δ/∑M(1)其中,∑Δ=8∑i=16∑j=5ΔniΤj∑Δ=∑i=18∑j=56ΔniTj為不同轉(zhuǎn)速ni下Tj時刻的送粉量偏差和;∑Μ=8∑i=16∑j=5ΜniΤj∑M=∑i=18∑j=56MniTj為不同轉(zhuǎn)速ni下Tj時刻的送粉總量;ni(r/min)為不同轉(zhuǎn)速(30,40,50,…,90,100);Tj(min)為不同時刻(5,10,15,20,25,30).根據(jù)上述結(jié)果計算出了3種粉末的送粉精度.Ni02C(Ni60):最大ε=0.79%?ˉε=0.38%;WC:最大ε=0.80%?ˉε=0.40%;Al2O3-Cr2O3:最大ε=1.19%?ˉε=0.57%.比重較小的Al2O3-Cr2O3的超細粉末受到氣流的影響較前兩者大.3試驗材料及方法目前Ni基自熔性合金激光熔敷技術比較成熟,熔敷效果較好,而對于WC、Al2O3-Cr2O3等陶瓷材料熔敷技術還不成熟,熔敷效果不甚理想,因此,在后面兩種超細粉末中添加了Ni基超細粉末以改善熔敷效果.即采用上述Ni02C(Ni60)、Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O33種不同料性的超細合金粉末粉.Ni02C(Ni60)合金粉具有流動性好、與基材相結(jié)合表面光潔、價格適中等特點;WC合金粉熔點較高,流動性差;Al2O3-Cr2O3合金粉熔點較高,流動性差.Ni02C(Ni60)、WC屬于超細重粉,而Al2O3-Cr2O3屬于超細輕粉.表2為Ni02C(Ni60)基本成份.試驗基材皆選用不銹鋼材料.根據(jù)試驗條件,用聚焦法作了試驗,基材為不銹鋼鋼片.激光工藝參數(shù)為激光功率P(kW)和激光掃描速度V(mm/s).其中,Ni02C(Ni60)(P=1.1kW,V=3mm/s);Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O3(P=1.3kW,V=3mm/s).3.1回用陶瓷材料從上述試驗實際情況來看,Ni02C(Ni60)超細粉末由于是自熔性合金,熔池流動性好,形貌光潔、均勻.Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O3雖然都添加了Ni基超細粉末,但由于WC、Al2O3是陶瓷材料,激光熔池流動性差,加上陶瓷材料的激光熔敷技術還沒有很好解決,熔敷的外形特征不如前者.但是從熔敷層的形貌看,反映出了氣動送粉器的送粉效果基本上還是較為理想的,即均勻性、分散性較好.3.2送粉的激光熔層偏移和空腔層的內(nèi)部組織(1)圖4顯示了多通道尼02c60中細粉末的激光熔合過渡區(qū)域和熔合層的內(nèi)部組織(2)如圖5所示，單通道ni-wc粉末的激光熔層覆蓋區(qū)域和熔層中的內(nèi)部組織(3)載氣狀態(tài)下超細粉末顆粒表面形態(tài)特征Ni02C(Ni60)超細合金粉末多道搭接激光熔敷過渡層枝晶生長方向性很好,如圖4(a),其多道搭接處枝晶分別向兩邊生長,分布均勻,如圖4(b).Ni-WC熔敷層中,WC變成的相均布于枝晶之間,如圖5(b).Ni-Al2O3-Cr2O3覆層枝晶方向性更好,如圖6(a),富含Cr的相全部均布于Ni形成的枝晶上,如圖6(b).從以上照片可見,載氣狀態(tài)下超細粉末顆粒分散更加均勻,激光與粉末材料相互作用更加充分,而且過渡層稀釋率很低,如圖4(a)、圖5(a)和圖6(a).4不同氣流量條件下的粉末利用率從激光與粉末材料的相互作用看,無論是預置式還是送粉式激光熔敷,都存在一個粉末利用率的問題.對于氣動送粉方式來說,粉末未被利用部分包括:①粉末在與激光相互作用時,因加熱溫度過高而被燒損或加熱溫度過低無法充分熔化的部分;②氣流的作用使粉末飛濺,沒有與激光束相互作用的部分.影響粉末利用率的因素很多,如粉末的材料性能、光束的形狀與尺寸(光斑直徑D或矩形光斑B×L)、激光功率P、送粉率Mp、掃描速度V、基材特性等.而在氣動送粉激光熔敷中,氣流量對粉末利用率的影響是最為顯著的.因此,針對這樣的特點,基于不同氣流量條件下,觀測了前述的3種超細合金粉末Ni02C(60)、WC和Al2O3-Cr2O3的粉末利用情況.令基材的質(zhì)量為m1,t時間內(nèi)所送粉的質(zhì)量為m,熔敷后基材與熔敷層的總質(zhì)量為M,則粉末的利用率η可以表示為:η=Μ-m1m%=Μ-m1Μpt%(2)粉末利用率是衡量激光熔敷的重要參數(shù).通過試驗,在同一粉刻情況下分別觀測了不同氣流量情況下,粉末利用率受氣流量影響的情況.發(fā)現(xiàn),當氣流量v≤1L/min時,氣流對粉末利用率影響不是很大,此時粉末利用率一般最大能達到60%以上.這與非載氣自重式送粉器(JKF-6型)粉末利用率達到近90%的情況相符合,即氣流對粉末的分散作用很小.當氣流量超過這數(shù)值以后,發(fā)現(xiàn)它的大小對粉末利用率影響就十分明顯了.當氣流量達到5L/min時,粉末利用率一般在30%以下.因此,這時在進行激光熔敷時,就應當采取保護措施,避免粉末四處分散,且注意收集粉末.圖7為3種粉末利用率比較圖.從圖7看,氣流對Ni-Al2O3-Cr2O3粉末的利用率影響較大,輕細粉在較大氣流下,粉末流散性大,當送粉量較小時,粉末利用率更小.所以對于細粉末的氣流輸送,既有有利的方面,較為容易輸送,又容易把粉末吹散,不利于制造較厚的熔敷層.如將氣流調(diào)節(jié)好,還是有較好的效果.從Ni02C(60)、Ni-WC、Hi-Al2O3-Cr2O3這3種超細粉末的粉末利用率的曲線圖來看,Ni-Al2O3-Cr2O3的粉末利用率隨著氣流增大下降比前兩者都要大.這當然與它的密度較小有關.