激光先進制造技術(shù) 課件 第3章 激光熔覆技術(shù)

激光先進制造技術(shù)LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特種加工技術(shù)2.激光沖擊強化技術(shù)3.激光熔覆技術(shù)4.超高速激光熔覆技術(shù)5.激光焊接技術(shù)6.激光復(fù)合制造技術(shù)7.激光微細復(fù)合加工技術(shù)課程內(nèi)容1.激光熔覆技術(shù)概述2.激光熔覆設(shè)備與工藝3.激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析4.激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢5.激光熔覆技術(shù)的典型案例本章內(nèi)容激光熔覆技術(shù)概述4/7220世紀(jì)70年代——大功率激光器1974年底——美國某公司提出了世界上第一個激光熔覆專利21世紀(jì)后——隨著大功率激光器技術(shù)的成熟而快速發(fā)展日美將其商業(yè)化，批量修復(fù)了軍用飛機發(fā)動機的磨損失效零件德國發(fā)展了超高速激光熔覆取代電鍍、熱噴涂、堆焊我國激光熔覆的研究和應(yīng)用正處于快速增長階段技術(shù)起源激光熔覆原理5/72激光熔覆是一種新型的表面再制造技術(shù)，主要用于改善和提高材料的表面性能及零件表面修復(fù)。激光熔覆通過不同的添料方式在基材表面添加激光熔覆材料，并利用高能量激光束使其熔覆粉末與基材表面薄層一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能優(yōu)于基體，與基體呈冶金結(jié)合，因此使基體表面的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕等特性得到提高。激光熔覆技術(shù)概述激光熔覆原理6/72激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高功率激光束以恒定功率入射到需要改善的工件表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收。當(dāng)瞬時被吸收的能量超過臨界值后，熔覆材料和基材表面薄層熔化，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的熔覆層。激光束根據(jù)應(yīng)用程序給定的路線來回掃描，從而逐線逐層進行實現(xiàn)或修復(fù)。激光熔覆技術(shù)概述7/72激光熔覆是利用高能密度激光束所產(chǎn)生的局部高溫，將2種或者2種以上金屬界面瞬間熔化，熔覆材料與基體表面試樣冶金結(jié)合，形成性能與基體成分不同的涂層，改善材料性能。激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價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)先進國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。激光熔覆原理激光熔覆技術(shù)概述8/72預(yù)置粉末法同步送粉法根據(jù)合金粉末供應(yīng)方式的不同，激光熔覆可以分為兩種，即預(yù)置粉末法和同步送粉法。熔覆材料可以選擇絲狀材料、板狀材料、粉末材料等，其中粉末熔覆應(yīng)用比較廣泛。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述9/72預(yù)置粉末法包括無粘結(jié)劑預(yù)置法和粘結(jié)劑預(yù)置法。無粘結(jié)劑預(yù)置法是指利用預(yù)置工件將粉末直接預(yù)置到基體上，預(yù)置的過程中要使粉末分布均勻然后用激光進行熔覆。粘結(jié)劑預(yù)置法指將粘結(jié)劑(纖維素等)粉末按照一定的比例混合加入少量的水使其成為糊狀，然后使用預(yù)置工具將其預(yù)置到基體上并放置一段時間使其涂在基體上干燥的方法。粘結(jié)劑預(yù)置法成本低，操作簡單，但通過激光束的照射粘結(jié)劑界面易產(chǎn)生氣泡，因而會造成熔覆涂層產(chǎn)生氣孔它裂紋、脫落等缺陷使熔覆涂層的質(zhì)量下降。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述10/72同步送粉法激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進行同步送料。在同步送粉激光熔覆過程中的凝固速度要快于預(yù)置粉末法，有利于防止陶瓷顆粒沉底或上浮現(xiàn)象，從而大大改善復(fù)合層中陶瓷顆粒分布的均勻性。但同步送粉過程中，陶瓷顆粒在送粉同時受激光束輻照，且注入到熔池的中心，由于激光熔池表面中心的溫度最高，熔池中心的陶瓷顆粒的吸收熱量高，注入陶瓷顆粒仍然有熔化和分解的現(xiàn)象。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述11/72預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理——預(yù)置熔覆材料——預(yù)熱——激光熔化——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(yù)處理——送料激光熔化——后熱處理。按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是：基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述12/72評價激光熔覆層質(zhì)量的主要指標(biāo)為:熔覆層厚度、熔覆層寬度熔覆層形狀系數(shù)(寬度/厚度)稀釋率硬度及其沿深度分布基板的熱影響區(qū)深度及變形程度等稀釋率η=A2/(A1+A2)=h/(H+h)激光熔覆層質(zhì)量指標(biāo)激光熔覆技術(shù)概述其中：A1是熔覆層，A2是稀釋區(qū)，HAZ是熱影響區(qū)W為熔覆層寬度Ha為熔覆層高度Hb為基體熔化深度13/72冷卻速度快(高達106K/s)，屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；涂層稀釋率低(一般小于5%)，與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合，通過對激光工藝參數(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;氧-乙炔火焰熔覆感應(yīng)熔覆氬弧熔覆等離子弧熔覆激光熔覆激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點激光熔覆技術(shù)概述14/72熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm；能進行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價格比;光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;工藝過程易于實現(xiàn)自動化。激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點激光熔覆技術(shù)概述15/72由于激光熔覆的眾多優(yōu)點，因而在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，但是激光熔覆技術(shù)也存在它的不足之處：由于涂層與基體產(chǎn)生較大的溫度梯度，使熔覆涂層與基體體積膨脹收縮率不一致，因此熔覆涂層產(chǎn)生裂紋的敏感性比較大;由于熔覆帶較窄，要想得到大面積的激光熔覆涂層比較困難。激光熔覆技術(shù)的缺點激光熔覆技術(shù)概述16/72激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機組、送粉機構(gòu)、加工工作臺等。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝17/72激光器的選用：應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。CO2激光器固體激光器激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝18/72CO2激光器是應(yīng)用最廣、種類最多的一種激光器,在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機工業(yè)、機械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占全球工業(yè)激光器銷售額40%，北美更高達70%。CO2激光器具有功率高、效率高、光束質(zhì)量高等優(yōu)點。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝19/72固體激光器主要包括光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器等。固體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長等優(yōu)點，速度快、深度大、無變形、熔覆層無夾渣、熔池細膩無氣孔，可以在室溫或者特殊的條件下進行工作。但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，則光纖激光器、二極管激光器由于其自身設(shè)計的特點，就顯得不太適合了，而碟片激光器則比較適合焊接(包括熔覆)、切割反射率比較高的材料。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝20/72激光器的選用：目前應(yīng)用廣泛的有CO2激光器、固體激光器Nd:YAG。CO2激光器和Nd:YAG激光器的輸出特性：激光器波長/μm輸出方式脈沖寬度/ms輸出能量最大輸出功率密度CO2激光器10.6PW/CW0.1-100PW:幾個焦耳CW:幾十~幾千焦10的6次方Nd:YAG激光器1.06PW/CW0.01-10PW:幾個~幾百焦耳CW:幾十~幾千焦10的6次方由上表可知，激光的輸出能量有脈沖式和連續(xù)式兩種類型。Nd:YAG激光相對C02激光溫度升的快，需要激光的能量少，熱影響區(qū)和熱變形區(qū)小，處理層冷卻速度快，溫度梯度大，所以激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)和熱變形區(qū)依次是:Nd:YAG激光<C02激光。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝21/72在激光熔覆與加工過程中，金屬激光能量的吸收是一個十分重要的參數(shù)。下表為幾種金屬對激光的吸收率:金屬材料室溫熔點C02激光Nd:YAG激光C02激光Nd:YAG激光AlCuFeTi碳鋼不銹鋼1.861.553.078.132.759.725.884.899.7225.708.6930.726.45.113.013.712.1314.620.016.241.143.38.244.2從上表可知，金屬表面對激光的吸收率隨激光波長的增加而減少，則金屬表面對激光的吸收率的大小依次為Nd:YAG激光>C02激光綜上所述:(1)C02激光器適用于大功率、大尺寸精度要求較低的加工和熔覆領(lǐng)域，Nd:YAG激光適用于中小功率、中小尺寸、精度要求較高的加工和熔覆領(lǐng)域。(2)Nd:YAG激光比C02激光更適用于激光熔覆和激光直接接觸金屬快速制造領(lǐng)域。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝22/72激光熔覆是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，是一種對裂紋敏感的工藝。涂層成形質(zhì)量的影響對于激光再制造產(chǎn)品的可靠性非常重要，熔覆材料和激光熔覆工藝的選擇決定了最終的涂層質(zhì)量，而工藝參數(shù)對于控制涂層質(zhì)量具有很大的影響。激光熔覆工藝參數(shù)主要包括：激光功率、激光束掃描速度、光斑直徑、搭接率、離焦量等。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝23/72激光功率與稀釋率成正比關(guān)系，隨著激光功率的增大，粉末與基體的表面溫度增加從而熔化量增大，因此容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率持續(xù)增大，基體的熔化加劇，從而導(dǎo)致基體變形或者產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率過小，激光稀釋度變小，涂層與基體的冶金效果不好，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。為了避免此問題，應(yīng)該控制合理的激光功率。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝24/72掃描速度是激光工藝參數(shù)中非常重要的參數(shù)。極限速度是指激光束只可使合金粉末熔化，而幾乎不能使基體熔化的掃描速度。要使涂層成形完好，要求激光掃描速度必須小于極限速度。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝25/72光斑直徑主要影響熔覆涂層的寬度，光斑直徑和熔覆涂層寬度以及掃描速度的關(guān)系可由下式確定：W=D×(1-aVb)式中，a為經(jīng)驗常數(shù)，和工藝特性、材料屬性有關(guān)。當(dāng)其他工藝參數(shù)一定的情況下，隨著光斑直徑的增大，涂層寬度增大，激光熔池增大，因此其表面張力減小，涂層質(zhì)量得到一定的提高。如果光斑直徑過小，則很難得到大面積的熔覆，如果光斑直徑過大，激光束熱量容易分散，影響涂層的質(zhì)量。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝26/72熔覆涂層單位面積所需能量叫做能量密度E，又稱激光比能，其計算公式為：E=P/(DVb)式中P為激光束功率，D為激光束光斑直徑及Vb為激光掃描速度。激光比能與激光功率有著密切的關(guān)系，在光斑直徑與掃描速度一定的情況下，激光比能與激光功率成正比關(guān)系。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝27/72搭接率是影響大面積涂層質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn),要想得到大面積的激光熔覆涂層，需要從搭接方面來入手分析。如果搭接率過低，搭接處容易形成凹坑等缺陷且表面比較粗糙，如果搭接率過高，涂層表面變的比較平整光滑，但是可能會有氣孔、裂紋的產(chǎn)生，因此要選擇合適的搭接率。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝29/72在激光熔覆過程中，影響激光涂層成形質(zhì)量和性能的因素非常復(fù)雜，激光熔覆材料是一個主要因素。按熔覆材料的初始供應(yīng)狀態(tài)熔覆材料可分為粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄板狀，其中應(yīng)用最廣泛的是粉末狀材料。按照材料成分構(gòu)成，激光熔覆粉末材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和復(fù)合粉末等。在金屬粉末中自熔性合金粉末的研究與應(yīng)用最多。目前廣泛應(yīng)用的主要有Fe、Ni、Co基自熔性合金粉末，以及為了進一步提高耐磨性而加入各種陶瓷相混合形成的金屬陶瓷材料。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝30/72特點:1、含有B、Si，作用：脫氧、造渣2、基材適應(yīng)性可廣泛應(yīng)用于包括各類碳鋼、合金鋼、不銹鋼和鑄鐵類材質(zhì)，但不適宜含S較高的鋼材，因為鋼中S的存在會在交界面處形成一種低熔點的脆性物質(zhì)，容易使熔覆層脫落。分類：Ni基合金、Co基合金、Fe基合金自熔性合金粉末鎳基自熔性粉末具有非常好的自熔性，良好的韌性、耐沖擊、耐熱性、抗氧化性及較高的耐蝕性，但是高溫性能較差。鈷基自熔性粉末比鎳基自熔性粉末自熔性能要差一些，但其耐高溫性能最好，且具有良好的耐熱震、耐磨、耐蝕性能，但成本較高。鐵基自熔性粉末的自熔效果較前兩種粉末最差且抗氧化性能差，但是成本最低。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝鐵基自熔性合金粉末31/72特點：陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層。分類：硅化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末(Al2O3和ZrO2)缺點：與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，在使用中將出現(xiàn)變形開裂、剝落損壞等現(xiàn)象。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝陶瓷粉末氧化鋁粉末32/72復(fù)合粉末主要是指高熔點硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復(fù)合而形成的粉末體系。特點：金屬的強韌性、良好的工藝性與陶瓷材料優(yōu)異耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結(jié)合復(fù)合粉末體系:1、碳化物合金粉末(如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)2、氧化物合金粉末(如Al2O3\Zr2O3\TiO2等)3、氮化物合金粉末(TiN、Si3N4等)塊狀WC球狀WC激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝4、硼化物合金粉末5、硅化物合金粉末復(fù)合粉末33/72其他金屬粉末包括：銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達到耐磨減摩、耐蝕、導(dǎo)電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝其他金屬粉末34/72選擇熔覆材料要堅持以下幾點原則：熔覆材料與基體材料的熔點要接近，避免產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。保證熔覆材料與基體之間具有一定的潤濕性。盡量控制粉末的粒度在一定的范圍內(nèi)，要避免粉末過細，影響熔池的流動性，粉末如果過大，影響激光熔覆工藝性能。熔覆材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近，如果相差太大容易產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象，影響涂層的質(zhì)量。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝35/72激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個方面來考慮：一是宏觀上，考察熔覆層氣孔、裂紋、形狀等；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，必要時要進行質(zhì)量壽命檢測。目前研究工作的重點是熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動力學(xué)、合金成分的設(shè)計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。激光熔覆技術(shù)存在的問題激光熔覆設(shè)備與工藝36/72激光熔覆層的裂紋圖像：微裂紋;(b)圖(a)的放大圖像激光熔覆層中的氣孔圖像：(a)熔覆層中部區(qū)域;(b)熔覆層底部區(qū)域受熔覆材料與基體材料的熱物性差異以及成形工藝等因素的影響，容易在成形件中形成裂紋、氣孔、夾雜和層間結(jié)合不良等缺陷。激光熔覆技術(shù)存在的問題激光熔覆設(shè)備與工藝37/72氣孔是Ni基激光熔覆涂層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。激光熔覆層中的氣孔是由于在激光快速熔凝的條件下，熔池中的氣體來不及逸出而形成的。此外，在采用粉末預(yù)置法預(yù)置涂層材料時，粘結(jié)劑在熔覆過程中受熱分解產(chǎn)生氣體，形成氣孔。一般來說，氣孔是難以完全避免的，但可以采用一些措施加以控制。常用的方法有：防止合金粉末儲運中的氧化，在使用前要烘干去濕以及激光熔覆時要采取防氧化措施等。氣孔的產(chǎn)生及防止激光熔覆技術(shù)存在的問題激光熔覆設(shè)備與工藝38/72由于材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進行的，如果成形工藝控制不當(dāng)，易于在成形件中形成裂紋，成形過程中裂紋一旦產(chǎn)生，整個成形過程將被迫終止，同時已成形的金屬零件只能報廢處理。改善激光熔覆層的應(yīng)力狀態(tài)和消除裂紋的方法有以下幾種：合理選擇激光工藝方法和參數(shù)；合理設(shè)計熔覆材料的成分和組織；在基體上添加涂層提高基體對熔覆層的潤濕性；在熔覆材料中添加合金元素提高熔覆層組織的強韌性；利用熔覆層應(yīng)力的作用特點改進熔覆工藝。激光熔覆技術(shù)存在的問題激光熔覆設(shè)備與工藝裂紋的產(chǎn)生、控制及防止39/72不同激光功率的單道熔覆層截面形貌：(a)1300W;(b)1600W;(c)1900W;(d)2200W單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析40/72可以看出其它工藝參數(shù)不變的條件下，掃描速度增加，熔覆層高度變化十分明顯。這是由于掃描速度的增加，粉末有效利用率降低和單位時間內(nèi)輸入基體激光能量降低造成的。熔覆層高度和寬度的減小是由于掃描速度的增加，使單位時間內(nèi)輸入基體的激光能量減少，粉末有效利用率降低造成的。不同掃描速度的單道熔覆層截面形貌(a)200mm/min;(b)250mm/min;(c)300mm/min;(d)350mm/min單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析41/72Rp過低時，更多的激光能量作用于基體，造成熔池過度變寬和變深，而進入熔池的粉末量卻不足以完全填充；Rp的增加帶動粉流匯聚點增大，輸入基體的激光能量降低，熔池寬度相對減小。不同送粉率Rp的單道熔覆層截面形貌(a)1.7g/min;(b)3.4g/min;(c)5g/min;(d)6.7g/min;(e)8.3g/min;(f)10g/min單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析42/72當(dāng)不考慮潤濕性對熔池表面的作用時，強制對流和自然對流在熔池的右側(cè)耦合成一個宏觀的沿順時針方向流動的主循環(huán)對流回路，而在熔池左側(cè)為逆時針方向流動，如圖(a)所示。這種對流運動的結(jié)果是熔池形狀呈平面狀。當(dāng)考慮潤濕性作用時，熔池表面張力將反向，熔體流動方向相異，如圖(b)所示，這種對流結(jié)果最終導(dǎo)致熔覆層形貌呈現(xiàn)凸起狀。不同截面形貌的熔池內(nèi)熔體的流動特征：(a)平面;(b)凸面單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析43/72激光熔覆層搭接示意圖不同搭接率的熔覆層形貌：(a)10%;(b)35%;(c)50%Ro等于相鄰熔覆道間的搭接寬度Do與單道熔覆層寬度W之比。當(dāng)Ro為35%時，兩熔覆道間較為平整，說明此時搭接區(qū)域的粉末可以較好的填充兩熔覆道間隙。多道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析44/72搭接率Ro對熔覆層截面形貌影響示意圖：(a)Ro偏小;(b)Ro較好;(c)Ro偏大從圖(a)可以看出Ro偏小相鄰熔覆道之間會出現(xiàn)明顯的凹陷區(qū)，但兩個熔覆道高度是一致的。從圖(c)可以看出Ro偏大會出現(xiàn)搭接區(qū)的凸出，且兩熔覆道高度不同。如在偏大和偏小的Ro下繼續(xù)熔覆成形，會將缺陷遺傳造成缺陷的進一步增大，最終導(dǎo)致成形的失敗。從圖(b)可以看出當(dāng)Ro選擇合適時，會有較好的熔覆效果。多道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析45/72單道多層照片：(a)不同ΔZ熔覆層;（b）階梯熔覆層宏觀形貌圖(a)為P=2200W，V=300mm/min，Rp=5g/min和Rg=200l/h時，不同ΔZ的11層梯形沉積結(jié)構(gòu)表面形貌。從圖(b)可以看到沉積材料高度呈梯度上升，最終實現(xiàn)11層成形。單道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析46/72層薄壁樣：(a)主視圖;(b)左視圖圖為選取ΔZ小于第一層高度條件下制備的88層薄壁材料?？梢郧逦吹奖”诩膫?cè)壁與基體有很好的垂直度。經(jīng)對試件觀察沒有裂紋等嚴重缺陷存在，但可以看到側(cè)壁存在有規(guī)律的凹陷，這是由于實驗中采取每隔11層重新確定粉嘴與基體層的距離而留下的不連貫的痕跡。每11層內(nèi)的層間沒有明顯的凹陷，表現(xiàn)出良好的連續(xù)成形性。單道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析47/72上下相鄰層不同疊加方式的成形體表面形貌：(a)垂直疊加;(b)平行疊加可以看出上下相鄰層垂直疊加方式，表面更加平整一些，這是由于當(dāng)掃描方向垂直時，搭接處的凹凸缺陷可在下一層熔覆時得到彌補而不會遺傳。而掃描方向平行時，搭接處的缺陷會遺傳給下一層，缺陷不斷累積，最終表面變得凹凸不平，質(zhì)量較差。因此，在制備形成體時，應(yīng)盡量選擇垂直的疊加方式。多道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析48/72Fe104熔覆層的金相圖：(a)整體組織;(b)結(jié)合區(qū);(c)中部區(qū)域;(d)頂部區(qū)域熔覆層的上部除了出現(xiàn)部分沿著冷卻方向的帶狀柱狀晶外，更多出現(xiàn)的是組織細小的等軸胞狀晶，為熔覆層奠定了優(yōu)異的力學(xué)性能。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層OM微觀結(jié)構(gòu)49/72Fe104熔覆層的截面SEM圖像:(a)結(jié)合處;(b)中部;(c)上部;(d)中部區(qū)域放大圖像在激光熔覆的液相凝固過程中枝晶基體會首先形核析出，逐漸長大形成樹枝晶、柱狀晶等，然后晶間的合金溶液冷卻凝固從而發(fā)生共晶反應(yīng)最終形成了密集的晶間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以熔覆層內(nèi)微觀組織主要為枝晶基體和枝晶間網(wǎng)狀共晶結(jié)構(gòu)。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層SEM微觀結(jié)構(gòu)50/72由于Fe104合金粉末中的Si、B等元素主要用于激光熔覆液相凝固過程中的造渣功能，因此Si在熔覆層內(nèi)的含量較少，且B元素在中部熔覆層內(nèi)也并沒有被明顯檢測到。然而Fe元素在熔覆層內(nèi)的分布均勻且廣泛，沒有明顯的偏析，并在枝晶基體內(nèi)含量稍多，而Cr、Ni等合金元素雖然在枝晶基體和晶間共晶結(jié)構(gòu)內(nèi)也廣泛分布，但在晶間的分布更加密集。與表中枝晶基體內(nèi)的Cr、Ni的元素含量均小于晶間組織的結(jié)果相符合。Fe104熔覆層橫截面EDS點分析激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層元素分布51/72Fe104熔覆層的TEM圖像(a)枝晶基體和碳化物;(b)圖a的放大圖像;(c)圖b的放大圖像Fe104熔覆層內(nèi)可以清晰的看到枝晶基體和黑色的合金碳化物。在(b)-(c)中，熔覆層內(nèi)的枝晶晶界清晰可見，碳化物的內(nèi)部可以分辨出不同形態(tài)的合金元素的物相，晶粒的排列齊整，呈纖維狀。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層TEM微觀結(jié)構(gòu)52/72H13基體和Fe104熔覆層的摩擦系數(shù)H13模具鋼基體和Fe104熔覆層在摩擦磨損試驗時的平均摩擦系數(shù)分別為0.351和0.329。H13鋼基體的在磨損時只需經(jīng)過10min就能趨于穩(wěn)定，然而Fe104熔覆層在40min時才將平均摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.340左右。說明Fe104熔覆層耐磨性能優(yōu)于基體。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層摩擦磨損性能53/72H13基體和Fe104熔覆層表面磨損形貌SEM圖：(a)-(b)基體;(c)-(d)Fe104熔覆層圖(a)中，基體的表面形貌表現(xiàn)出較深較寬且劇烈的塑性變形，出現(xiàn)了魚鱗狀的撕裂形貌，同時伴隨著如圖(b)所示的剝落坑和磨屑。圖(c)中，F(xiàn)e104熔覆層的磨損表面展現(xiàn)出比較規(guī)則且粗細深淺一致的犁溝狀磨痕。如圖(d)所示，F(xiàn)e104熔覆層表面的只有局部的坑狀剝落，且其深度和尺寸比圖(b)中的更小，整體磨損更加輕微。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層摩擦磨損性能54/72Ni25熔覆層的金相圖像：(a)橫截面全貌;(b)、(c)、(d)為B、C、D在(a)中的放大圖像從(b)中可以看出，Ni25熔覆層的近表面出現(xiàn)了大量的柱狀枝晶，這些結(jié)構(gòu)的平均尺寸為12~18μm，相鄰結(jié)構(gòu)的間距約為5~10μm。如(a)所示，這些柱狀樹突與胞狀樹突耦合排列在表層，深度約為0.2μm。在Ni25熔覆層的中間區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了長針狀柱狀枝晶，長度在200~300μm，這與典型的快速凝固特征一致。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層OM微觀結(jié)構(gòu)55/72Ni25熔覆層的截面SEM圖像：(a)上部;(b)中部;(c)中部區(qū)域放大圖像頂部區(qū)域主要是胞狀晶以及柱狀晶組成，而中部區(qū)域與頂部區(qū)域沒有明顯的區(qū)別。在圖(c)中可以觀察到，枝晶結(jié)構(gòu)和晶間結(jié)構(gòu)共同組成了Ni25熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)。其中，較為平滑的枝晶結(jié)構(gòu)作為基體，大多數(shù)碳化物以及硅化物存在于晶間結(jié)構(gòu)中，作為增強相來強化整體性能。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層SEM微觀結(jié)構(gòu)56/72Ni25熔覆層枝晶與晶間的EDS點分析：(a)橫截面的SEM圖像;(b)點a;(c)點b由圖(b)-(c)可以看出，在枝晶與晶間區(qū)域的都發(fā)現(xiàn)了含量較高的Ni元素，而在枝晶區(qū)域Si元素以及Fe元素的含量較高，說明枝晶區(qū)域的碳化物以及硅化物的含量較多?？傮w來說，由于Ni元素的導(dǎo)熱系數(shù)較高，枝晶與晶間在凝固過程中的元素偏析情況并沒有很明顯，這也縮小了枝晶與晶間區(qū)域由于元素含量差異而造成的組織和性能差異。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層元素分布57/72Ni25熔覆層的TEM圖像：(a)枝晶基體和碳化物;(b)圖a的放大圖像從圖中我們可以看出，在大塊的白色組織為γ-Ni基體，周圍發(fā)現(xiàn)了大量黑色且狹長的碳化物結(jié)構(gòu)。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層TEM微觀結(jié)構(gòu)58/72H13鋼基體與Ni25熔覆層的摩擦系數(shù)H13模具鋼基體和Ni25熔覆層在摩擦磨損試驗時的平均摩擦系數(shù)分別為0.351和0.325。由于Ni25熔覆層的微觀組織主要由奧氏體組成，在摩擦磨損的過程會提供一定程度的潤滑作用，來減少磨環(huán)對熔覆層表面的破壞程度。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層摩擦磨損性能59/72H13基體和Ni25熔覆層的表面磨損形貌SEM圖：(a)H13鋼基體;(b)Ni25熔覆層在(a)中可以觀察到明顯的塑性變形和大量的疲勞剝落，顯示出嚴重的粘接磨損和撕裂。而Ni25熔覆層磨損表面仍以大規(guī)模的剝落和分層為主，由此可見，Ni25熔覆層并沒有從根本上改變原來的磨損類型。由于Ni25中含有大量的Ni元素，導(dǎo)致最終形成以奧氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，較低的硬度及強度在摩擦磨損的過程中抵抗磨環(huán)的壓應(yīng)力時會發(fā)生粘結(jié)和變形，最終導(dǎo)致了大面積的疲勞剝落。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層摩擦磨損性能60/72雖然激光熔覆技術(shù)發(fā)展較快，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，但是激光熔覆技術(shù)真正大范圍的應(yīng)用于生產(chǎn)尚有許多問題有待深入系統(tǒng)的研究：一是熔覆涂層的耐磨損、耐腐蝕性，目前國內(nèi)外對激光熔覆層耐磨性研究的比較深入，但有關(guān)激光熔覆層耐蝕性的研究報道較少，也不夠系統(tǒng)和深入；二是激光熔覆的開裂問題，減少和解決開裂和熔覆層孔洞等問題有待深入研究。激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢61/72激光熔覆主要的發(fā)展趨勢如下：設(shè)計使用梯度功能涂層材料，先預(yù)置過渡層或韌性、塑性相，在激光加工前后進行預(yù)熱與后熱處理；結(jié)合現(xiàn)代計算機科學(xué)技術(shù)，通過模擬計算建立熔池的溫度場分布模型，研究熔池內(nèi)流體的對流機制，模擬激光熔覆層的應(yīng)力分布規(guī)律，以及凝固時熔覆層內(nèi)組織變化的規(guī)律，進而優(yōu)化設(shè)計熔覆工藝參數(shù)；設(shè)計出適合于激光熔覆的專用材料，根據(jù)熔覆層的性能要求定性與定量地設(shè)計出合金的成分，并根據(jù)不同的使用工況設(shè)計不同形狀的涂層材料；激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢62/72通過激光熔覆與其他表面改性技術(shù)結(jié)合，制定新的工藝、方法，擴大激光表面處理技術(shù)的應(yīng)用范圍；進一步改進激光熔覆配套設(shè)備中的送粉器控制系統(tǒng)，提高其精確度，使其實現(xiàn)自動化、智能化、人性化等；致力于大功率、小型化激光器的研制與開發(fā)，完善大面積激光熔覆層制工藝，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)與加工。激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢63/72軸修復(fù)前狀態(tài)激光熔覆過程激光熔覆技術(shù)修復(fù)軸激光熔覆技術(shù)的典型案例64/72預(yù)處理工序：包括工件表面除油、除銹→噴砂清理（進一步清理）→熔覆前處理（將需要激光熔覆的區(qū)域清洗干凈，將存在明顯缺陷的區(qū)域整平）

。質(zhì)量檢驗工序：采用磁粉探傷、X射線探傷、熒光探傷或者顯示劑探傷