激光熔覆残余应力场分析
激光熔覆技术介绍
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。 最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟_赵洪运
第31卷第5期 2010年5月焊 接 学 报T R A N S A C T I O N S O F T H EC H I N AW E L D I N GI N S T I T U T I O N V o l .31 N o .5M a y 2010 收稿日期:2009-09-28基金项目:哈尔滨工业大学(威海)研究基金资助项目(H I T (WH ) 200711) 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 赵洪运, 舒凤远, 张洪涛, 杨贤群 (哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院,山东威海 264209) 摘 要:计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体前的温升情况,并将粉末粒子 到达基体前的温度作为初始条件,采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行 了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性.结果表明,粉末粒子温升和激光 功率呈线性关系,单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降 温曲线近似呈双曲线的一支,而多道熔覆过程中,温度场呈后拖的偏椭圆状.节点上的 热循环经过逐渐增大的峰值,峰值温度最终趋于稳态. 关键词:激光熔覆;生死单元;温度场;初始条件 中图分类号:T G 115.28 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2010)05-0081-04赵洪运 0 序 言 激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类.即粉 末预置法和同步送粉法.同步送粉法具有易实现自 动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔 覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使 硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点,具有 广阔的应用空间. 国内学者运用A N S Y S 对激光熔覆过程的温度 场和应力场已经做了大量的研究工作[1-4].目前通 过A N S Y S 模拟激光熔覆温度场的研究并没有考虑 激光束与粉末的交互作用,实际上激光束最先和粉 末作用,激光束除了损失的能量以外,一部分被熔覆 粉末吸收,另一部分则透过粉末被基体吸收.基体 除了直接吸收激光束能量以外,还吸收粉末传递给 基体的能量.因此很有必要在模拟之前搞清楚激光 能量的分配情况,这样建立起来的模型与实际才更 接近,模拟结果更有说服力.文中将粉末到达基体 前吸收能量后的温升作为初始温度场加载给基体, 同时采用A N S Y S 中生死单元技术模拟熔覆单元的 生长过程,基体吸收的能量通过高斯体热源加载,模 拟送粉激光熔覆的温度场分布情况.在此基础之 上,模拟了多道次激光熔覆温度场,对多道激光熔覆 温度场进行了研究.1 粉末到达基体前的温度粉末在遮挡激光的同时,也吸收了部分激光能量,从而使自身的温度升高.实际上,在不考虑等离子体影响(能量密度低于105W/c m 2)情况下,粒子直接吸收激光辐射能,并放出辐射能.在空气中粉末颗粒也会由于空气对流散失能量,粒子之间也会相互加热这些能量在总能量中的比例很小,目前关于粉末颗粒温升的模型并不多见,而且在模型中需要建立假设条件[5].为了计算方便,在模型中假设:(1)粉末颗粒在气—粉射流中的体积分数很低,可以忽略激光的反射、折射、颗粒离子之间的相互加热和光束遮蔽等影响.(2)粉末颗粒是半径为r P 的球体.由于粉末颗粒足够小,在能量计算时将其看成一个点,粒子的热导率为无限大,即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的,在迎光面和背光面没有差异.(3)粉末颗粒只在迎光面吸收能量,但对外辐射则在整个球体表面发生.(4)粉末不吸收来自基体的反光.由以上假设,根据粒子的能量方程可以求出粉末粒子的温升.方程是非线性方程,使用M a t l a b 软件采用迭代法求解.当激光功率P=2k W 时,在1500～1600K 范围内方程有解,于是初始值设为T =1500K ,通过迭代求出方程的一实根为T =1570K . 改变激光功率,得到不同激光功率下粉末离子 到达基体时的温度,如图1所示,随着激光功率的增 大,粉末粒子达到基体前的温升逐渐增高,且成近似 线性关系增长.当激光功率P=1500W 时,计算出
激光熔覆技术毕业设计(论文)
1. 引言 1.1 本课题的研究背景及意义 激光熔覆技术（Laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法[1]。按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视[2]。特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。
图1.1 激光熔覆原理示意图 1.2 本课题国内外研究现状 激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。目前，激光器主要有3种：CO2激光器、YAG 固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10KW的CO2气体激光器，另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面改性的多为CO2大功率激光器。近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000W大功率CO2气体激光器、100-500W固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授[3]；2.激光熔覆制备耐磨涂层[4]；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响[5]；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响[6]；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[7]；7.Mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能[8]；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[9]；3.激光熔覆恢复零件和工具性能[10]；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余
激光熔覆技术及其在核电阀门中的研究进展
0 前言 核电阀门市场前景非常广阔，但目前国内阀门制造技术落后，核阀等高参数阀门主要靠进口，随着中国核电建设渐渐驶入快车道，核电“国产化情结”变得越来越强烈。因此，掌握核阀等高参数阀门制造的关键技术，保有国内市场、开拓国际市场，已是当务之急。据统计，世界上核电站因阀门装置密封面出故障而造成的事故占核电站事故的1/4。因此对核阀材料和制造工艺提出了十分严格的要求，特别是核阀密封面。这是由于密封面不仅因阀门周期性地开启和关闭而受到擦伤、挤压和冲击作用，而且还因所处的工作环境和介质而受到高温、腐蚀、氧化等作用，所以应具有良好的综合服役性能。 1 核电阀门密封面强化工艺概况 一般采用堆焊工艺熔焊核阀密封面，而保证阀门密封面堆焊质量和提高堆焊生产效率，不仅取决于堆焊材料，而且很大程度上还取决于先进的堆焊工艺方法和高效率的自动化堆焊设备。我国阀门密封面堆焊技术的研究工作始于20世纪60年代初，历经40多年的发展历程，阀门堆焊方法从以手工电弧焊和氧-乙炔火焰堆焊等非自动化、低效率的堆焊方法为主，发展到广泛采用高效、自动化的堆焊方法，如火焰堆焊、等离子弧堆焊以及激光熔覆等。先进的堆焊技术是当前各国竞相研究的热点，其中最具应用前景的当属激光熔覆技术。该技术兴起于20世纪80年代，它是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层。表1列出了几种粉末的热喷涂、电弧、等离子喷涂、激光熔覆的技术特性。可见激光熔覆层与基体间是完全冶金结合，稀释度低，成品率高。 表1 热喷涂、喷焊、堆焊、激光溶覆的技术特性
激光熔覆
第五章 激光延寿技术 5.1激光熔覆表面处理技术 2、熔覆层的气孔和裂纹问题 熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H 。 同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。 这些H 溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出。 从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间。第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等。图2（a ，b ）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5％，10％合金。 HO H O H +→)(2汽2 CO M C O M y x +→+
图2 掺杂5％，10％合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测 3、激光熔覆工艺参数与优化 脉冲激光可调参数较多，包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等，这些参数并不是孤立存在的，它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂，因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量，以获得满意的处理效果。 1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响 对工件表面进行激光溶覆处理后，表面粗糙度通常较大，因此在实际使用之前，往往需对工件表面进行磨抛处理，这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究，例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al 2O 3,采用单道熔覆。 1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响 脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。 脉冲频率与激光扫描)%(560)(323C O B WO Ni a +++) %(1060)(323C O B WO Ni b +++
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升，并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。利用熔池的大小和形态，验证了模型的可靠性。结果表明，粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。单个包层的温度变化是锯齿状的。温升过程近似为直线，温降曲线近似为双曲线。在多通道熔覆过程中，温度场呈微椭圆形。节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。峰值温度最终趋于稳定。0系列 激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型，即粉末预置法和同步送粉法。本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。特别是对于覆层金属陶瓷，覆层的抗裂性可以显著提高，并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。有广阔的应用空间。国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。目前，利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。事实上，激光束首先作用于粉末。除了损失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。另一部分通过粉末被基质吸收。除了直接吸收激光束能量，基质还吸收从粉末转移到基质的能量。因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近实际，仿真结果更有说服力。本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。同时，利用有限元分析软件
ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。高斯体热源加载基体吸收的能量，模拟送粉激光熔覆的温度场分布。在此基础上，模拟了多道次激光熔覆的温度场，研究了多道次激光熔覆的温度场。当屏蔽激光时， 1粉末到达基体前的温度为 粉末。它还吸收部分激光能量，从而提高其温度。事实上，粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量，而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。在空气中，粉末颗粒也因空气对流而耗散能量，并且颗粒也相互加热。这些能量在总能量中的比例非常小。目前，关于粉体颗粒温升的模型很少。此外，有必要在模型[5]中建立假设条件。为了便于计算，模型中假设: (1)气体-粉末射流中粉末颗粒的体积分数很低，并且受到激光反射、折射、颗粒离子间相互加热和束屏蔽等的影响。可以忽略。(2)粉末颗粒是半径为rP的球体。由于粉末颗粒足够小，它们被认为是能量计算中的一个点。颗粒的导热性是无限的，即粉末颗粒的温度被认为是均匀的，并且在光接收表面和背光表面之间没有差异。(3)粉末颗粒仅吸收光接收表面上的能量，但是外部辐射发生在整个球体的表面上。(4)粉末不吸收来自基质的光反射。基于上述假设，粉末颗粒的温升可以根据颗粒的能量方程来计算。这个方程是一个非线性方程。利用Matlab软件，采用迭代法求解方程。当激光功率P=2 kW时，方程的解在1500 ~ 1600k范围内，因此初始值被设置为t = 1500k，并且通过迭代发现方程的一个实根是t = 1570k。改变激光功率，获得了当
激光熔覆成形技术及其在汽车工业中的应用
激光熔覆成形技术的研究进展 1基本概念 激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。激光熔覆成形系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台四部分组成，其原理如图1 所示。由于该技术可以直接制造全密度金属零件，从20 世纪90 年代中期开始，就成为快速成形领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。激光熔覆成形技术在产生后的短短几年内获得了飞速发展，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)、直接光制造技术(Directed light fabrication, DLF)、直接金属沉积(Direct metal deposition, DMD)、堆积成形制造(Shape deposition manufacturing, SDM)，激光固结(Laser consolidation, LC)，激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM)，以及粉末预置方式的选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)和金属直接激光烧结(Direct laser sintering of metals ,DSM)等，这些技术的原理和加工方法基本相同，将它们统称为激光熔覆成形技术。 图1 激光熔覆成形原理示意图
激光增材制造金属零件过程中的热力学分析及热变形研究
激光增材制造金属零件过程中的热力学分析及热变形研究 激光增材制造技术是一种先进的制造技术,该技术整合了激光熔覆与快速原型的优点,不需要任何毛坯件预加工的前提下,能够实现复杂零件直接近净成形制造,并提供良好的加工质量,在高端装备研制与生产中具有广阔的应用前景。因此,本研究以激光增材制造及修复金属零件为背景,通过大量的成形实验及相应的数值模拟,仔细观察激光增材制造过程中产生的现象,深入研究其中的成形机理与影响规律,系统分析激光增材制造过程中温度场与应力场对成形件质量与微观组织的影响,主要研究内容如下:(1)对激光熔覆成形过程中热传导、激光能量传导和金属热变形等理论进行论述,分析激光熔覆成形原理。基于有限元理论与单元生死技术,通过选择合理的热源模型、粉末对激光吸收率与金属材料物理性能,设定热交换边界条件,建立同轴送粉激光熔覆过程有限元模型。(2)针对激光熔覆成形特定金属零件时需要采用不同金属粉末进行熔覆,分析不同材料进行激光熔覆时温度场与应力场的影响。通过ANSYS生死单元技术模拟不同材料激光熔覆过程温度场与应力场的分布与演化规律,分析不同材料对激光熔覆过程温度场与应力场的影响规律,规划合理的加工方案。(3)针对激光熔覆过程中出现的裂纹、重熔、毛边、塌陷等缺陷,提出通过改变加工方式的方法,减小熔覆过程中热应力对成形试样的影响。通过使用变功率加工与改变扫描路径的办法,减少激光熔覆过程热累积效应,降低成形试样温度梯度,进而减少加工过程中弹性热压缩变形与热收缩应力,提高成形试样质量。(4)针对激光熔覆模拟结果,进行实
体成形实验验证模拟结果的准确性。通过使用非接触式红外热像仪与X-射线衍射应力测试仪测量激光熔覆过程中熔池温度与成形后试样表面残余应力,验证模拟结果的准确性,并对成形件进行尺寸精度、表面平整度和基板翘曲度的测量,得出最优加工参数。通过腐蚀成形件观察试样内部组织与晶体结构,总结不同加工方式对成形试样微观结构的影响。
激光熔覆技术分析与展望讲解
激光熔覆技术分析与展望 作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化， 作者：张庆茂 激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、
激光熔覆_图文讲解
一、激光熔覆的原理 激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。 可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料 （AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。 在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具 有下述优点： （1 ）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能 亦更为优异。 （2 ）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的 成分与性能，节约昂贵的覆层材料。 （3 ）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。 （4 ）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。 由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。 激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，
尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材 料。 二、激光熔覆工艺方法 激光熔覆工艺方法有两种类型： 1、二步法（预置法） 该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括： （1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。但此法生产效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生产。 （2 ）预置片：将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片，置于工件需熔覆部位，再进行激光处理。此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此法处理能获得高质量涂层。 2、一步法（同步法） 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺， 它又有两种方/法。 同步送粉法：使用专用喷射送粉装置（见图）将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的熔覆层，容易 实现自动化。国外实际生产中采用较多。 同步送丝法：此法工艺原理虽与同步送粉法相同，但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料，更易保证熔覆层的成分均匀性，尤其是当熔覆层是复合材料时，不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量，且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。但是丝材表面光滑，对激光的反射较强，激光利用率相时较低；此外，线材制造过程较 复杂，且品种规格少。
激光熔覆优势和关键技术问题解析
高速激光熔覆优势和关键技术问题解析激光熔覆技术是利用激光的高能量密度熔化添加的金属合金粉末，并与微熔的基体表 面形成界面为冶金结合的涂层，从而显著提高零件的表面耐磨性、耐蚀性能和使用寿命的 增材制造技术。 高速激光熔覆技术是在激光熔覆基础上发展起来的一项新技术，是增材制造领域革命 性的突破，高速激光熔覆在我国刚刚起步，并得到了国家的高度重视，已经被列为我国“中 国制造2025”的重大战略规划发展方向之一。 高速激光熔覆的由来 高速激光熔覆由德国Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等人在 JOURNAL OF LASER APPLICATIONS期刊上发表了题为“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的论文，旨在通过高速激光熔覆替代传统镀硬铬和热喷涂工艺。 该技术在德国弗劳恩霍夫应用促进协会年度科学技术奖励大会中，荣获Fraunhofer科技 创新奖。 高速激光熔覆的优势 高速激光熔覆通过超高的激光扫描速度，获得比传统激光熔覆层更均匀的涂层厚度、 更平整表面质量、更低的稀释率、更高的沉积效率、更小的工件形变量，已经成为国内外 研究机构和企业重点关注的激光应用新领域。 久恒光电对下表列出了高速激光熔覆与传统激光熔覆的主要数据对比研究。
送粉器： 送粉器送粉速率的稳定性直接决定了高速激光熔覆层表面的平整度，目前国内所采用的刮板式送粉器，其精度有待改善。 2.粉末材料及激光与材料作用机理方面 国内外还缺乏对超高速激光熔覆专用粉末的系统研究，尤其是新型非晶和高熵合金粉末研制。诸多基础技术问题缺乏系统研究和深入探讨，如激光高速熔覆中专用材料的特性、激光能量分布特征、粉末束——激光束——基材间交互作用的基本规律、熔覆层宏观和微观质量控制技术、熔覆层温度场和质场分布机理等，导致熔覆层粉末利用率低、熔覆层的微观和宏观质量可控性差、熔覆层的性能无法满足复杂工况下的需求等致命问题，这在很大程度上限制了该新技术的应用效果。
激光熔覆技术的发展现状
激光熔覆技术的发展现状 激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出，并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。激光熔覆技术得到了迅速的发展，近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术，为激光熔覆技术又添了新的活力。 目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。 激光熔覆存在的问题 评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑。 一是宏观上，考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等；二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注意分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。 目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。 目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是： ①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，最高速度可达1012℃/s.由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度 ②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。 ③激光熔覆层的开裂敏感性， 仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍. 目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究，但控制方法方面还不成熟。 激光熔覆技术的应用和发展前景展望进入20世纪80年代以来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。目前激光熔覆技术已经取得一定的成果，正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面： （1）激光熔覆的基础理论研究。 （2）熔覆材料的设计与开发。 （3）激光熔覆设备的改进与研制。
激光熔覆技术在行业中的应用讲解资料讲解
激光熔覆技术在行业中的应用 1、涡轮动力设备修复和改造 在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备,例如:汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、高炉透平发电 TRT 、烟气轮机、发电机、往复式压缩机、飞机发动机、地面燃机、水轮机、制氧机、水泵、柴油机、工业透平、增速机等等。特别是 70年代末以来引进的大量进口涡轮转动设备(机组, 经过长周期各种工况条件下服役,因腐蚀、磨损和疲劳等因素,所有设备(机组均存在着使用中的损伤失效, 有的则处在报废或即将报废状态。而常规的技术和工艺方法不能, 也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备(机组,稍有失误将造成设备(机组失效和破坏, 从而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。 在钢铁冶金行业,涡轮转动设备 (机组是提供能源和动力的载体。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机(风机,单级、多级离心鼓风机、引风机、除尘风机、 H 型氧压机、氮压机、螺杆压缩机、自备电厂的各种型号汽轮机、高炉能量回收使用的单级、双级透平发电 TRT 机组、各种发电及电动机、大型水泵等涡轮动力设备。再制造工程技术为这些重大关键设备(机组提供了安全可靠,质量保障,性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用, 又使再制造工程技术得到发展。例如, 2007年11月份,天津大族烨峤激光公司应用再制造工程技术和激光熔覆仿形技术修复津西钢铁公司 AV40-12型轴流压缩机的动、静叶片; 2008年 3月份,修复津西钢铁公司2MPG4.5-175/145型高炉透平“一拖二” 式 TRT 机组的动、静叶片并进行两台机 组的拆装、调试和检测的全方位“交钥匙”工程。现在,经修复的两台机组已经投入生产服役,运行良好,平稳可靠。而且,采用激光熔覆仿形技术修复后的两台机组的所有动、静叶片都可比原设计制造的新叶片提高使用寿命 50-100%,仅此两台设备可为津西厂节省约 500多万元维修资金。
激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120296206 激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响 朱刚贤 张安峰 李涤尘 (西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,陕西西安710049) 摘要 为了获得平整的熔覆层表面质量,对316L 不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度、平宽比(表面平整度与单层熔覆宽度比值)及平高比(表面平整度与单层熔覆高度的比值)的影响进行了实验研究。分析了单层熔覆宽度、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系,并进行了单层熔覆宽度、单层熔覆高度及表面平整度的测试。实验结果表明,随激光功率增大、送粉量增大及扫描速度的减低,熔覆层表面的平整程度降低;随载气流量增大,熔覆层表面的平整程度先增加后降低。 关键词 激光技术;激光熔覆;成形质量;工艺参数;表面平整度 中图分类号 TN249;T G 39 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0296 Ef f ect of P r oces s P a r a met e rs on S u rf ace S m oot h nes s i n L as e r Cl a ddi n g Zhu Gangxian Zhang Anf eng Li Dichen (St a te Key L abor a tor y f or Ma n uf act u ri ng S yste ms Engi neeri ng ,Xi ′a n J i aotong U niversit y , Xi ′a n ,S ha a nxi 710049,Chi n a ) Abs t r act To obtain the smooth surface quality of cladding layer ,the effects of p rocess parameters on surface smoothness and the ratios of the width and height of cladding layer to surface smoothness were studied by experiments in laser cladding.The relationships of the height and width of cladding layer with center distance and overlapping ratio were analyzed ,and the height ,width and surface smoothness of cladding layer were tested.The experimental results indicate that the degree of surface smoothness decreases with the increase of laser power and powder mass flow rate and the reducing of t raverse speed ;the degree of surface smoothness firstly increased then decreased with the growth of carrier gas flow rates. Key wor ds laser technique ;laser cladding ;forming quality ;p rocess parameters ;surface smoothness 收稿日期:2009202209;收到修改稿日期:2009203227 基金项目:国家973计划(2007CB707704)、国家自然科学基金(50675171)和长江学者和创新团队发展计划 (PCSIR T0646)资助课题。 作者简介:朱刚贤(1980—),男,博士研究生,主要从事复杂构件的高能束控形控性制造方面的研究。E 2mail :gxzhu2005@https://www.360docs.net/doc/fd8066392.html, 导师简介:李涤尘(1964—),男,博士,教授,主要从事快速成形制造、生物制造和复合材料成形等方面的研究。E 2mail :dcli @https://www.360docs.net/doc/fd8066392.html, (通信联系人) 1 引 言 激光熔覆技术是利用高能激光束为热源,以预 置或同步供给方式在基材表面添加金属粉末(丝)使之具有优异的耐磨、耐蚀及耐热等性能的表面改性技术。在激光熔覆过程中,激光、粉末材料及基体间相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化2凝固冶金过程,这就导致熔覆层的成形质量很难得到准确控制。提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的 热点和追求的直接目标,而加工工艺参数(如激光功 率、扫描速度、送粉量及载气流量等)对熔覆层成形质量起决定性作用,在已有的研究中主要关注的是送粉量、激光功率、扫描速度、保护气流量等加工参数对熔覆层成形宽度、高度的影响规律,也有研究搭接率对表面成形质量的影响[1～7],而熔覆层的表面平整度作为衡量熔覆层成形质量的一个重要指标,目前尚缺乏系统的研究。本文在扫描路径一定的条
高速激光熔覆加工参数
高速激光熔覆相关技术参数介绍 高速激光熔覆是一种快速激光表面处理技术，主要涉及技术参数分为两个方面，一是激光熔覆过程中，设备的调试设置参数，称为加工参数；二是熔覆完成后，对熔覆效果质量的测评衡量参数，称为检测参数。 加工参数主要包括激光功率、光斑形状、光斑尺寸、加工距离、搭接率、熔覆速度、送粉方式、保护气气压共8项关键参数。 （1）激光功率，激光器单位时间内输出的能量。高速激光熔覆一般用KW级激光器，如ZKZM-2KW和ZKZM-4KW在市场上推广应用较多，可满足大部分的领域使用需求。 （2）光斑形状，常见的光斑形状分圆形和矩形两种，用户根据加工对象特点选择使用。 （3）光斑尺寸，光斑尺寸主要影响光功率密度，即单位面积的光能量大小，同等功率条件下，光斑尺寸越小，光功率密度越大，高功率密度光斑适宜熔覆高熔点的金属粉末。 （4）加工距离，指激光出光口距基体表面的距离。加工距离过远，金属粉末容易发散，粉末利用率低；加工距离近，激光熔覆头受激光辐射表面温度过高，严重造成粉末堵塞。 （5）搭接率，搭接率是影响熔覆层表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆层表面粗糙度降低。但搭接部分的均匀性很难得到保证。每道熔覆层之间相互搭接区域的深度与每道熔覆层正中的深度有所不同，从而影响了整个熔覆层。高速熔覆的搭接率高达70%-80%(普通熔覆的搭接率为30%-50%)。 （6）熔覆速度，熔覆线速度和熔覆面积速率均可表示熔覆速度大小。中科中美高速激光熔覆实测线速度为30m/min-100m/min，在熔覆厚度0.2-0.5mm时，熔覆效率每小时0.7-1.2平方米。 （7）送粉方式，高速激光熔覆送粉方式主要有环形送粉和中心送粉两种方式，中心送粉较环形送粉粉末利用率高，但设计难度较大，光束需呈环形围绕送粉管一周，目前市场上环形送粉应用较多。 （8）保护气气压，保护气压力大小加工时可调。保护气一般使用氮气或氩气，主要用于送粉以及在激光熔覆熔池周围形成保护区域，减少氧化。
激光熔覆技术
激光熔覆技术 激光熔覆技术简介 激光熔覆技术是指以不同的填 料方式在被涂覆基体表面上放置选 择的涂层材料，经激光辐照使之和 基体表面一薄层同时熔化，并快速 凝固后形成稀释度极低并与基体材 料成冶金结合的表面涂层，从而显 著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、 耐热、抗氧化及电器特性等的工 艺方法。 激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料。 应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器，主要包括碟片激光器，光纤激光器和二极管激光器。 激光熔覆技术的工艺特点 激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。 1、激光熔覆具有以下特点： （1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。 （2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控； （3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。 （4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金； （5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm， （6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； （7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；