激光沉積修復(fù)鋁合金鑄件研究

1、沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計論文沈陽航空航天大學(xué)激光沉積修復(fù)鋁合金鑄件研究學(xué) 院機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)機(jī)械電子工程班 級34060403學(xué) 號2013040604110學(xué) 生曾闖指導(dǎo)導(dǎo)師欽蘭云負(fù)責(zé)教師沈陽航空航天大學(xué)2016年6月摘要激光沉積修復(fù)技術(shù)是在激光熔覆和快速成形基礎(chǔ)上發(fā)展的。以損傷零件為基體，通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)修復(fù)零件，在零件性能可以被保證時，對待修復(fù)零件的力學(xué)性能及幾何性能進(jìn)行恢復(fù)，讓零件可以再次被使用。修復(fù)基材及沉積修復(fù)粉末均為ZL114A鋁合金，通過激光單道單層實(shí)驗(yàn)和激光單道多層實(shí)驗(yàn)來對比修復(fù)效果，最終確定較優(yōu)的工藝參數(shù)。選取較優(yōu)工藝參數(shù)來進(jìn)行激光沉積修復(fù)，先把待修

2、復(fù)試樣進(jìn)行規(guī)則化，而后在激光沉積修復(fù)系統(tǒng)里進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后制成金相試樣，便于進(jìn)行性能分析。激光單道單層實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)工藝參數(shù)分別是：激光功率2000W，掃描速度5mm/s，送粉率2g/min，載氣流量2.2L/min。激光多道單層實(shí)驗(yàn)較優(yōu)工藝參數(shù)分別是：激光功率2000W，掃描速度5mm/s，送粉率2g/min，掃描間距2mm，搭接率35%。分析ZL114A沉積修復(fù)過程中出現(xiàn)的氣孔缺陷、熔合不良等，尋找產(chǎn)生缺陷的原因。分析單道單層實(shí)驗(yàn)的熔寬熔高，研究不同工藝參數(shù)對熔寬熔高的影響。通過測試修復(fù)后試樣橫截面的微觀硬度，對比基材區(qū)、熱影響區(qū)及修復(fù)區(qū)的硬度值，研究修復(fù)對ZL114A硬度值的影響。關(guān)鍵詞：Z

3、L114A；激光沉積修復(fù)技術(shù)；工藝參數(shù)；性能分析1AbstractLaser cladding and rapid prototyping are the key technologies of laser deposition repair. Take the parts to be repaired as substrate then repair it by selecting opeimal process parameters as properties can be guaranteed. Components can be used again when their mechan

4、ical properties and geometrical properties. The substrate and the powder are both ZL114A aluminum alloy. The effect of repair was compared by single-track single-layer experiments and multi-track single-layer experiments, and ultimately the optimal process parameters were determind. The optimal proc

5、ess parameters were selected to repair the laser deposition, first and the samples to be repaired were normalized,which were repaired in the laser deposition system. Metallographic examination of the repaired specimens is made to test the mechanical properties and mechanical properties.The optimal t

6、echnological parameters of single-track single-layer are laser power 2000W, scanning speed 5mm/s, powder feed rate 20r/min, carrier gas flow rate 2.2L/min. The optimal technological parameters of multi-track single-layer are laser power 2000W, scanning speed 5mm/s, powder feed rate 2g/min, scanning

7、space 2mm, lap ratio 35%.To analyze the defects of blow hole defect and ill bording in the process of ZL114A deposition, the reasons for the defects were found out. The effects of different process parameters on the melting width of single-track single-layer experiments are analyzed. The micro hardn

8、ess of the cross section of the specimen was tested, and the effect of the repair on the hardness value of ZL114A was studied by comparing the hardness value of the substrate, the beat-affected zone and the repair zone.Keywords: ZL114A；Laser deposition technique Repair；Process parameters；Performance

9、 AnalysisIII目 錄1 緒論11.1 課題來源及研究11.1.1 鑄造鋁合金11.1.2 鋁合金鑄件缺陷31.2 激光沉積修復(fù)技術(shù)71.2.1 激光熔覆原理及分類71.2.2 激光熔覆工藝特點(diǎn)81.2.3 激光熔覆參數(shù)及工藝流程91.2.4 激光沉積修復(fù)技術(shù)主要特點(diǎn)91.3 鋁合金的其他修復(fù)工藝91.3.1 氬弧焊焊接鋁合金91.3.2 冷金屬過渡焊接技術(shù)101.4 激光沉積修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀101.4.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀101.4.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀101.5 研究內(nèi)容112 激光沉積修復(fù)設(shè)備和材料122.1 實(shí)驗(yàn)材料122.1.1 修復(fù)基材122.1.2 沉積修復(fù)粉末122.2

10、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備132.2.1 送粉系統(tǒng)132.2.2 激光器152.2.3 惰性氣體加工室152.2.4 數(shù)控工作臺162.2.5 控制系統(tǒng)162.2.6金相試樣制備及檢測設(shè)備172.2.7 工藝規(guī)劃183 ZL114A激光沉積修復(fù)實(shí)驗(yàn)213.1 單道單層實(shí)驗(yàn)213.1.1 參數(shù)選擇213.1.2 制作金相223.1.3 分析組織223.2 多道單層實(shí)驗(yàn)233.2.1 參數(shù)選擇233.2.2 制作金相243.2.3 分析組織243.3 氣孔與熔合不良243.4 分析熔寬熔高264 力學(xué)性能分析284.1 硬度測試284.2 XRD測成分295 結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝35附錄I36V1 緒論1.1

11、 課題來源及研究1.1.1 鑄造鋁合金鑄造鋁合金作為傳統(tǒng)金屬的材料，其具有如下多種特點(diǎn)：（1）密度小，（2）比強(qiáng)度高，（3）良好的抗腐蝕性和鑄造工藝性，（4）成型鑄造的方法多。在多個領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，例如航天航空領(lǐng)域的飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動機(jī)葉片、儀表、箱體、缸體等，在汽車和機(jī)械領(lǐng)域也有應(yīng)用,還可以使用在裝飾裝修方面。工業(yè)現(xiàn)在的迅速發(fā)展，鑄件的性能要求越來越高，特別是可靠性和綜合性能，鑄造鋁合金的應(yīng)用受限制是因?yàn)閺?qiáng)韌性差的緣故。鑄造鋁合金發(fā)展勢頭良好，因?yàn)榫哂幸韵绿匦裕海?）組織各向同性，（2）價格低，（3）可以獲得特殊組織，（4）可以造出外觀復(fù)雜的零件，（5）生產(chǎn)規(guī)?？纱罂尚〉?。它是未來鋁合金發(fā)展的

12、一個方向。與鑄鐵比, 鑄鋁的熔煉質(zhì)量較多的問題, 較難控制熔煉操作工序,鑄造工藝與凝固規(guī)律都較復(fù)雜, 故產(chǎn)生鑄件缺陷的可能性會增大、廢品率也較高 ,生產(chǎn)成本相應(yīng)變高 。鑄造鋁合金主要可以分成四類，每一類都有自己的特點(diǎn)，這四類分別是：Al-Si合金系、Al-Cu合金系、Al-Mg合金系、Al-Zn合金系。各合金系的性能、成分含量、應(yīng)用如表1.1所示：表1.1 各鋁合金系性能及成分合金系牌號成分含量性能應(yīng)用Al-SiZL1XXSi:4%22%鑄造性能優(yōu)良，變質(zhì)、熱處理后能提高力學(xué)性能、耐腐蝕性、物理性能，可切削加工性中等。品種最多，用途最廣。Al-CuZL2XXCu:3%11%其他元素加入后大幅度

13、提高室溫和高溫力學(xué)性能，強(qiáng)度最大的鑄造合金之一，室溫力學(xué)性能較差，鑄造性能和耐腐蝕性較差，可切削加工性、焊接性良好。航空產(chǎn)品，做可承受大載荷的結(jié)構(gòu)件、耐熱零件Al-MgZL3XXMg:4%11%密度小，耐腐蝕性優(yōu)異,力學(xué)性能優(yōu)良,可切削加工性良好,加工表面平整美觀。耐腐蝕合金,裝飾用合金。Al-ZnZL4XXZn:>10%當(dāng)Zn>10%時能提高合金強(qiáng)度，密度大，耐腐蝕性差，易產(chǎn)生熱裂，自然實(shí)效傾向。壓鑄儀表殼體類零件。ZL114A合金屬于Al-Si系合金，在ZL101A鋁合金上增加Mg的含量得到的，屬于Al-Si-Mg系三元合金，加入Mg使該合金的強(qiáng)度提高。ZL114A的強(qiáng)度高，其

14、韌性、流動性、抗熱裂性、氣密性、致密性都良好，還具有可焊性等。能鑄造形狀復(fù)雜、承載能力要求大的高強(qiáng)度鑄件，適用于各種鑄造方法鑄造。在航天領(lǐng)域，大多數(shù)大型復(fù)雜的殼體零件整體鑄件都使用ZL114A，這與導(dǎo)彈武器、運(yùn)載發(fā)展方向有關(guān)，追求質(zhì)量輕、成本低、速度快，這類零件有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，較大的尺寸，還存在壁厚不均。對于較大尺寸、有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、壁厚度差值較大的零件，要求保證鑄件整體性能一致性、穩(wěn)定性非常困難。根據(jù)零件的不同使用要求，對力學(xué)性能要求也不同，評價力學(xué)性能的參數(shù)有抗拉強(qiáng)度b、屈服強(qiáng)度0.2、伸長率5。承力結(jié)構(gòu)件對屈服強(qiáng)度0.2和抗拉強(qiáng)度b有較高的要求，某些功能零件對伸長率5有較高要求。對伸長率影響的

15、因素有：變質(zhì)、熔體細(xì)化、冷卻條件，伸長率的范圍控制嚴(yán)格，過低影響承載力，過高影響最終爆破性能。對ZL114A進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，研究不同因素對其的影響。為整體鑄件的整體力學(xué)性能提供工藝規(guī)范，保證其一致性、可靠性、穩(wěn)定性。促進(jìn)ZL114A更廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，為武器的快速、更優(yōu)發(fā)展方向打下基礎(chǔ)。研究ZL114A合金中加入不同含量的元素，影響合金力學(xué)性能總結(jié)如下：（1）合金中Si含量增加較多時，會較大程度提高鑄件的抗拉強(qiáng)度b和屈服強(qiáng)度0.2，但會大大降低伸長率5；（2）合金中增加少量Mg元素，抗拉強(qiáng)度b不會受到多大影響，但屈服強(qiáng)度0.2、硬度能夠明顯提高，伸長率5會被降低；（3）合金中添加微量C

16、u元素，抗拉強(qiáng)度b及伸長率5不會受到多少影響，但屈服強(qiáng)度0.2得到提高；（4）合金中Mn可以阻止再結(jié)晶粗大化，細(xì)化晶粒，故能提高合金強(qiáng)度，還能提高再結(jié)晶溫度，Mn加入量過大時易在冷凝過程中產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，關(guān)鍵在于合理加入Mn的量；（5）合金中Zn能提高合金的塑性，同時Cu的溶解度得到提高，Cu的溶解速率也增大，當(dāng)Zn含量為1%時能夠全部固溶在鋁基體里，形成看不見的金相組織；（6）合金中Ti能細(xì)化晶粒，能夠使合金強(qiáng)度、抗疲勞性、韌性都有所提高；（7）合金中Ni與Al形成NiAl3相，耐熱性、尺寸穩(wěn)定性都被提高；（8）合金中稀土元素加入微量時，合金流動性、氣密性、高溫強(qiáng)度都能被提高，氣孔率、常溫力學(xué)

17、性能、延伸率都會降低。Al-Si二元相圖如圖1.1所示，Al-Si共晶點(diǎn)為12.5%Si。圖1.1 Al-Si二元相圖ZL114A的化學(xué)成分如表1.2所示：表1.2ZL114A 鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)SiMgFeTiMnAl7.20.540.110.12<0.1余量1.1.2 鋁合金鑄件缺陷鋁合金缺陷可以分為鑄造缺陷和修復(fù)缺陷，其中鑄造缺陷主要有針孔缺陷、氣孔缺陷、縮孔和縮松缺陷、氧化夾渣、熱裂紋。修復(fù)缺陷主要是軟化、氣孔、熔合不良，由于鋁合金有良好的導(dǎo)熱性，故在修復(fù)過程中大量的熱量產(chǎn)生使鋁合金被軟化，致使鋁合金脆性和韌性降低。1. 針孔缺陷針孔在不同觀察方式下會有不同的結(jié)果，

18、用低倍鏡觀察試片，看到小孔眼沒有相互連接在一起；用X光照射底片，可以看到小黑點(diǎn),并且還存在小黑點(diǎn)相互重疊；直接觀察斷面，得到乳白色小凹點(diǎn)，相互之間不連接。針孔在鑄件上分布不規(guī)則，針孔缺陷嚴(yán)重的有鑄件斷面厚大處、冷卻較慢區(qū)域。對針孔形成的兩個主要因素：精煉溫度和作用時間，精煉時間太短和精煉溫度過低都會容易使鑄件在斷面上留下針孔,進(jìn)一步發(fā)展為針孔缺陷。針孔產(chǎn)生的預(yù)防措施：（1）從材料入手，禁止使用已經(jīng)被污染、沾染有機(jī)物、受氧化腐蝕嚴(yán)重的鑄造鋁合金材料；（2）從熔煉工藝入手，多次除氣精煉；（3）從金屬型涂料厚度入手，涂料厚度不能過厚；（4）從溫度入手，不能讓模具溫度太高，對鑄件厚壁部位及時激冷，可以

19、在該處鑲銅塊、澆水等；（5）從水分入手，嚴(yán)格控制水分進(jìn)行砂型鑄造，盡量選用干芯的。2. 氣孔缺陷按照氣孔形成原因、過程能分成五類：（1）侵入氣孔、（2）析出氣孔、（3）裹攜氣孔、（4）外生式反應(yīng)氣孔、（5）內(nèi)生式反應(yīng)氣孔30。鑄造鋁合金中常見氣孔缺陷為前三種。侵入氣體形成的氣孔一般分布在鑄件的表層。氣孔在鑄件不同部位的分布有所不同，薄壁處的大氣孔通常形狀不規(guī)則，壁內(nèi)氣孔通常為圓形或橢圓形，皮下氣孔多數(shù)情況下觀察到梨形。氣孔通過X光照射在底片上呈黑色。氣孔對鋁合金主要影響如下20：（1）鑄造性能方面：隨著氫含量增加，鋁合金鑄錠中形成氣孔、疏松、小尾巴、小白點(diǎn)等缺陷的傾向增加，導(dǎo)致鑄件的致密性降低

20、。（2）壓力加工方面：在半成品中會出現(xiàn)由氣孔引起的分層缺陷和第二類氫脆現(xiàn)象，使合金在鍛造和軋制時脆性增大。（3）機(jī)械性能方面：隨著氫含量增加，伴有大量氣孔產(chǎn)生，氣孔破壞了金屬的連續(xù)性，減少鑄件的有效承載截面積，氣孔附近容易有應(yīng)力集中，嚴(yán)重把鑄件的機(jī)械性能降低。（4）在熱處理性能方面：鑄件中以過飽和狀態(tài)和化合狀態(tài)存在的氣孔是促使鑄徒在均勻化過程中產(chǎn)生二次疏松和表面起泡的重要原因。裹攜氣孔是在澆注時澆注系統(tǒng)中金屬液流裹攜了氣泡，或在型腔內(nèi)的金屬液在紊流狀態(tài)時將氣體卷入形成氣泡30。析出氣孔是氫以原子態(tài)溶解于液態(tài)鋁合金中，在液態(tài)合金凝固時變成分子態(tài)氣相析出，從而形成氣泡，產(chǎn)生的氣孔30。氣孔產(chǎn)生的預(yù)

21、防措施：（1）設(shè)置澆冒口系統(tǒng)合理，在澆注過程中液流平穩(wěn)，避免卷入氣體；（2）對鑄件的模具及型芯進(jìn)行預(yù)熱，后上涂料，涂料后必須要烘透才能使用；（3）設(shè)計模具和型芯時對排氣措施要考慮完整。3. 縮孔和縮松缺陷縮孔為液態(tài)鋁合金在凝固收縮的過程中不能得到金屬液補(bǔ)充所形成的空洞,縮松是微觀的縮孔,兩者的形成機(jī)理基本上相同10。液態(tài)鋁合金凝固由外層至里層逐層進(jìn)行的，金屬收縮隨凝固同步進(jìn)行，大氣壓作用隨結(jié)殼厚度增加而減小，當(dāng)大氣壓大于鑄件內(nèi)部壓力時，鑄件內(nèi)部成為真空，縮孔、縮松在該條件下形成?？s孔的孔壁表面不光滑，形狀不太規(guī)則，縮孔經(jīng)常出現(xiàn)在熱節(jié)處、最后凝固的鑄件位置。鑄件中縮松彌散分布于截面，顯微鏡中看到

22、孔壁粗糙，存在的形式是大量細(xì)微的孔洞。鑄件上晶粒比較粗大、組織不致密的區(qū)域容易有縮松, 例如內(nèi)澆注口旁 、冒口根部、尺寸厚大位置、薄厚壁轉(zhuǎn)接區(qū)等。存在縮松的斷口通常為灰白色或淺黃色。外縮孔存在鑄件表面，表現(xiàn)為凹陷露出；內(nèi)縮孔存在鑄件內(nèi)部，以空穴形式表現(xiàn)，空穴表面粗糙，晶粒也很大。產(chǎn)生疏松的預(yù)防措施：（1）從冒口設(shè)置來說，保證凝固的同時還要保證補(bǔ)縮能力；（2）從溫度入手，適當(dāng)降低澆注鋁合金液體的溫度和金屬型模具工作溫度；（3）從涂層厚度來說，在厚壁減薄涂層；（4）從冷卻速度入手，對不同部位設(shè)置不同冷卻速度，壁越厚需要激冷能力越強(qiáng)，冷卻速度越大。4. 裂紋缺陷鑄件的裂紋通常分成冷裂紋與熱裂紋，冷裂

23、紋在常溫時產(chǎn)生，熱裂紋在高溫時產(chǎn)生。當(dāng)液態(tài)合金凝固過程已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)固相區(qū)后，枝晶會相互接觸、收縮和穿插，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)固相之間的內(nèi)應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度后，會有熱裂紋產(chǎn)生。熱裂紋又稱晶界裂紋，因?yàn)榱鸭y沿著晶界，形狀也不規(guī)則，斷口因?yàn)楸谎趸兂闪税祷疑?。合金熱裂紋傾向大小由合金性質(zhì)決定，這些性質(zhì)分別是：高溫力學(xué)性能、收縮大小、流動性能等。常溫條件下，當(dāng)鑄造應(yīng)力大于合金抗拉強(qiáng)度時，會有冷裂紋產(chǎn)生，其斷口有金屬光澤，鑄件中，應(yīng)力集中處形成冷裂紋的幾率非常大。冷裂紋是由鑄件形狀形變而產(chǎn)生的，一般很少見。產(chǎn)生熱裂紋的預(yù)防措施：（1）從內(nèi)應(yīng)力入手，避免局部熱量過大出現(xiàn)在澆注系統(tǒng)，從而把內(nèi)應(yīng)力減小；（2）從模

24、具入手，最少保證2°的型芯與模具斜度，凝固后在澆冒口才能進(jìn)行抽芯開模，將金屬型芯用砂芯代替可能會得到更好的效果；（3）從涂料厚度入手，用涂料薄厚控制冷卻速度，讓鑄件的每個部位冷卻一致；（4）從模型溫度入手，針對鑄件厚度不同選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蜏囟?；?）從合金組織來說，細(xì)化晶粒能夠把抗熱裂能力提高；（6）從鑄件結(jié)構(gòu)入手，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以減少熱裂傾向，因?yàn)榧饨呛捅诤裢蛔兛梢员幌?5. 氧化夾渣氣體與金屬或熔體合金發(fā)生氧化反應(yīng)形成的氧化雜物，決定于金屬與氧氣親和力，還和金屬或合金的成分、壓力、溫度有關(guān)。氧氣使鋁發(fā)生氧化反應(yīng)：Al與O2是否發(fā)生氧化反應(yīng)，由熔體時Al2O3的分解壓、爐氣中氧氣分解

25、壓大小共同決定，若Al2O3的分解壓<O2分解壓，氧化反應(yīng)可以進(jìn)行；若Al2O3的分解壓>O2分解壓，氧化反應(yīng)不能進(jìn)行。夾雜范圍更大，夾渣一般屬于夾雜，鑄造工藝中以夾渣存在有氧化物、硫化物、氮化物、硅酸鹽、溶劑等。MgO、Al2O3、SiO2、FeO、ZnO、TiO2等為常見氧化物夾雜；Ni3S2、Cu2S、CeS等為常見硫化物夾雜； AlN、ZrN、TiN等為常見氮化物夾雜；NaCl、MgCl2、KCl等為常見氯化物夾雜；NaF、CaF2等為常見氟化物夾雜；硅酸鹽有Al2O3·SiO2等。夾雜主要有三個來源：（1）從原材料帶入；（2）熔煉時形成；（3）工藝執(zhí)行不嚴(yán)形成。

26、氧化夾雜常為疲勞裂紋源。氧化夾渣的預(yù)防措施：（1）從熔煉工藝入手，對工藝執(zhí)行嚴(yán)格，熔煉速度快可以把氧化減少，除去夾渣要徹底；（2）在覆蓋劑下熔煉Al-Mg合金；（3）從熔爐、工具入手，兩者保持清潔且需要預(yù)熱，禁止氧化物污染，涂料使用后經(jīng)過烘干才能使用；（4）從澆注系統(tǒng)設(shè)計入手，設(shè)計時必須考慮穩(wěn)流、撇渣、緩沖能力，傾斜澆注系統(tǒng)的可以穩(wěn)流，避免二次氧化發(fā)生；（6）從涂料入手，選擇粘附力強(qiáng)的涂料，在澆注過程中粘附易剝落的東西不至于落入鑄件中成為夾渣。6. 軟化鋁合金的容易傳遞熱量，線性膨脹系數(shù)大，輸入熱量過大時容易發(fā)生翹曲變形，比如焊接過程。鋁合金焊接后又將其進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,近縫區(qū)強(qiáng)度存在大大削弱現(xiàn)

27、象。鋁合金在補(bǔ)焊時，熱裂紋等缺陷最容易出現(xiàn)。軟化可分為兩大類：（1）熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭軟化、（2）非熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭軟化。受焊接高溫影響，在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的性能、組織改變的軟化現(xiàn)象，稱之熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭軟化。由于熱影響區(qū)晶粒粗大、焊接接頭局部冷做硬化效果消失的現(xiàn)象稱之非熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭軟化13。改善措施有兩個方面：（1）從冶金學(xué)角度來說，改變焊絲成分，采用模擬焊接熱法，對熱處理方法研究，提高接頭強(qiáng)度，對接頭區(qū)的組織、性能都改善；（2）從力學(xué)角度來說，采用多種強(qiáng)化方法對接頭性能改善，例如隨焊碾壓強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、錘擊強(qiáng)化、溫差拉伸、擠壓強(qiáng)化、局部補(bǔ)強(qiáng)等。深冷處理是一種很好改善多種材

28、料軟化的方法，適用的材料可以是高鋼鐵金屬，也可以是非鐵金屬或復(fù)合材料，對力學(xué)性能、使用壽命、均勻性都有所改善，對尺寸穩(wěn)定、變形減小也有效果，這種方法還有操作簡便、保留工件完整、沒有污染、低成本的優(yōu)點(diǎn)?？梢試L試用該種方法來改善軟化后的鋁合金的性能。1.2 激光沉積修復(fù)技術(shù)1.2.1 激光熔覆原理及分類激光沉積修復(fù)技術(shù)包括激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)，基體為待修復(fù)損傷零件，控制激光束、送粉噴嘴、工作臺在空間上按照確定的軌跡運(yùn)動，把粉末堆積在待修復(fù)區(qū)，最終可得到近似缺陷部位的三維實(shí)體。在保證零件自身性能的前提下，對其幾何性能、力學(xué)性能進(jìn)行恢復(fù)，讓該零件再次被使用。激光沉積修復(fù)系統(tǒng)組成如圖1.1所示。試

29、件離化蒸發(fā)量與吸收激光的能量密度之間有如下關(guān)系:圖 1.1 激光沉積修復(fù)系統(tǒng)組成（1.1）注：dt束斑面積內(nèi)蒸發(fā)厚度;材料反射系數(shù);激光脈沖持續(xù)時間;I入射激光束能量密度;IO 激光束蒸發(fā)的閾值能量密度;試件體密度;H試件汽化潛熱。（1）激光熔覆原理根據(jù)不同添加材料方式，把激光熔覆工藝分為同步送料法和預(yù)置涂層法。在基材表面以某種方式預(yù)制一層金屬或合金，用激光熔化涂層得到熔覆層，能與基體材料冶金結(jié)合，稱預(yù)置涂層法；在熔池內(nèi)，用激光束照射基材，并將待熔化材料熔融、冷卻形成熔覆層，該工藝過程稱同步送料法。通常用金屬、陶瓷，或金屬陶瓷等作為激光熔覆材料，材料形狀有絲材、粉末、板材。（2）激光熔覆技術(shù)分

30、類常用激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和YAG激光器，CO2激光器輸出功率為110 kW，YAG激光器輸出功率500W左右。CO2激光器使用的是連續(xù)激光熔覆技術(shù)，YAG激光器使用的是脈沖激光熔覆技術(shù)。有色合金表面改性常用脈沖激光熔覆技術(shù)，鋁合金激光熔覆常用連續(xù)激光熔覆技術(shù)。YAG激光器激光的波長為106m，CO2激光器的波長比YAG激光大1個數(shù)量級，CO2激光器照射鋁合金容易使其變形，甚至塌陷，因此，鋁合金更適合用YAG激光器熔覆。1.2.2 激光熔覆工藝特點(diǎn)(1)極快的冷卻速度，最高達(dá)到106 K/s，凝固過程太快得到晶粒組織較細(xì)，或得到非平衡態(tài)的新相，例如非晶態(tài)、非穩(wěn)相等。(2) 高能量

31、密度的激光束，在基材上作用時間短，能夠?qū)嶙冃魏蜔嵊绊憛^(qū)降到最小。(3)熔覆層組織細(xì)密，結(jié)合強(qiáng)度高，缺陷少，性能優(yōu)。(4)可以精確控制熔覆層位置和尺寸。(5)改善勞動條件，噪音低，無輻射，不污染環(huán)境。(6)熔覆層稀釋率一般小于5%，與基體有兩種結(jié)合方式，分別是：牢固冶金結(jié)合、界面擴(kuò)散結(jié)合。調(diào)整激光工藝參數(shù)，得到的良好涂層低稀釋率，對稀釋度熔覆成分可以控制(7)輸入熱量少，畸變小。(8)選擇粉末無限制，尤其是將高熔點(diǎn)合金熔覆在低熔點(diǎn)金屬表面。1.2.3 激光熔覆參數(shù)及工藝流程1. 激光熔覆工藝參數(shù)（1）激光功率P；（2）光斑面積D；（3）熔覆速度V。ES為比能量，三者的關(guān)系如下：（1.2）黃衛(wèi)東

32、編寫的激光立體成形技術(shù)一書中指出，激光熔覆參數(shù)為：（1）光斑大小，（2）激光功率，（3）掃描速度。激光功率選擇時滿足：第n層<第n-1層<<第3層<第2層<第1層。2. 激光熔覆工藝簡易流程損傷區(qū)域裂紋排除和清洗微弧火花沉積激光熔覆表面機(jī)械修整 X 射線/滲透檢查超聲沖擊。1.2.4 激光成形修復(fù)技術(shù)主要特點(diǎn)（1）可以控制激光束方向進(jìn)行選區(qū)加工，修復(fù)損傷零件的任何位置；（2）可以控制激光束能量在修復(fù)過程中的熱輸入大小，修復(fù)后零件熱變形小，熱影響區(qū)小，殘余應(yīng)力低；（3）修復(fù)區(qū)致密冶金結(jié)合在零件本體上，修復(fù)體出現(xiàn)脫落、剝離的概率低；（4）通常，在力學(xué)性能上修復(fù)區(qū)略優(yōu)于

33、零件本體；（5）修復(fù)區(qū)形狀近似于零件缺損的形狀，修復(fù)后表面質(zhì)量好，再次使用零件僅需少量處理；（6）計算機(jī)控制整個修復(fù)過程，修復(fù)的零件具有可靠性高、重復(fù)性好的特點(diǎn)。1.3 鋁合金的其他修復(fù)工藝1.3.1 氬弧焊焊接鋁合金氬弧焊的熱影響區(qū)可以分為三個區(qū)域，分別是：（1）半熔化區(qū)，該區(qū)域容易產(chǎn)生過燒；（2）不均勻固熔體區(qū)，該區(qū)域存在的粗晶粒由固熔體局部分解；（3）軟化退火區(qū)，該區(qū)域存在過時效。1.3.2 冷金屬過渡焊接技術(shù) 以CMT焊接技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)極性變換，依靠負(fù)極性階段高的焊絲熔化效率，進(jìn)一步降低熱輸入，具有直流、交流、直流與脈沖混合、交流與脈沖混合等多種工作模式，進(jìn)一步拓展焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍

34、。主要技術(shù)特征：（1）采用推拉送絲方式代替連續(xù)送絲方式。（2）焊接周期中某階段焊接電弧熄滅。CMT工藝改善鋁合金接頭性能有：改善焊縫組織，減少熱影響區(qū)軟化。1.4 激光沉積修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展如下：西北工業(yè)大學(xué)對激光快速成型技術(shù)研究，主要對鈦合金、鋁合金、高溫合金等進(jìn)行激光修復(fù)工藝研究，黃衛(wèi)東對TC4鈦合金進(jìn)行修復(fù)，獲得優(yōu)良的工藝參數(shù)，在航空鑄件修復(fù)領(lǐng)域已經(jīng)使用該技術(shù)；華中科技大學(xué)對有表面裂紋的發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)采用雙激光束，修復(fù)后對修復(fù)區(qū)組織及相結(jié)構(gòu)研究；中科院、北航、天津工業(yè)大學(xué)、北京有色金屬研究所等也進(jìn)行研究過。薛蕾等對ZL104鋁合金進(jìn)行激光成

35、形修復(fù)，并對其組織和性能分析研究。各大高校和科研機(jī)構(gòu)合作研究，激光沉積制造/修復(fù)技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟，在軍工、航空航天、汽車等領(lǐng)域得到大力推廣、應(yīng)用。1.4.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀歐盟實(shí)施了AWFORS研究計劃，專門對高價值的零件進(jìn)行激光修復(fù)，包括鈦合金葉片盤、單晶鎳基合金渦輪葉片等。英國Rolls-Royc公司將激光熔覆技術(shù)用在修復(fù)發(fā)動機(jī)零件，已經(jīng)申請該項(xiàng)專利。General Electric公司申請了激光沉積修復(fù)專利，因?yàn)槠湫迯?fù)了高壓渦輪工作葉片的葉冠，該葉片由鎳基合金制造，含有相的體積分?jǐn)?shù)高。美國GE公司在1983年修復(fù)發(fā)動機(jī)葉片時應(yīng)用了激光熔覆修復(fù)技術(shù)。美國Aero Met公司檢修F-15戰(zhàn)斗機(jī)

36、的鈦合金機(jī)翼梁，已經(jīng)將周期縮短為一周，源于激光立體成形技術(shù)應(yīng)用帶來的效率。瑞士洛桑理工學(xué)院對單晶葉片修復(fù)研究，材料為高溫合金，也應(yīng)用了激光沉積修復(fù)技術(shù)。國外應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)多在發(fā)動機(jī)渦輪葉片的修復(fù)上。1.5 研究內(nèi)容研究題目：激光沉積修復(fù)鋁合金鑄件研究進(jìn)度安排：（1）查閱相關(guān)資料，了解激光沉積修復(fù)技術(shù)原理和鑄鋁ZL114A鑄造缺陷特點(diǎn)；（2）熟悉激光沉積設(shè)備和操作，熟悉ZL114A材料，選擇沉積修復(fù)的粉末材料；（3）設(shè)計激光修復(fù)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行初步試驗(yàn)；（4）激光沉積修復(fù)試驗(yàn)，性能的測試； 2 激光沉積修復(fù)設(shè)備和材料 2.1 實(shí)驗(yàn)材料2.1.1 修復(fù)基材本次實(shí)驗(yàn)選用的基材是ZL114A，ZL114

37、A的牌號是ZAlSi7Mg1A，它的機(jī)械特性如表2.1及表2.2所示：表2.1 T5狀態(tài)ZL114A的機(jī)械特性鑄造方法熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度b/MPa伸長率5/MPa硬度HBSSBT5290285J、JB310390表2.2 T6狀態(tài)ZL114A的機(jī)械特性鑄造方法熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度b/MPa屈服強(qiáng)度0.2/MPa伸長率5/MPa抗拉屈服強(qiáng)度-0.2/MPa硬度HBS抗剪切強(qiáng)度b/MPa旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度-1/MPaST63152503.02408528585J34527510.027585295110對應(yīng)符號解釋如表2.3及表2.4所示：表2.3 狀態(tài)代號代號狀態(tài)代號狀態(tài)B變質(zhì)處理T5淬火加不完全人

38、工實(shí)效F鑄態(tài)T6淬火加完全人工實(shí)效T1鑄態(tài)加人工實(shí)效T7淬火加穩(wěn)定化處理T2退火T8淬火加軟化處理T4淬火加自然實(shí)效T9冷熱循環(huán)處理表2.4鑄造方法代號代號SJRKY鑄造方法砂型鑄造金型鑄造熔模鑄造殼型鑄造壓力鑄造注：后面加A表示優(yōu)質(zhì)合金。2.1.2 沉積修復(fù)粉末沉積實(shí)驗(yàn)粉末為ZL114A，其成分如表2.5所示。表2.5ZL114A的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)SiMgFeTiMnAl7.20.540.110.12<0.1余量2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備激光沉積修復(fù)系統(tǒng)由CO2激光器及其光路傳輸系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、惰性氣體加工室、數(shù)控工作臺、工藝規(guī)劃、控制系統(tǒng)，共六個模塊，系統(tǒng)整體布局如圖2.1所示。圖2.

39、1 激光沉積修復(fù)系統(tǒng)2.2.1 送粉系統(tǒng)送粉器、噴嘴、粉末傳輸管道共同構(gòu)成送粉系統(tǒng)。評價送粉系統(tǒng)性能分別是：成型精度、性能。影響送粉率的因素可分為粉末器自身因素、粉末因素兩類。自身因素主要有送粉原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)。粉末因素主要有粉末顆粒大小、密度、顆粒形狀、含水量等。影響送粉率的具體因素如表2.6所示：表2.6 影響送粉率的因素粉末器因素粉末因素送粉原理機(jī)械結(jié)構(gòu)綜合指標(biāo)是氣體流動性顆粒大小密度顆粒形狀含水量氣動送粉機(jī)械送粉重力送粉對氣體流動性要求較高、均勻性差、粉末利用率較低均勻性好、粉末利用率較低均勻性好、粉末利用率高1、 球形粉末比形狀不規(guī)則顆粒的流動性好；2、 不太細(xì)小的顆粒在低含水量時具有

40、良好流動性；3、 太小的顆粒易團(tuán)聚，故流動性差。不同送粉器特性比較如表2.7所示：表2.7 不同送粉器的特性類型原理粉末濕度粉末顆粒大小/m最小送粉率/g·min-1粉末輸送率粉末混合傳送刮吸式氣體動力學(xué)干粉>201不可控能螺旋式機(jī)械力學(xué)干、濕均可>1510可控不能轉(zhuǎn)盤刮板式機(jī)械力學(xué)干粉>201可控能毛細(xì)管重力干粉>0.41不可控能消磨式氣體動力學(xué)、機(jī)械力學(xué)干、濕均可>1.25不可控能轉(zhuǎn)刷式摩擦力學(xué)干粉>0.651可控能常用噴嘴分別是側(cè)向噴嘴、同軸噴嘴。側(cè)向噴嘴可以提高粉末利用率；同軸噴嘴可以完成復(fù)雜零件的成形。同軸送粉器未來向著微量化、超細(xì)化、多

41、功能化三個方向發(fā)展。使用氣載式送粉時，粉末和氣體混合在噴嘴內(nèi)運(yùn)動，氣體將粉末送至送粉通道內(nèi)，后經(jīng)通道壁約束，將粉末噴出，落入激光照射的熔池里。送粉性能的優(yōu)劣主要取決于送粉噴嘴結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)的選擇。用四個主要標(biāo)準(zhǔn)來評價送粉噴嘴性能，分別是：（1）粉末匯聚性、（2）粉末利用率、（3）粒子流束穩(wěn)定性、（4）修復(fù)件質(zhì)量16。刮吸式送粉器結(jié)構(gòu)如圖2.2所示：圖2.2 刮吸式送粉器送粉系統(tǒng)如圖2.3所示：圖2.3 送粉系統(tǒng)2.2.2 激光器YAG激光器、CO2激光器、光纖激光器是用得最多的激光器。YAG激光器有以下特點(diǎn)：成形精度高，成形速度慢，堆積速率一般不超過5in3/h。比起YAG激光器，CO2激光器

42、有以下特點(diǎn)：高功率、光束模式好、激光波長長、能量利用率低。CO2激光照射金屬材料，溫度越高，其吸收率越高，液體金屬更容易吸收激光能量，有時吸收率甚至超出50%，在形成穩(wěn)定熔池時會輸入過多能量，過剩的能量會在零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，甚至造成零件開裂、破壞。本實(shí)驗(yàn)選擇激光器為CO2激光器，最大輸出功率6KW，選擇惰性氣體為氬氣。選擇工藝參數(shù)主要有激光功率、掃描速度、送粉率。多道單層時還需考慮搭接率。2.2.3 惰性氣體加工室激光沉積修復(fù)/制造系統(tǒng)中的環(huán)境控制非常重要，主要控制方法有惰性氣體保護(hù)和真空保護(hù)。惰性氣體保護(hù)分為兩類，分別是：局部惰性氣體保護(hù)、整體惰性氣體保護(hù)。本實(shí)驗(yàn)選取的是整體惰性氣

43、體保護(hù)，通過凈化系統(tǒng)能夠?qū)⑺?、氧凈化達(dá)到50PPM以下。惰性氣體加工室中的保護(hù)氣體為氬氣，裝置如圖2.4所示：圖2.4 惰性氣體加工室2.2.4 數(shù)控工作臺數(shù)控系統(tǒng)，除了控制系統(tǒng)速度、精度外要求外，主要參數(shù)為數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)數(shù)。理論上只需要三軸，實(shí)際生產(chǎn)中加工復(fù)雜零件至少需要五軸（X、Y、Z、轉(zhuǎn)動、擺動）數(shù)控工作臺如圖2.5所示：圖2.5 數(shù)控工作臺2.2.5 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)如圖2.6所示：圖2.6控制系統(tǒng)：（a）控制界面；（b）軌跡界面；（c）工作時2.2.6 金相試樣制備及檢測設(shè)備件先由線切割設(shè)備切好，而后進(jìn)行鑲件，把需要觀察金相組織的面放朝下，放三勺鑲件粉，在把鐵塊放在鑲件粉上，擰緊上蓋，

44、打開電源，加壓加熱，逐漸讓溫度上升到130，溫度上升過程中逐步加壓。等待5分鐘后，關(guān)閉電源，取出件，得到的件可進(jìn)行磨光。磨光使用的砂紙型號分別有240、400、600、800、1000、1500、2000、2500、3000，最初選用的砂紙為240，砂紙顆粒粗糙，把件進(jìn)行一個方向打磨，直到所有的刮痕朝著同一個方向可止。接下來逐次選用較大型號的砂紙，換垂直當(dāng)前刮痕的方向進(jìn)行打磨，直到把當(dāng)前刮痕打沒為止，后面高倍砂紙打磨時使用的力度越來越小，打磨的時間越來越少。鋁合金容易被氧化，對打磨力度和打磨時間必須掌握好，避免產(chǎn)生的熱量把表面氧化。使用2000的砂紙打磨后可以拋光、腐蝕，腐蝕液為50ml蒸餾水

45、+5mlHF，腐蝕后在顯微鏡下觀察金相組織。鑲件設(shè)備型號為XA-2B，磨件工作臺型號為MPD-2。鑲件設(shè)備、磨件工作臺、顯微鏡分別如圖2.7所示：(d)(c)(b)(a)圖2.7金相試樣制備及組織分析設(shè)備：(a)(b)鑲件設(shè)備；（c）磨件工作臺；（d）顯微鏡。在顯微鏡下可觀察到已經(jīng)腐蝕的鋁合金金相組織。2.2.7 工藝規(guī)劃激光立體成型技術(shù)的工藝參數(shù)除了激光功率、掃描速度、送粉率、光斑直徑外，還有氣體成分、壓力、流量等。選取工藝參數(shù)采用正交法，這些參數(shù)的變化會影響成形零件的尺寸特性。圖2.8為掃描速度與粉末送入點(diǎn)定義圖：圖2.8 掃描速度與粉末送入點(diǎn)定義圖：（a）V>0,X>0;(b

46、)V>0,X=0;(c)V<0,X=0當(dāng)選擇下列參數(shù)：粉末送入點(diǎn)x=-2mm,保護(hù)氣體流量q=5L/min，掃描速度v=5mm/s，光斑直徑為2mm時，單層堆積厚度最大；送粉率越大，單層堆積厚度越高；激光功率越大，單層堆積厚度越高。但激光功率越大，越容易燒蝕粉末，故功率選擇必須合適。同等其他條件下，選擇激光功率越大，單道熔覆寬度越大；光斑直徑越大，單道熔覆寬度越大。綜合考慮各參數(shù)的影響后，選擇優(yōu)良的工藝參數(shù)分別如下：激光功率P=20002200W，掃描速度V=5mm/s，送粉率20r/min，載氣量2.2L/min。搭接率大小直接影響成形表面的宏觀平整度。在橫向搭接熔覆時，選擇不同

47、搭接率將會有下列三種情況產(chǎn)生，如圖2.9所示16：圖2.9 不同搭接率對熔覆層截面形狀的影響：（a）搭接率太??；(b)搭接率合適；(c)搭接率太大臨界搭接率c成立的假設(shè)條件：（1）每一道熔覆道粉量相同，即每道截面積都相等。（2）打接熔覆道截面形狀如下圖示，第一道截面形狀為弓形，圓心為O，第二道圓心為O，其右半部分形狀同第一道，OO間的熔覆表面為平面。（3）每道熔覆層最高點(diǎn)厚度相等，根據(jù)假設(shè)（1），有（2.1）2.2）（2.3）（2.4）臨界搭接率時熔覆層橫截面形狀如圖2.10所示：圖2.10 臨界搭接率時熔覆層截面形狀示意圖多道熔覆時，搭接率選擇尤為重要，光斑直徑增大時臨界搭接率增大；熔覆層厚

48、度減小時臨界搭接率增大，最終趨向1/3。綜合考慮后，選擇搭接率>33%，這樣才會有各熔覆道間明顯的高度差，范圍是33%35%。通常情況下，評價激光沉積修復(fù)試樣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)有：（1）修復(fù)層是否冶金結(jié)合在基體上；（2）是否控制修復(fù)層內(nèi)部缺陷在一定水平；（3）沉積層或沉積道表面是否平整、連續(xù)；（5）沉積層表面黏粉率是否較低。通過標(biāo)準(zhǔn)判斷，選擇更優(yōu)工藝參數(shù)。3 ZL114A激光沉積修復(fù)實(shí)驗(yàn)3.1 單道單層實(shí)驗(yàn)3.1.1 參數(shù)選擇光斑直徑約為3mm，掃描速度39mm/s，激光功率1200W2500W。當(dāng)功率增加100W（或200W）、掃描速度增加2mm/s、送粉率增加25g/min、載氣量增加102

49、5×10-2L/min進(jìn)行一次單道激光熔覆, 長度為20mm。各單道熔覆的參數(shù)如表所示：表3.1 單道熔覆的激光工藝參數(shù)編號激光功率/W掃描速度/ mm/s送粉率/g/min載氣量/×10-2L/min編號激光功率/W掃描速度/ mm/s送粉率/g/min載氣量/×10-2L/min#1200051.5230#19200052.0275#2200051.5200#20220052.0275#3200051.5220#21240052.0275#4200051.5250#22250052.0275#5200051.5275#23150052.5275#6200051

50、.5300#24170052.5275#7200051.5275#25180052.5275#8200051.8275#26200052.5275#9200052.0275#27220052.5275#10200052.2275#28240052.5275#11200052.5275#29250052.5275#12200051.5175#30200032.5275#13200051.5150#31200052.5275#14120052.0275#32200032.5275#15150052.0275#33220032.5275#16140052.0275#34200072.5275#171

51、60052.0275#35200092.5275#18170052.0275圖3.1為在不同功率/掃描速度下的激光沉積形貌。圖3.1 不同功率/掃描速度下的激光沉積形貌結(jié)合圖3.1與表3.1，選擇較優(yōu)工藝參數(shù)如下：激光功率P=2000W，掃描速度V=5mm/s，送粉率2g/min，載氣流量2.2L/min。用該組工藝參數(shù)得到的熔覆層制作金相，觀察其內(nèi)部組織。3.1.2 制作金相圖3.2為優(yōu)良工藝參數(shù)下熔覆層橫截面的組織形貌，有沉積層、熱影響區(qū)和基材區(qū)。圖3.2 熔覆層橫截面組織形貌：（a）低倍；（b）高倍。在基材區(qū)和沉積層之間存在一條明顯得熔合線，熱影響區(qū)便是存在熔合線附近。3.1.3 分析組

52、織圖3.3為高倍鏡下沉積層、基材區(qū)和熱影響區(qū)的組織形貌：圖3.3 高倍鏡下組織形貌圖：（a）柱狀晶與等軸晶；（b）-Al與Al-Si共晶；（c）、(d)柱狀晶與等軸晶分布。從圖3.3（a）中觀察到柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，圖3.3（c）和圖3.3（d）中可以看到柱狀晶與等軸晶的分布沉積區(qū)底部為柱狀晶，中部為柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，頂部為等軸晶。圖3.3（b）為基材部分，其主要成分為-Al與Al-Si共晶，-Al為塊狀、片狀，Al-Si共晶為針狀。激光熔凝速度很快，高的冷卻速度限制了晶格生長，故沉積層的晶粒得到細(xì)化。枝晶生長沿著激光掃描方向，向散熱反方向生長，且垂直于熔合線法線方向生長。熔池底部相對于熔池

53、頂部冷凝速度較慢，故熔池底部利于晶核形成與生長，形成柱狀晶。隨著冷卻速度加快，枝晶生長受到限制，故在熔池頂部形成等軸晶。3.2 多道單層實(shí)驗(yàn)3.2.1 參數(shù)選擇多道單層沉積實(shí)驗(yàn)采用的激光功率、掃描速度、送粉率對應(yīng)表3.2所示，試樣分別為#1#3，熔覆道數(shù)為6道,搭接率為35%，試樣平面尺寸為20mm×25mm。表3.2多道單層沉積實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)編號激光功率（W）掃描速度(mm/s)掃描間距（mm）#1200031.8#2200051.8#3200052圖3.4分別為#1#3的激光熔覆層形貌：圖3.4 不同工藝參數(shù)的多道單層激光熔覆層形貌從圖3.4中知#3試樣得到的平面平整度最好，故確定

54、該組為較優(yōu)工藝參數(shù)，激光功率P=2000W，掃描速度V=5mm/s，送粉率2g/min，掃描間距2mm，搭接率35%。3.2.2 制作金相使用較優(yōu)工藝參數(shù)得到的沉積試樣制作金相組織，得到的金相照片如圖3.5所示:圖3.5 多道單層試樣不同放大倍數(shù)下的金相組織3.2.3 分析組織多道單層沉積實(shí)驗(yàn)橫截面組織形貌如圖3.6所示：圖3.6 多道單層橫截面組織形貌：（a）低倍；（b）高倍從圖3.6（a）觀察到各道之間、各道與基材之間都存在熔合線，在激光熔化沉積ZL114A時重熔率較高，能夠把前一道的沉積層中等軸晶重熔掉，在后一道沉積層中重新生長出柱狀晶，如圖3.6（b）。觀察多道單層沉積金相組織，無氣孔及熔合不良缺陷產(chǎn)生。3.3 氣孔與熔合不良在激光沉積修復(fù)過程中，選擇工藝參數(shù)不合適會形成熔覆缺陷，氣孔和融合不良是常見的缺陷。氣孔對鑄件損害非常大，氣孔的形成不但能減少鑄件有效截面面積，致使金屬強(qiáng)度降低；還能形成局部應(yīng)力集中，降低材料的疲勞抗力、強(qiáng)度，成為裂紋源使材料斷裂。在修復(fù)組織中形成氣孔有2種原因，分別是：（1）與粉末中含水分有關(guān)，激光加熱過程中水分蒸發(fā)產(chǎn)生少量氣體，接近表面的氣體也許能逸出熔池，快速冷凝的加工過程使遠(yuǎn)離表面的氣體來不及逸出在金屬中形成氣孔；（2）氣體來源放置過程中粉末吸附有