單元設計--激光熔覆成型（LCF）技術成型缺陷

1、浙江工貿(mào)職業(yè)技術學院單元教學設計2016 2017 學年 第 二 學期課程名稱： 3D打印工藝實踐 授課班級： 任課教師： 金露凡 所在院（系）： 材料工程系 單元序號及單元標題： 激光熔覆成型缺陷授課班級光機電應用技術上課時間2課時上課地點多媒體教室教學目的了解掌握激光熔覆成型過程中裂紋、氣孔的分類及產(chǎn)生原因掌握激光熔覆成型的控制方法教學目標能力（技能）目標知識目標掌握激光熔覆成型的控制方法了解掌握激光熔覆成型過程中裂紋、氣孔的分類及產(chǎn)生原因重點難點及解決方法重點：了解掌握激光熔覆成型過程中裂紋、氣孔的分類及產(chǎn)生原因難點：掌握激光熔覆成型的控制方法解決方法：結合視頻實例進行講解。參考資料1.

2、 吳懷宇著.3D打印三維智能數(shù)字化創(chuàng)造. 北京：電子工業(yè)出版社 ， 2014.012. 楊繼全等編著.三維打印設計與制造. 北京：科學出版社 ， 2013.113. 魏青松編. 粉末激光熔化增材制造技術. 武漢：華中科技大學出版社，2013.064. 美胡迪.利普森等編著. 3D打印技術. 北京：中信出版社 ， 2013.045. 史玉升著. 粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用. 北京：科學出版社，2012.096. 史玉升等編著. 激光制造技術. 北京：機械工業(yè)出版社， 2011.127. 周建忠等編著.激光快速制造與應用. 北京：化學工業(yè)出版社 ， 2009.02單元教學設計基本框架第一

3、部分：組織教學和闡述本部分知識的總體概況 （時間：2分鐘）1、回顧激光熔覆成型（LCF）技術的基本原理、特點、系統(tǒng)及各個組成部分和應用2、介紹本次課學習意義：激光熔覆成型（LCF）技術的裂紋、氣孔及其他缺陷對生產(chǎn)應用的危害和影響。第二部分：學習新內(nèi)容【步驟一】說明主要教學內(nèi)容、目的 （時間：3分鐘）教學內(nèi)容：激光熔覆成型（LCF）過程裂紋、氣孔的分類及產(chǎn)生原因教學目的：了解激光熔覆成型（LCF）各種缺陷產(chǎn)生的機理，學會控制方法，從而提高成型精度?！静襟E二】 新知識的引入 （時間：20分鐘）激光熔覆成型缺陷激光熔覆技術與其他表面加工技術相比具有應用面廣、實用性強、應用靈活等特點，可形成與基體冶金

4、結合、組織致密、性能優(yōu)異可控的工件表面層。激光熔覆工藝是以激光束為輸入能量，同時熔化熔覆粉末和基體，在光束離開后，熔覆層凝固。由于熔池的攪動和熔池溫度場的不均勻性，表面張力不同，凝固時熔覆層已有凝固內(nèi)應力的產(chǎn)生。 隨著熔覆層溫度的下降，熔覆層開始收縮，但由于熔覆過程中溫度場溫度梯度大，高溫下的熔覆層收縮受到較低溫度下基體的約束，當約束應力大于高溫下熔覆層的屈服極限時熔覆層發(fā)生塑性變形，熔覆層的應力得到松弛。隨著溫度的進一步下降，熔覆層和基體之間溫度梯度降低，而熔覆層的楊氏彈性模量和剪切彈性模量增大，屈服極限升高。熔覆層進入彈性變形區(qū)，熔覆層應力為拉應力。熔覆層材料和基體的差別，導致熱膨脹系數(shù)不

5、同，楊氏彈性模量和剪切彈性模量的區(qū)別，熔覆層與基體間在相同溫度變化條件下熱應變不同，這也是影響熔覆層應力大小的一大因素。故在熔覆層和基體結合帶處的應力狀態(tài)復雜、組織變化劇烈，熔覆層的裂紋常產(chǎn)生于此處。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置可分為熔覆層裂紋、界面基體裂紋和搭接區(qū)裂紋。其中界面基體裂紋最常見，這是由于基體與熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，在熱應力作用下容易在基體與熔覆層接合處形成裂紋。熔覆層裂紋則主要是由于熔覆過程中溫度和應力大小分布不均并與材料的熱膨脹系數(shù)不匹配所致，而搭接區(qū)裂紋主要是由于成形工藝參數(shù)中的搭接率選擇不合理，在熔覆過程中易形成未熔合和氣孔，從而在各種應力的共同作用下導致裂紋的產(chǎn)生，且容

6、易貫穿整個熔覆層。根據(jù)裂紋的大小和形狀可分為宏觀裂紋和顯微裂紋。宏觀裂紋起源于熔覆層和基體結合處，并沿著與掃描方向垂直的方向擴展，貫穿整個熔覆層。顯微裂紋則是當激光熔覆結束之后借助顯微鏡觀察，在熔覆層表面或內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的細小裂紋。根據(jù)裂紋的微觀形貌和斷口形貌可分為冷裂紋、熱裂紋。冷裂紋斷面較平齊，斷口有金屬光澤，并有二次裂紋產(chǎn)生，是典型的脆性斷口。這是由熔覆合金的低延性及熔覆過程中熱應力雙重作用的結果。在激光快速成形過程中，鎳基自熔合金熔覆層的開裂屬于冷裂紋范疇。隨鎳基自熔合金中 B、Si 元素含量的提高，彌散分布的硼化物和硅化物的數(shù)量增加，使鎳基自熔合金延性降低，導致熔覆層開裂傾向增大。而熱裂紋

7、斷面，具有明顯的氧化彩色，樹枝晶晶界面相當圓滑，這是由于凝固溫度區(qū)間內(nèi)晶界處的殘余液相受熔覆層中的熱應力作用所導致的液膜分離的結果。對于奧氏體不銹鋼等材料，熔覆層的開裂屬于熱裂紋范疇【步驟三】新知識的引入 （時間：20分鐘） 激光熔覆成型（LCF）各種缺陷產(chǎn)生的原因1、裂紋由于激光熔覆是快速加熱和快速冷卻過程，凝固過程中不可能有足夠的液體金屬補充，且在隨后的固態(tài)冷卻收縮過程中受到周圍較冷基材束縛，造成的內(nèi)應力往往難以得到釋放，而一旦釋放就會造成裂紋。激光熔覆中，材料間熱膨脹系數(shù)、彈性模量的明顯差別及激光熔池區(qū)域的溫度梯度所決定的熱應力是裂紋形成的根源，而熔覆層成分與組織梯度導致的微觀應力則促使

8、裂紋擴展。熔覆層中的應力主要有以下幾種：（1）熱應力。熱應力分為兩種：一種是在同種材料內(nèi)部，當材料受熱后，由材料的溫度梯度造成的；另一種是由于基材和熔覆材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)不同，從而使各層之間的熱膨脹率和收縮率不一致而產(chǎn)生的。（2）組織應力。組織應力是由于金屬材料受熱熔化發(fā)生相變而產(chǎn)生的。（3） 約束應力。約束應力也是由兩方面原因造成的：一是由于熔覆過程很快，熔池溫度過高，熔池中已經(jīng)熔化的部分材料受熱膨脹，但受到周圍材料的約束即受到壓應力作用；另一方面是由于掃描光束移開后，被掃描區(qū)域迅速冷卻，而熔覆區(qū)域因材料的整體性不能自由收縮導致較大拉應力的作用。裂紋的產(chǎn)生是因為內(nèi)應力超過了一定的值。

9、裂紋的產(chǎn)生必須滿足以下臨界條件：即應力的產(chǎn)生與集中大于材料的屈服強度時，熔覆層局部區(qū)域的塑性 max不足以承受當時發(fā)生的應變 ，導致裂紋的產(chǎn)生。由應力產(chǎn)生的應變主要與材料的物理性能、熱循環(huán)特性以及約束條件有關，其中熱應力產(chǎn)生的應變最為顯著。激光熔覆過程的應力場是三維應力場，其三向熱應變抑制引起的熱應力為式中，E 為楊式模量， 為泊松比， 是熔覆層與基體的熱膨脹系數(shù)差，T 為熔覆層凝固溫度與室溫之差。當熔覆層的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù)時，T0，熱應力為拉應力。事實上，由于熔池中各處溫度不同，溫度場復雜，當溫度梯度過大或者熔覆層之間的熱膨脹率和收縮率不一致時，都會促使熱應力增大。而在激光熔覆

10、過程中，上述因素都可以單獨作用或交互作用產(chǎn)生裂紋。【步驟四】新知識的引入 （時間：40分鐘） 激光熔覆成型缺陷控制方法3.1 激光熔覆材料的合理設計（1） 合理選擇熔覆層與基體熱膨脹系數(shù)及熱容的匹配關系。（2）在基體上添加過渡層，提高基體對熔覆層的潤濕性。（3）在熔覆材料中添加合金元素，提高熔覆組織強度和韌性。3.2 激光熔覆工藝參數(shù)的合理選擇（1）選擇合適的粉末尺寸。（2）選擇合理的功率密度。（3）采用合理的掃描速度、送粉速率。（4）選擇合理的搭接率。3.3 基板預熱和后續(xù)熱處理第三部分：總結、布置作業(yè)、說清楚作業(yè)的要求 （時間：5分鐘）總結：本次課主要講解了本次課主要介紹了掌握激光熔覆成型過程中裂紋、氣孔的分類及產(chǎn)生原因以及缺陷控制方法激光熔覆裂紋失效的因素很復雜，必須根據(jù)不同材料和不同使用狀況選擇合理的熔覆材料和成形工藝參數(shù)。目前，還沒有簡便、理想的方法可以完全防止和消除激光熔覆裂紋的產(chǎn)生，主要是依靠經(jīng)驗來減少裂紋的產(chǎn)生和擴展，缺乏理論上的突破。本次課主要介紹了激光熔覆中常用的合金粉末材料，包括自熔性合金粉末、陶瓷粉末、復合粉末和高熵合金粉