激光熔覆成形技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的應用

1、激光熔覆成形技術(shù)的研究進展1基本概念激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技術(shù)集激光技術(shù)、計算機技術(shù)、 數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)及材料加工技術(shù)于一體，是一門多學科交叉的邊緣學科 和新興的先進制造技術(shù)。該技術(shù)把快速原型制造技術(shù)和激光熔覆表面強化技術(shù) 相結(jié)合，利用高能激光束在金屬基體上形成熔池，將通過送粉裝置和粉末噴嘴 輸送到熔池的金屬粉末或事先預置于基體上的涂層熔化，快速凝固后與基體形 成冶金結(jié)合，根據(jù)零件的計算機輔助設(shè)計模型，逐線、逐層堆積材料，直接生 成三維近終形金屬零件。激光熔覆成形系統(tǒng)主要由計算機、粉末輸送系統(tǒng)、激 光器和數(shù)控工作臺四部分組成，其原理如圖1所示

2、。由于該技術(shù)可以直接制造全密度金屬零件，從20世紀90年代中期開始，就成為快速成形領(lǐng)域的研究熱 點和發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。激光熔覆成形技術(shù)在產(chǎn)生后的短短幾年 內(nèi)獲得了飛速發(fā)展，并被冠以不同的名稱：如送粉方式的激光工程化近成形 (Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)直接光制造技術(shù)(Directed light fabrication, DLF)、直接金屬沉積(Direct metal deposition, DMD)、堆積成形制造 (Shape deposition manufacturing, SDM) 激光固結(jié)(Laser consolidati

3、on, LC), 激光 增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM),以及粉末預置方式的選擇性激 光熔化(Selective laser melting, SLM開口金屬直接激光燒結(jié)(Direct laser sintering of metals ,DSM)等，這些技術(shù)的原理和加工方法基本相同，將它們統(tǒng)稱為激光熔 覆成形技術(shù)。圖1激光熔覆成形原理示意圖2激光熔覆成形的特點和研究進展和傳統(tǒng)的材料成形方法相比，激光熔覆成形技術(shù)具有成形零件復雜、結(jié)構(gòu)優(yōu) 化、性能優(yōu)良、加工材料范圍廣泛，柔性化程度高，可實現(xiàn)梯度功能材料的制 造、制造周期短、可實現(xiàn)無模近終成形等獨

4、特優(yōu)點，在材料利用率、研制周期 和總的制造成本方面均優(yōu)于鑄造和鍛造技術(shù)，是一種優(yōu)質(zhì)、節(jié)材、低成本、無 污染的先進制造技術(shù)。止匕外，激光熔覆成形技術(shù)還具有成形零件結(jié)構(gòu)復雜，可加工材料范圍廣泛， 加工時熱影響區(qū)和基體的變形小等獨特的優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)、低成本和無污染 的先進制造技術(shù)，可以廣泛應用于復雜零件的直接制造和修復。激光熔覆成形技術(shù)可以在無需支撐的條件下成形具有懸臂特征和復雜內(nèi)腔的 零件，使用這種方法成形模具時，可以在制造過程中優(yōu)化布置模具內(nèi)部的冷卻 管道，實現(xiàn)模具特定區(qū)域快速冷卻以減小零件的變形，提高模具制造精度。在 使用激光熔覆成形技術(shù)加工零件時，零件的生產(chǎn)周期可以縮短約20%，降低零件成

5、本，提高制造精度。止匕外，激光熔覆成形技術(shù)還可以用來加工難熔金屬、 高溫合金和金屬間化合物等難加工材料。采用鍛造和機加工生產(chǎn)帶翼肋的整體 性補強飛機結(jié)構(gòu)件時，制造周期長，材料利用率低 ；若采用激光熔覆成形技術(shù)加 工，不僅制造周期縮短75%,成本降低20% -30%,而且零件性能可以達到甚 至超過鑄造和鍛造材料的標準。激光熔覆成形技術(shù)使用高功率激光進行加工，能量密度高度集中，可以進行 難加工材料的成形，加工完成后熔覆材料和基體形成冶金結(jié)合，為航空發(fā)動機 葉片、汽輪機葉片、葉輪，石化行業(yè)轉(zhuǎn)子、定子和核閱零件等關(guān)鍵零部件的修 復提供了一條嶄新的途徑。該技術(shù)還可以用來修復定向凝固單晶超合金葉片， 在降

6、低修復成本的同時而不會降低母材的性能，零件的表面耐磨、耐腐蝕、耐 高溫等性能甚至有所提高。2.1 激光熔覆成形技術(shù)的發(fā)展在激光熔覆成形技術(shù)的研究方面，從 20世紀70年代開始，隨著激光熔覆及 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆成形技術(shù)逐漸成為激光加工領(lǐng)域的研究熱點，獲得 迅猛發(fā)展。在這一時期，國內(nèi)外的眾多研究機構(gòu)進入該領(lǐng)域，并取得了一系列 研究成果，美國的Los Alamos國家實驗室、Sandia國家實驗室、密執(zhí)安 (Michigan)大學和Aero Met公司等等所取得的研究成果較有代表性。20世紀90年代中期，美國Sandia國家實驗室與 United Technologies Pratt & W

7、hitney公司展開合作，利用激光近形制造技術(shù)，對多種材料的激光熔覆成形 工藝進行研究，制造出錦基超合金、鐵合金、不銹鋼和H13工具鋼等零件，成形零件的性能相對于鍛造件在強度和塑性方面均有顯著的提高，加工精度在z、y方向達到0.0 5 mm, z方向達到0.38mm,通過改變粉末的成分使零件的不同 部位具有不同的成分和性能，實現(xiàn)了零件的梯度功能制造。Sandia還與3M、Honeywell NASA以及Ford等合作，將激光成形制造技術(shù)集成于零件的制造 過程中，縮短零件的制造周期，降低零件成本，提高零件的性能。 Los Alamos 國家實驗室開發(fā)了采用2 kW Nd: YAG激光器和五軸數(shù)控

8、工作臺的 DLF系統(tǒng),在充滿氧 氣的不銹鋼手套箱中進行加工，系統(tǒng)中帶有粉末回收裝置，可以將未熔化的粉 末回收，而且還可以輸送4種不同成分的粉末實現(xiàn)功能梯度材料的制造，零件 的表面粗糙度可以達到10仙m ,精度達 0.12mm。Aero Met公司采用激光熔 覆成形工藝進行航空鐵合金零件的成形制造和修復，該系統(tǒng)內(nèi)裝有自動反饋控 制傳感器，工作臺定位精度為 0.00762 cm(3/1 000 in),可加工長度243.84 cm(8ft)、質(zhì)量為272.154 kg(600 b珀飛機原型。該公司的制造速率較高，其單 層沉積厚度達到4 mm,單道沉積寬度達到13 mm,可進行較大體積零件的制 造，

9、產(chǎn)品達到近終形，且成分和性能己經(jīng)達到ASTM標準。圖5為Aero Met公司的Lasform工藝系統(tǒng)和采用該技術(shù)制造的大型零件，零件最大尺寸已達到2400 mm X 225 mmX 100 mm。茶律TffA嶷飛TIn *斗讖!t振n ,田? Aexuiuti 司的Laicnu來物和大中成.府件祖川注入 T金 郵池Aero Met公司在2000年3月為波音飛機公司(Boeing Company)制造了 F/A-18 日F機翼零件。其生產(chǎn)的 Ti-6Al-4V 零件Lockheed-Martin F-22支架、波音F/A- 18 E/F機翼連接板和降落連桿零件已達到航空零件的性能要求。這些激光熔

10、覆 成形技術(shù)加工的鈦合金零件不僅疲勞壽命大大超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，同時 該技術(shù)節(jié)約材料及切削加工費用，零件成本降低20%40%,生產(chǎn)周期也縮短 80%。國內(nèi)在激光熔覆成形技術(shù)方面的研究起步較晚，始于20世紀90年代末,到2000年以后才陸續(xù)有文獻報道。西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室、中 國有色金屬研究總院、清華大學、北京航空航天大學和上海交通大學等單位相 繼開展這方面的研究，并在快速成形理論、工藝、設(shè)備和材料等各方面取得階 段性成果。如西北工業(yè)大學、中國有色金屬研究院和北京航空航天大學已采用 不同的合金制成了具有一定形狀的激光熔覆成形件，清華大學開發(fā)出了應用于激光熔覆成形的同軸送粉系統(tǒng)，

11、并研究了加工過程的閉環(huán)控制。西北工業(yè)大學 在快速成形工藝、快速成形組織的定向凝固及力學性能等方面作了大量的研究 工作。近幾年來，激光熔覆成形技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展較快，更多的企業(yè)、高校和研 究機構(gòu)購置了大功率激光加工設(shè)備，并在激光熔覆成形技術(shù)的工藝和應用方面 開展了研究工作。具有代表性的激光熔覆裝備制造或系統(tǒng)集成的公司主要有深 圳大族激光、北京陸合飛虹激光、武漢團結(jié)激光、南京煜宸激光和江蘇中科四 象等。從事激光熔覆技術(shù)應用的公司主要有沈陽大陸激光、武鋼華工、山東能 源、鞍山正發(fā)股份、沈陽金研激光、泰安金宸激光、江蘇永年激光及大族金石 凱等。2.2 激光熔覆成形技術(shù)的研究進展隨著激光技術(shù)的進步和測控技術(shù)

12、等學科的發(fā)展，激光熔覆成形技術(shù)在硬件系 統(tǒng)和理論研究等方面獲得了迅猛發(fā)展，促進了其應用范圍的不斷擴大和成形質(zhì) 量的日益提高。世界各國研究機構(gòu)開發(fā)的各具特色的熔覆成形系統(tǒng)不斷完善， 激光熔覆成形組織性能研究、熔覆成形送粉器、粉末噴嘴和檢測控制系統(tǒng)、激 光、粉末和基體的相互作用及成形組織的外延生長以及柱狀晶、等軸晶的轉(zhuǎn)變 理論等取得了一定的進展。溫度場建模與仿真、熔池溫度和形狀的檢測與控制 等方面的工作成為該領(lǐng)域的研究熱點。2.2.1 成形組織與性能研究成形零件的性能由其組織決定，而組織取決于熔覆成形材料、工藝參數(shù)、 熔池的傳熱、傳質(zhì)和固液界面的冷卻速度等，研究激光熔覆成形組織形成 機理與特征對于

13、成形零件性能的控制具有重要意義。對激光熔覆成形組織的研究主要以試驗研究為主。GRIFFITH等1-2采用LENS工藝對316SS、SS304L不銹鋼以及IN625和IN690鍥基超合金和 H13工 具鋼等多種材料進行了沉積，研究了工藝參數(shù)對性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，當激 光功率低時，組織較為細??；激光功率高時，由于晶粒長大，獲得的組織比較 粗大。當激光功率低、掃描速度快時，屈服強度和抗拉強度高。因此，可以通 過工藝參數(shù)的匹配獲得所需的性能。LENS制造的316SS不銹鋼屈服強度達到 鍛造材料的2倍，斷后伸長率接近50%。凝固沿著熱流方向，從而導致晶粒的 生長方向不一。初始的沉積組織發(fā)生重熔和粗化，

14、樹枝晶的特征不能完整保留 下來。BROOKS等對H13鋼進行了激光熔覆成形，建立了簡單的描述 H13鋼硬 度與熱歷史關(guān)系的動力學模型，并結(jié)合 LENS的熱數(shù)據(jù)來估計熔覆層的硬度， 單道熔覆層的硬度預測與測量結(jié)果吻合較好。DINDA等研究了 Inconel625合金激光熔覆成形組織在 8001 200 ?C的熱 穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)：柱狀晶組織在 1 000 ?C以下較為穩(wěn)定，而在1 200 ?C左右, 可見完全再結(jié)晶的等軸晶組織。李延民等研究了側(cè)向送粉激光快速成形工藝參數(shù)對成形特征的影響，得出 了熔覆層厚度和寬度與激光功率、掃描速度以及能量密度之間的關(guān)系，并采用 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。

15、席明哲等 25研究了激光功率對激光快 速成形316L薄壁墻組織和性能的影響，得出了零件抗拉強度和伸長率隨激光功 率的變化趨勢，獲得了與常規(guī)方法制成的零件性能相當?shù)谋”趬ΑUNT研究了穩(wěn)態(tài)下等軸晶和柱狀晶的生長，建立了柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化 (Columnar-to-equiaxed transition, CET)的理論模型，同時考慮了形核和長大的影 響，得出當?shù)容S晶體積分數(shù) 小0.66%時，凝固組織為柱狀晶，而 小49%時為等 軸晶，兩者之間為柱狀晶和等軸晶的混合生長區(qū)。G?UMANN等對CMSX-4激光成形凝固顯微組織進行了系統(tǒng)的研究，對單晶基體上外延生長定向凝固組 織的形成進行了解釋。對于

16、給定成分的合金，合金凝固過程中溶質(zhì)在界面前沿 堆積，分布不均勻，當實際溫度低于平衡液相溫度時，在生長前沿的有限區(qū)域 內(nèi)存在連續(xù)的過冷區(qū)，發(fā)生等軸晶的形核。等軸晶的體積分數(shù)取決于溫度梯度 G或凝固速度v。CET還取決于形核率N0和形核過冷度A Tn, N0增加和A Tn 的減少有利于等軸晶區(qū)域向高的溫度梯度和低的凝固速度端移動。在低v端，枝晶尖端過冷度很小，形核過冷度起決定性作用，過冷度越小，越易形成等軸 品；在高v端，等軸晶的體積分數(shù)與形核率密切相關(guān)，降低形核率可以穩(wěn)定柱 狀晶。因此，通過控制工藝參數(shù)，就可以實現(xiàn)對凝固顯微組織的控制，在重熔 的基體上得到外延生長組織。他們對金屬激光成形顯微組織

17、和工藝參數(shù)的關(guān)系 進行了深入研究，對HUNT的模型進行了修改，建立了組織形成理論模型，得 到了局部凝固組織與凝固條件以及凝固條件隨工藝參數(shù)變化的圖譜，得出口 _4叫=行 ;-旅(1)丫 | V31n(l尹)十 1式中 G溫度梯度r凝固速度N。一核率中等軸晶體枳分數(shù) 口.“一材料相關(guān)的系數(shù)由式（1）可知，等軸晶的體積分數(shù) 小取決于Gn/ v的值。在CMSX-4激光加 工中n=3.4,故將G3.4/ v的值作為等軸晶和柱狀晶轉(zhuǎn)化的判據(jù)，為單晶葉片的 激光修復提供了理論依據(jù)，也使快速定向凝固理論獲得了進一步的發(fā)展。激光熔覆成形過程中熔池固液界面具有極高的溫度梯度，在快速凝固條件 下，凝固過程偏離平衡

18、，經(jīng)典凝固理論中許多平衡條件的假設(shè)不再適用，須用 快速凝固理論對其做出合理解釋，激光熔覆成形非平衡快速凝固理論的研究尚 須進步完善。2.2.2 激光熔覆成形溫度場模擬由于熔池及其周圍的溫度梯度和冷卻速度對理解凝固材料的組織和性能非 常重要，熔覆過程的穩(wěn)定性在很大程度上也取決于熔池尺寸的精確控制，因此 對熔池的模擬愈來愈成為人們競相追逐的研究熱點。該領(lǐng)域的研究主要集中于 熔池形狀和尺寸和溫度的數(shù)值模擬和有限元模擬等方面。LONG等對激光直接沉積多道多層零件溫度場和應力場進行了初步模擬， 但沒有反映出材料特性隨溫度的變化。 VASINONTA等建立了薄壁墻激光熔覆 成形熱、機械模型，對304SS不

19、銹鋼激光熔覆成形熔池的形狀和殘余應力進行 了模擬。研究表明：接近自由邊界時，熔池的長度減小，而深度顯著增加，自 由邊界處的溫度接近或超過熔化溫度。在熔池尺寸增加之前降低激光功率可以 對熔池深度的控制。VASINONTA等建立了激光熔覆成形薄壁結(jié)構(gòu)的熱機械模型，采用兩個量 綱一的圖來描述薄壁高度、激光功率、沉積速度和預熱對熔池尺寸和溫度梯度 的影響。這兩個工藝流程圖可用于優(yōu)化形成穩(wěn)定熔池大小時的工藝參數(shù)和過程 控制，幾何模型如圖6所示。假定為點熱源，采用絕熱邊界條件，不考慮對流 的影響建立有限元模型，并將模擬熔池大小與試驗結(jié)果進行對比。得到了量綱 一的標量熔池長度（l）與標量基體高度（h ）和標

20、量熔化溫度（Tm ）的關(guān)系以及z0 方向的標量溫度梯度（？T / ?z0 ）與卜和表面溫度標量Tt的關(guān)系圖。實際的熔池 長度隨v的減小而增大，溫度梯度隨v的減小而減小，殘余應力隨溫度梯度的 減小而減少，基體均勻預熱可顯著降低等效屈服應力，預熱對熔池的長度影響 不大，在熔覆短的薄壁墻時，應控制激光功率和掃描速度。由于預熱引起的熔 池尺寸的增加可以通過適當?shù)慕档图す夤β驶蛟黾訏呙杷俣葋砜朔?。因此，?采用熔池長度和溫度梯度的工藝流程圖進行殘余應力和熔池長度最優(yōu)控制。上述研究通過對激光熔覆熱過程的模擬取得，對激光熔覆成形工藝參數(shù)的 確定和控制具有一定的指導意義。對于同步送粉的三維激光熔覆成形溫度場的

21、 建模和模擬，成形過程復雜、計算量大，尤其是應力場的三維模型，收斂較為 困難，且難以考慮熔池的傳質(zhì)，尚須進一步研究。材料隨溫度變化的熱物性參 數(shù)仍有待于進一步完善和補充，以反映成形過程的相變。2.2.3 激光熔覆成形檢測與控制激光熔覆成形質(zhì)量受許多因素的影響，如激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng) 等。要提高激光熔覆成 形的質(zhì)量和精度，必須對這些系統(tǒng)參數(shù)進行檢測和控制。 檢測系統(tǒng)主要由嵌入式的視覺系統(tǒng) CCD攝像機、雙色溫度傳感器和位移傳感 器等組成，一般采用同軸和側(cè)向兩種安裝方式對凝固過程和熔池進行檢測，同軸安裝紅外熱影像系統(tǒng)如圖7所示。同軸裝置將熱成像系統(tǒng)和激光光路結(jié)合成 為一體，不必在透鏡或者送

22、粉噴嘴上安裝新的設(shè)備，就可以很容易地采用帶有 特定窄帶濾波片的高速數(shù)碼相機得到零件上熔池和附近區(qū)域的熱圖像。側(cè)向裝 置的CCD視頻相機通過手套箱前側(cè)的窗口進行拍攝，將所拍到圖像轉(zhuǎn)換為溫度 并分色，以決定熔池附近的溫度場。檢測到的信號通過傳感器反饋給計算機， 閉環(huán)控制系統(tǒng)通過調(diào)整工藝參數(shù)對熔覆高度、熔池形狀和溫度分布等進行控制， 從而大大降低后處理成本，提高表面精度，獲得所需性能。高幀速攝像機幀接收器紅外演 ，光片Nd:YAG激光送粉 噴嘀堪體工速詡1卯35。計算機圖7閉環(huán)控制系統(tǒng)熱影像裝置密執(zhí)安大學的DMD閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)采用采用三個互成 120。的傳感器對 熔覆高度進行控制，這樣可以不受熔覆

23、方向?qū)蝹€傳感器的影響，在送至處理 器前，將三個傳感器輸出的信號合成為一路輸出信號。當進行多層熔覆時，高 度傳感器可以“感知”熔覆層的厚度，使每一處的厚度均勻一致，采用多傳感 器進行高度控制后，零件表面粗糙度降低 14%20%,制造周期大大縮短，從 而降低精加工成本，如圖9所示。清華大學通過傳感器來直接監(jiān)測金屬零件的 熔覆高度，通過對送粉量的閉環(huán)控制來保證制造過程中熔覆高度的穩(wěn)定性。斯 坦福大學和Carnegie Mellon大學開發(fā)的SDM工藝將分層沉積和 CNC銃削加工 結(jié)合起來加工全密度金屬零件。每沉積完一層材料后，用 5軸CNC銃床加工至 最終尺寸，并采用支撐材料以制造懸臂結(jié)構(gòu)。送粉

24、單元輸入1:1#傳感器2#傳感器3#傳感器具有高度控制國9密執(zhí)安大學的DMD閉環(huán)控制系統(tǒng)及高度控制成形實例2.2.4 激光熔覆成形殘余應力與裂紋裂紋是激光熔覆成形過程中最常見的致命缺陷，裂紋一旦產(chǎn)生和擴展，就 會大大降低零件的使用性能，甚至造成零件的報廢。裂紋問題已經(jīng)成為制約激 光熔覆成形技術(shù)發(fā)展的瓶頸。激光熔覆成形裂紋的產(chǎn)生與工藝因素、組織因素 和材料因素等密切相關(guān)，影響因素眾多，控制難度高，其中最直接的原因是熔 覆層殘余應力，應力的準確分析對認識和控制激光熔覆成形過程裂紋具有重要 的意義。熔覆成形過程的殘余應力和變形與溫度的分布與累積、基體約束、成 形材料、工藝參數(shù)及路徑等密切相關(guān)，檢測方

25、法主要有全息鉆孔法、X射線衍射和中子衍射等。AGGARANGSI在薄壁墻激光熔覆成形時發(fā)現(xiàn)，在接近表面處 y方向（沉積 方向）的應力較大，x、z方向的應力為零，而在熔覆層內(nèi)部離表面一定距離處， 左右兩邊z方向的應力為拉伸應力，中間為壓縮應力，認為拉伸應力是熱收縮 和基體約束綜合作用的結(jié)果。DAI等的研究表明，加工過程溫度分布、瞬態(tài)應 力和殘余應力及零件的變形主要取決于激光加工條件和材料的性能，尤其是熱 導率和熱膨脹系數(shù)。NICKEL等發(fā)現(xiàn)材料熔覆方法和熔覆路徑對熔覆翹曲變形 影響很大。通過預熱和緩冷方法能夠限制殘余應力引起的翹曲變形。GRIFFITH等采用全息鉆孔法測試研究了成形高度達 114

26、 mm的H13工具 鋼薄板件靠近基材處的兩向殘余應力。結(jié)果表明：平行掃描方向殘余應力以拉 為主，垂直掃描方向殘余應力以壓應力為主，殘余應力數(shù)值約為材料屈服強度 的20%。在開始熔覆階段，拉應力數(shù)值逐漸增大，主要是由于隨著熱量的不斷 輸入，應力累積效應增大，但其數(shù)值與材料屈服強度相比仍比較小。當沉積到 一定高度后，兩向殘余應力數(shù)值開始有所回落，逐漸穩(wěn)定下來，表現(xiàn)為低的拉 應力，說明熔覆過程趨于平衡，殘余應力基本保持不變。并預測 H13工具鋼復 雜結(jié)構(gòu)中的殘余應力整體較低。材料微觀組織的變化引起的相變應力能夠使殘 余應力增高。LABUDOVIC等在進行MONEL400合金的激光多層熔覆時發(fā)現(xiàn)，隨著

27、熔 覆層數(shù)的增加出現(xiàn)與掃描速度垂直和平行的裂紋，這主要是由于連續(xù)搭接熔覆 時殘余應力逐步遞增的結(jié)果，得出試樣的預熱和后續(xù)熱處理釋放應力可以防止 裂紋的產(chǎn)生。從國外激光熔覆成形的情況來看，顯然他們對裂紋的控制是比較成功的。 但是，由于該技術(shù)目前主要面向航空航天等軍事領(lǐng)域，技術(shù)保密程度高，相關(guān) 的研究報道很少。國內(nèi)在這方面的研究也處于起步階段，對熔覆層裂紋的研究 也大都集中于激光熔覆表面強化方面。鐘敏霖等對NiCrSiB合金在高功率激光熔覆下的裂紋現(xiàn)象和行為進行了試 驗研究。發(fā)現(xiàn)NiCrSiB合金對裂紋非常敏感，往往出現(xiàn)大量橫向宏觀裂紋，裂紋主要起源于熔覆層與基體的交界面，裂紋通常向熔覆層擴展而穿

28、過整個熔覆 層，多道搭接時，裂紋會向前道和后道橫向傳遞。裂紋的產(chǎn)生與熔覆材料自身 的物理特性及凝固特性和凝固組織有關(guān)。陳靜等采用微觀測試分析方法，研究了不銹鋼激光快速成形過程中熔覆層 的開裂行為及裂紋形成機理。研究結(jié)果表明，熔覆層的開裂屬于熱裂紋范疇， 裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于凝固溫度區(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(jié)果。宋建麗等從熔覆材料與基體材料的合理選擇與匹配、基體預熱、優(yōu)化工藝 參數(shù)、熔覆過程引入超聲振動及添加稀土元素等方面著手，降低熔覆層溫度梯 度、改善組織、降低殘余應力，對熔覆成形過程裂紋加以控制。李延民等從金相分析和試驗研究的角度對激光熔覆成形裂紋

29、的產(chǎn)生原因進 行了分析，認為裂紋主要是熔覆組織在凝固過程及后續(xù)熔覆時品界處的殘余液 相受熔覆層中的熱應力作用所導致的液膜分離引起的，并從工藝上對裂紋形成 的影響因素進行了初步研究，得出中等光斑、低功率、小的粉末送進量，中等 掃描速度和適當預熱和后續(xù)熱處理能夠有效減小開裂傾向。同時采用人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得了具有較復雜外形、內(nèi)部無缺陷的316L不銹鋼激光快速成形件。激光熔覆成形和激光熔覆表面強化技術(shù)有許多相似之處，裂紋產(chǎn)生的機理 有也大致相同，激光熔覆表面強化中許多裂紋的防止方法也可用于激光熔覆成 形。但是，由于激光熔覆成形是多層激光熔覆，二者仍有許多不同之處。因此， 激光

30、熔覆成形中裂紋的控制方法亦有所區(qū)別。還須從開裂機理出發(fā)，開發(fā)行之 有效的裂紋控制方法，促進該技術(shù)的進一步發(fā)展和工業(yè)化應用。3激光熔覆在汽車工業(yè)中的應用3.1 在汽車零部件制造上的應用激光熔覆技術(shù)因其良好的工藝特性，在汽車零 件制造中得到廣泛的關(guān)注。 20世紀80年代開始，美國、日本、俄國、英國以及中國等國家就在汽車工業(yè) 領(lǐng)域采用激光熔覆技術(shù)強化汽車零部件。美國AVCO公司對汽車排氣門激光熔覆 Stel? lite合金，提高了排氣門的耐 磨、耐蝕和抗沖擊性， 達到了節(jié)約昂貴合金材料，降低生產(chǎn)成本的目 的。Toyota公司在鋁合金氣缸的氣門座處激光熔覆銅基復合材料，通過引擎測 試，其高溫下的耐磨性

31、和抗沖擊性與壓入法相比得到了顯著提高，而其 成本與 壓入法相比減少了 30%。日本尼桑公司 在鋁基發(fā)動機葉片上成功熔覆了一層銅 基合金，增 強了零件的表面強度，極大的提高了零件的耐磨、耐高溫性。俄羅斯利哈喬夫汽車廠的排氣閥座 經(jīng)激光熔覆耐熱合金后，零件表面硬度提高到原 來的35倍，使用壽命是原來的24倍。英國某發(fā) 動機公司采用激光熔覆技術(shù)， 在渦輪增壓器葉片上熔覆Co基合金得到了無氣孔、無裂紋的高性能熔覆層， 極大改善了高溫耐蝕性，降低加工時間，減少 約50%的昂貴合金粉末的消耗。李春華等人使用CO連續(xù)激光器對21-4 N汽車排氣門表面進行了 Ni21合 金的激光熔覆，經(jīng)多次試驗后發(fā)現(xiàn)，使用激

32、光功率為1.82.1 kW,掃描速度56 mm?s-1,光斑直徑4.55 mm,預置粉末厚度為12 mm的工藝參數(shù)熔覆后 的材料表面較為平整，工藝穩(wěn)定，可以滿足汽車排氣門的批量生產(chǎn)要求。沈陽 SIASUN公司對曲軸表面進行了激光熔覆強化，使得零件表面質(zhì)量得到了顯著 提高，曲軸的使用壽命也達到原來使用壽命的1倍以上。張杰飛等人 對AM60B鎂合金汽車輪轂進行 了表面激光熔覆后，使得 AM60B鎂合金汽車 輪轂在中性鹽霧腐蝕240 h后的質(zhì)量損失減少91.63%,在酸雨全浸腐蝕240 h 的質(zhì)量損失率下降93.35%,磨損體積減小71.08%,有效提高了汽車輪轂的耐 腐蝕性。3.2 在汽車模具表面

33、強化與修復中的應用激光熔覆技術(shù)在汽車工業(yè)中的另一重要應用 就是該技術(shù)在汽車模具表面強 化與修復中的應用，一般模具在工作一定時間后表面會因磨損、腐蝕、 接觸疲 勞而導致模具失效，在汽車制造業(yè)中普遍存在著模具因過早失效而需要維修或重新制造模具的情況，因此運用激光熔覆技術(shù)進行模具修復是延長模具使用壽命的有效方法。汽車覆蓋件模具在使用時經(jīng)常出現(xiàn)拉毛缺陷，嚴重時約生產(chǎn)1520件就要維修一次，給生產(chǎn)造成相當大的麻煩。因此為了強化汽車覆蓋件模具，解決拉 毛缺陷，宋啟明等人對模具凸、凹模進行了激光熔覆修復，熔覆后的模具表面光滑，無氣孔、砂眼產(chǎn)生，工件合格率達到96%以上。劉建永等人采用機器人 激光熔覆技術(shù)對汽

34、車覆蓋件拉深模進 行了局部強化，使用Fe40合金先在模具 表面熔覆一層后，再使用GXN-65A和XY-27F-X40合金粉末進行分區(qū)熔覆， 得到了較為良好的工藝效果。在汽車模具中，激光熔覆技術(shù)在強化與修復沖壓模和熱鍛模方面也有著較 好的應用。沖壓模具 在工作過程中承受著周期性載荷的沖擊與磨損，工 作一段 時間后表面就會存在嚴重的凹坑、點蝕。因 止匕，為滿足沖壓模具需要的高硬度、 高耐磨以及耐腐蝕等特性，馬向東等人對沖裁車用 4 mm厚、材料是Q235板 材結(jié)構(gòu)件的CU2沖裁模具進行了激光熔覆修復。模具的主要失效形式是裂紋和 刃口剝落，采用Fe901合金粉末修復后模具硬度雖為 HRC54低于淬火

35、基體，但 是Fe901熔覆層的磨損量 比Cr12基體的磨損量降低多達70%以上，使得模具 具有優(yōu)良的耐磨性。熱鍛模在工作中需要有較強的抗熱疲勞性，一般熱鍛模在 經(jīng)過幾千次使用后就會因表面產(chǎn)生裂紋而不能使用。為提高熱鍛模具的使用壽命，張春華等人在H13熱作模具鋼上 采用2 kW的CO2激光器熔覆Stellite x-40鉆基合 金，經(jīng)生產(chǎn)實際考查，采用激光熔覆處理后的H13鋼模具使用壽命提高到原來的3倍以上。國內(nèi)汽車零件使用的熱鍛模在功率密度為4X103 W?cm-2的條件下熔覆48Cr-28Ni-2Al-6C-2Mo合金粉末，熔覆后的模具表面具有 高硬度、耐高溫、摩擦系數(shù)較小以及較好的耐腐蝕性

36、。止匕外，趙洪運等人在熱輾鍛模具表面應用激光熔覆技術(shù)，熔覆添加WC硬質(zhì)相的Co基合金粉 末，熔覆后使得模具壽命提高了 5倍以上，為工廠帶來了 上千萬元的經(jīng)濟效益。王順興等人在滾動軸承套圈熱沖模上激光熔覆含有 WC 與CeO2的Ni60合金粉末，處理后通過裝機試驗發(fā)現(xiàn)該熱沖 模的壽命提高到了 原來的1倍以上。3.3 在零件再制造中的應用汽車工業(yè)領(lǐng)域中，曲軸和變速箱的再制造問題在使用激光熔覆技術(shù)后能較 好地解決。封慧等 人在45鋼曲軸連桿軸頸上進行激光熔覆 Fe基合金 粉末，經(jīng) 磨削加工后，軸頸表面光滑，無裂紋和氣孔 等缺陷，熔覆層硬度達到了基體的 23倍，解決了曲軸在工作過程中軸頸較易出現(xiàn)磨損和

37、裂紋的情況，避免了因此而導致曲軸整體報廢的問題。康縣 鋒等人在汽車變速箱再制造過程中，選擇 材料為20CrMnTi、8620H的齒輪及軸類零件，材料為HT200、HT250等 的殼體零件及其他一些材料為40Cr及ZG310-570的零部件，對其采用 同步式激光熔覆。激光熔覆修復后的零件在硬度、強度及耐磨性方面均恢復了 原零件的服役性能，從根本上解 決了廢舊零件只能直接報廢或回爐處理的現(xiàn)狀， 是變速器零部件再制造項目中的一項重要表面技術(shù)。激光熔覆在發(fā)動機氣門以及閥座的再制造方 面也有著較為廣泛的應用。 Kazuhiko Mori等人 對廢舊的發(fā)動機氣門表面激光熔覆 Stellite No.32合金與傳 統(tǒng)的氧乙烘氣焊修復方式進行了性能對比。在發(fā)動機上測試200 h后，激光熔覆氣門表面 的磨損量是氣焊修復后磨損量的1/3,表面腐蝕少，總體性能方面 與氣焊相比得到了較大提高。王愛 華等人采用激光熔覆工藝在發(fā)動機排氣閥閥 門座表面熔覆NiCrBSi和CoCrW自熔合金粉末，與傳 統(tǒng)的等離子噴涂和真空 感應熔焊技術(shù)相比，不僅得 到了更好的晶粒組織，較小的熱影響區(qū)，而且使得 閥門座表面的耐磨性和耐蝕性提高到了原來的34倍。J Arnold 26等