激光先進制造技術 課件 第4章 超高速激光熔覆技術

激光先進制造技術LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特種加工技術2.激光沖擊強化技術3.激光熔覆技術4.超高速激光熔覆技術5.激光焊接技術6.激光復合制造技術7.激光微細復合加工技術章節(jié)目錄4.1超高速激光熔覆技術概述4.2關鍵工藝參數(shù)

4.2.1送粉氣流量4.2.2粉末粒徑4.2.3送粉率

4.2.4激光功率4.2.5熔覆速率4.3典型案列4.4技術展望課程內容4.1超高速激光熔覆技術概述4.1.1技術起源4/41大型工程關鍵構件在粉塵、噪音、水汽、液體和有害氣體等惡劣的工況環(huán)境下遭受腐蝕和磨損，極易產(chǎn)生失效和破壞,因此：需要更高強度、耐磨性及耐腐蝕性能；大型構件局部損傷，再制造后整體性能超過新品。對大型工程構件表面強化和再制造技術提出了嚴峻挑戰(zhàn)5/414.1超高速激光熔覆技術鍍硬鉻冷噴涂堆焊制造環(huán)境污染(Cr6+)材料局限性大危險性高能源和資源浪費能量消耗大噪音污染大材料局限性大裂紋敏感性高氧化性高綠色無污染和高效高性能的制造要求日益增加4.1.1技術起源6/414.1超高速激光熔覆技術概述超高速激光熔覆為激光制造領域帶來的革新性技術進步4.1.1技術起源綠色制造：無噪音和環(huán)境污染經(jīng)濟低耗：可調控的熔覆層厚度，大幅降低成品件成本高質高效：優(yōu)異的耐磨耐腐性能，顯著縮短制造的時間4.1.2加工原理7/414.1超高速激光熔覆技術概述光斑直徑：<1mm，激光能量：3000W/cm2激光能量主要作用粉末;能量分配：基材20%，粉末80%單層厚度小，熱影響層淺稀釋率很低(<3%)粉末溫度高于熔點速度25-200m/min光斑直徑：2-4mm，激光能量：70-150W/cm2激光能量主要作用基材，能量分配：基材80%，粉末20%單層厚度大，熱影響層較深稀釋率高(10%)粉末溫度低于熔點速度0.3-1.8m/min本質區(qū)別：光粉耦合位置不同8/414.1超高速激光熔覆技術概述4.1.2加工原理粉末流狀態(tài)超高速激光熔覆狀態(tài)（表面光滑）通常采用正離焦方式，即激光束焦點匯聚于基體表面上方位置（0.2-3mm）。粉末顆粒受熱達到熔點，會以液態(tài)方式注入到基體表面的熔池，并快速凝固得到與基體具有良好冶金結合的薄涂層，使得熔覆層的熱影響區(qū)小、表面光潔度較高、稀釋率較小。9/414.1超高速激光熔覆技術概述4.1.2加工原理-稀釋率稀釋率是指在激光熔覆中，由于熔化基材的混入而引起的熔覆合金成分的變化程度，用基材合金占總熔覆層的百分率表示。η為稀釋率，ρp、ρs

分別為粉末、基體材料的密度，Xp+s、Xs、Xp分別為元素X在熔覆層、基體和粉末中的質量分數(shù)。簡化A1、A2分別為熔覆區(qū)截面面積、基體熔化區(qū)截面面積H、h分別代表熔覆層的高度、基體的熔化深度10/414.1超高速激光熔覆技術概述4.1.2加工過程11/414.1超高速激光熔覆技術概述4.1.2技術對比常規(guī)激光熔覆涂層截面金相超高速激光熔覆涂層截面金相

常規(guī)激光熔覆涂層表面

超高速激光熔覆涂層表面

12/414.1超高速激光熔覆技術概述4.1.2技術對比4.1超高速激光熔覆技術概述13/414.1.3加工系統(tǒng)和裝備系統(tǒng)示意圖涂層制備過程熔覆頭送粉器其運動機構主要由夾持工件的旋轉機構和固定激光熔覆頭的XYZ三維數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成。車床夾持工件旋轉達到設定轉速后，機器臂帶動熔覆頭沿工件軸向移動進行涂層的高速熔覆。加工頭和雙桶送粉器配合能夠在加工過程中實現(xiàn)均勻穩(wěn)定的送粉，提高粉末的利用率。4.1超高速激光熔覆技術概述14/414.1.3加工系統(tǒng)和裝備同軸送粉噴嘴是熔覆質量和效率的關鍵構件核心器件—送粉噴嘴4.1超高速激光熔覆技術概述15/414.1.3加工系統(tǒng)和裝備實現(xiàn)25-53μm粉末長距離穩(wěn)定輸送與2-150g/min的高效送粉速率實現(xiàn)±2g/min的送粉精度的精確控制與大氣流狀態(tài)下的流量穩(wěn)定調節(jié)實現(xiàn)恒定的加溫和保溫與均勻的攪拌核心器件—送粉器4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)16/41在粉末顆粒運動過程中不同送粉氣流量下的最大粉末流速從1.81m/s提升到2.67m/s，最大流速隨送粉氣流量的增大而提高。當粉末流速在2.26m/s時，粉末匯聚點處的飛濺相對嚴重，而當粉末流速在2.06m/s時，粉末匯聚點處的飛濺現(xiàn)象最小。4.2.1送粉氣流量-最大流速3L/min4L/min6L/min8L/min10L/min4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.2粉末粒徑-粉末顆粒運動軌跡17/41隨著粉末粒徑從40μm增大到140μm，粉末顆粒到達基體平面的速度從2.4m/s降低到1.63m/s。粉末粒徑越大，在同一水平高度的顆粒運動速度越均勻，同時受到保護氣垂直向下的作用影響越小，使粉末流遠離基體平面垂直向上匯聚。40μm48μm80μm106μm140μm粉末顆粒從送粉頭入口進入到噴嘴噴出一直在加速，噴出后粉末顆粒在重力和保護氣的作用下，運行軌跡發(fā)生局部改變但總體向下。18/41送粉速率增加使熔覆層厚度增加，距離激光光源與激光焦點越近，單位時間內受到激光輻照所吸收的能量越密集，熔池內的最高溫度也隨送粉速率上升而提高。送粉率增加使熔覆層與基體受到的激光能量密度增加，使更多的熔覆材料和基體材料達到熔點，從而擴大熔池面積。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.3送粉率-溫度場20g/min30g/min40g/min指單位時間內噴出的熔覆材料的量既要保證粉末充分熔化，同時粉末也不能過燒，與粉末熔點特性、激光功率、工件運動線速度息息相關。19/41超高速激光熔覆溫度場的整體溫度隨激光功率的增大而上升,整體溫度分布趨勢相似。隨激光功率增加，基體和熔覆層的熱流密度增加，使受激光輻照區(qū)域內的材料熔化區(qū)域增多，形成的熔池長度和寬度隨溫度的升高明顯增加，而熔池的深度隨溫度升高增長較慢。當熔覆層的溫度達到1350K時材料開始熔化，1650K時完全熔化。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.4激光功率-溫度場1500W1800W2000W2500W一個度量單位時間內輸出能量的物理量綱，其所用的度量單位與電功率一樣，也是W(瓦)或毫瓦（mW）4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)20/41激光功率較低時，僅高斯分布激光光斑中心粉末和基體熔化，呈中間高、兩側低現(xiàn)象；隨著激光功率的增加，產(chǎn)生的熱量增多，光斑中高能量的區(qū)域增大，熔化的合金粉末和基體增多，就呈現(xiàn)出了熔覆層出現(xiàn)坡度較緩的狀態(tài)。4.2.4激光功率-單道形貌3000W4000W5000W6000W“瘤狀”形貌表面不平整，熔覆層寬度增大，然存在較多半熔顆粒連續(xù)平整熔覆層熔覆層表面中間高、兩邊低的現(xiàn)象得到明顯改善21/41隨激光功率增大，熔覆層寬度及厚度逐漸增加。但是由于熔池中對流作用加強，基體材料熔化部分增大，導致稀釋率增大，對熔覆涂層的性能會產(chǎn)生一定的影響可以看出，激光功率為4000W-6000W時，熔覆層的成形性良好。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.4激光功率-單層表面形貌3000W4000W5000W6000W熔覆層厚度熔覆層寬度22/41熔覆層高度、熔池深度和寬度隨著熔覆速率的增加而逐漸減小，溫度分布趨勢隨著熔覆速率的增加越密集。單位時間內輸入能量一定時，隨熔覆速率增大，單位時間內輻照總面積增加而單位面積內吸收的能量減少，因此，熔池深度和寬度都減小。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-溫度場250mm/s300mm/s400mm/s熔覆線速度和熔覆效率均可表示熔覆速度大小23/41熔覆速率較低時，熔覆層兩側存在少量飛濺液滴顆粒，整體平整，熔覆層表面沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷；隨著熔覆速率的提升，熔道表面出現(xiàn)半熔顆粒，熔道寬度變窄，熔覆層表面明顯不平整，呈現(xiàn)出中間存在隆起，兩側表面存在大量未熔粉末顆粒雜質的形貌，4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-單道形貌20m/min40m/min60m/min80m/min熔覆寬度較大，表面光潔且厚度均勻熔覆層的高度與寬度明顯較小，表面粗糙24/41隨著熔覆速率的提高，單位時間內進入熔池的粉末量減少，激光束對基體材料及熔覆合金粉末的作用時間變短，合金粉末吸收的熱量減少，熔覆層的寬度和厚度減小。然而熔覆速率過大，激光輻照時間過短，激光輸入熱量過小，熔覆層表面成形性變差。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-單層表面形貌20m/min40m/min60m/min80m/min熔覆層厚度熔覆層寬度25/41激光功率：2200W掃描速度：30m/min激光功率：2200W掃描速度：40m/min激光功率：2300W掃描速度：50m/min激光功率：2400W掃描速度：60m/min在熔覆速率相對較低的30m/min情況下，有許多未熔化或者是半熔化的粉末顆粒附著在涂層表面，隨著熔覆速率的不斷提高，涂層表面質量有明顯改善。超高速激光熔覆層表面粗糙度小(Ra＜20μm)，無需車削加工，可直接精磨。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-多道搭接表面形貌Ra=20.525μmRa=17.500μmRa=15.496μmRa=11.249μm26/41熔覆層中形成了特殊的“多米諾骨牌”形的多層重疊結構，由于其特殊的搭接結構，使得熔覆層的表面更加均勻平整隨著熔覆速率的增加，熔覆層的截面厚度不斷減小，同時均伴有明顯的搭接線，這是由于更高的速率導致單軌的厚度變得更薄，從而引起單層厚度減小。組織致密，晶粒細小且分布均勻4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-單層截面金相30m/min40m/min50m/min60m/min27/41隨著沉積速度的增加，四種熔覆層的截面中樹狀晶的尺寸減小，數(shù)量減少，細小的等軸晶逐漸增多。整體上超高速激光熔覆涂層的組織相對精細，并且枝晶的生長方向也比較均勻4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-單層截面掃描電鏡近表層（A）：由均勻細小的等軸晶組成，枝晶生長方向一致，致密性較高中部（B）：外延生長的樹狀晶，樹狀晶生長方向近似垂直于搭接熔合線，在每兩道搭接熱影響處的枝晶組織略有粗化基體搭接區(qū)（C）：以少量的平面晶和柱狀晶為主，近結合面處組織為較為粗大的樹狀晶30m/min40m/min50m/min60m/min28/41不同熔覆速率下超高速激光熔覆涂層中元素含量分布差異較小，表明熔覆層成分整體分布比較均勻，有效減少了成分偏析。鉻(Cr)在枝晶邊界處的固溶性比其他元素要高得多，導致在枝晶邊界處富集的Cr元素多于在枝晶內部富集的Cr元素。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-顯微組織元素分布30m/min40m/min50m/min60m/min29/41呈許多彩色片狀或塊狀的晶粒，不同顏色的條帶顯示出不同的晶體取向，表明片狀或塊狀物以一定的角度形成隨著熔覆速率的不斷增加，塊狀或者片狀的晶粒尺寸不斷減小，表明其等軸化趨勢逐漸明顯。絕大部分晶粒尺寸維持在4μm左右，并且平均晶粒尺寸均小于1μm，逐漸向納米化發(fā)展。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-晶粒尺寸30m/min40m/min50m/min60m/min30/41熔覆層在相對較高的50和60m/min的熔覆速率下，其平均顯微硬度值在550-630HV0.2之間，這高于在30和40m/min的情況下的硬度值。隨著離表面距離增大，硬度逐漸降低4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-顯微硬度硬度儀硬度曲線31/41涂層的摩擦系數(shù)隨熔覆速率的增加呈下降趨勢。與超高速激光熔覆涂層的摩擦系數(shù)(~0.3-0.4)相比，常規(guī)激光熔覆涂層的平均摩擦系數(shù)略高(~0.5-0.6)。然而以50m/min和60m/min的激光熔覆速率制備涂層的摩擦系數(shù)幾乎相等，表明當熔覆速率達到或超過一定值時，鐵基涂層的耐磨性將達到一個閾值。4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)4.2.5熔覆速率-摩擦磨損性能UMT摩擦磨損試驗機摩擦曲線磨損率4.2超高速激光熔覆關鍵工藝參數(shù)32/4145鋼管件表面超高速激光熔覆層工藝參數(shù)優(yōu)化（正交實驗法）45鋼+Fe粉末（JG-8）Fe基粉末（JG-8）CCrSiMnNiFeMo0.1016.721.000.414.39余量1.73激光功率：1400-2800W；掃描速度：10-80m/min4.2.6參數(shù)研究4.3超高速激光熔覆技術典型案例33/414.3.1冶金超長芯棒修復再制造第一步，機加工去除掉腐蝕的部分直至光滑表面；第二步，在光滑表面進行超高速激光熔覆涂層至比原芯棒直徑略粗；第三步，機加工至原尺寸，完成芯棒的表面修復。冶金超長芯棒再制造熔覆效率可達0.8m2/h，再制造效率提升5倍以上。4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.2農(nóng)機關鍵構件修復再制造34/41第一步，機加工去除損傷處，并精整形狀；第二步，在表面進行超高速激光熔覆制造；第三步，機加工至原尺寸，完成農(nóng)機構件的表面修復。農(nóng)機關鍵構件再制造成品件的抗拉強度提升50%，熔覆效率達1.3m2/h以上。4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.3超高速激光熔覆液壓活塞桿35/41>6.0mg/m3高塵＞10t高負載約120次/h高頻地下隧道掘進地下煤炭開采服役環(huán)境惡劣，工況復雜，關鍵部件易損壞修復再制造技術成為首選解決方案液壓活塞桿應用場景與修復需求4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.3超高速激光熔覆液壓活塞桿36/41工藝參數(shù)激光功率(W)熔覆速率(m/min)搭接率(%)送粉速率(g/min)保護氣流量(L/min)光斑大小(mm)122003070%136.51.2222004070%136.51.2323005070%136.51.2425006070%136.51.2液壓活塞桿超高速激光熔覆修復參數(shù)液壓活塞桿超高速激光熔覆修復用金屬粉末耐磨耐蝕Fe基粉末CCrMnNiMoVSiNbCoFe0.1017.450.134.390.290.040.980.220.11余量液壓活塞桿超高速激光熔覆修復目標修復層厚度大于0.1mm，硬度達到500HV以上，抗磨損性能提高30%，耐腐蝕性能提高20%。4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.3超高速激光熔覆液壓活塞桿37/41產(chǎn)地：德國Laserline生產(chǎn)，半導體核心光源部件質保五年，其它部件質保1-2年。大眾汽車生產(chǎn)線采用;型號：4kW，80-100萬（含激光器、水冷機組、10m光纖、激光光學與送粉工作頭），性價比最高;高效率版本：10kW，價格在200萬左右，主要是液壓支架領域使用;集成：和其它配套設備集成后（機器人、3-5m滑臺、床頭箱、托輥及頂尖、氣動送粉器、穩(wěn)壓電源等），市場價格在180萬左右?，F(xiàn)場修復主要是該款設備；維護：3-5萬/年，易損部件為保護鏡片、光纖、激光光學與送粉工作頭。液壓活塞桿超高速激光熔覆修復用激光器4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.3超高速激光熔覆液壓活塞桿38/41損傷/待強化活塞桿表面粗加工超高速激光熔覆加工加工表面磨削拋光批量化生產(chǎn)液壓活塞桿超高速激光熔覆修復流程4.3超高速激光熔覆技術典型案例4.3.3超高速激光熔覆液壓活塞桿39/41液壓活塞桿超高速激光熔覆修復結果顯微硬度/HV距離涂層表面沿深度方面距離/μm熔覆速率/m/min磨損量/mg液壓活塞桿