单元设计--激光熔覆成型（LCF）技术材料

1、浙江工贸职业技术学院单元教学设计2016 2017 学年 第 二 学期课程名称： 3D打印工艺实践 授课班级： 任课教师： 金露凡 所在院（系）： 材料工程系 单元序号及单元标题： 激光熔覆成型（LCF）技术材料授课班级光机电应用技术上课时间2课时上课地点多媒体教室教学目的了解激光熔覆成型（LCF）技术材料体系；掌握激光熔覆成型（LCF）技术材料选用规则；了解激光熔覆成型（LCF）技术材料前处理及预处理过程；教学目标能力（技能）目标知识目标了解激光熔覆成型（LCF）技术材料前处理及预处理过程；了解激光熔覆成型（LCF）技术材料体系；掌握激光熔覆成型（LCF）技术材料选用规则；重点难点及解决方法

2、重点：掌握激光熔覆成型（LCF）技术材料选用规则；难点：了解激光熔覆成型（LCF）技术材料体系；解决方法：结合动画进行工艺流程的讲解。参考资料1. 吴怀宇著.3D打印三维智能数字化创造. 北京：电子工业出版社 ， 2014.012. 杨继全等编著.三维打印设计与制造. 北京：科学出版社 ， 2013.113. 魏青松编. 粉末激光熔化增材制造技术. 武汉：华中科技大学出版社，2013.064. 美胡迪.利普森等编著. 3D打印技术. 北京：中信出版社 ， 2013.045. 史玉升著. 粉末材料选择性激光快速成形技术及应用. 北京：科学出版社，2012.096. 史玉升等编著. 激光制造技术.

3、 北京：机械工业出版社， 2011.127. 周建忠等编著.激光快速制造与应用. 北京：化学工业出版社 ， 2009.02单元教学设计基本框架第一部分：组织教学和阐述本部分知识的总体概况 （时间：2分钟）1、回顾激光熔覆成型（LCF）技术的基本原理、特点、系统及各个组成部分和应用2、总述本次课学习激光熔覆成型（LCF）技术的所用材料体系、材料选用和材料预处理方法和过程。第二部分：学习新内容【步骤一】说明主要教学内容、目的 （时间：3分钟）教学内容：激光熔覆成型（LCF）技术的所用材料体系、材料选用和材料预处理方法和过程。教学目的：了解激光熔覆成型（LCF）技术材料体系；掌握激光熔覆成型（LCF

4、）技术材料选用规则；了解激光熔覆成型（LCF）技术材料前处理及预处理过程；【步骤二】 新知识的引入 （时间：20分钟）激光熔覆成型（LCF）技术材料体系(1) 自熔性合金粉末：可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅，具有自脱氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度与合金含硼量和含碳量有关，随硼、碳含量的增加而提高，这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。(2) 碳化物复合粉末体系：由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。这类粉末中的粘结相能在一定程度上

5、使碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系适应于低温(560)的工作条件，而(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2系适用于高温工作环境。此外，(Co、Ni)/WC复合粉还可与自熔性合金粉末一起使用。(3) 氧化物陶瓷粉末：具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能，主要分为氧化铝和氧化锆两个系列， 而后者比前者具有更低的热导率和更好的抗热震性能，因而广泛用作热障涂层材料。激光熔覆过程中熔覆粉末和基体表面形成一薄层，薄层熔化并快速凝固成型，且熔覆层稀释率极低。因此，熔覆层与基体具有良好的冶金结合，并且显著改善基体材料的各种特性

6、，如硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。【步骤三】新知识的引入 （时间：20分钟） 激光熔覆成型（LCF）技术设计的一般原则1 激光熔覆成型材料与基体热膨胀系数的匹配激光熔覆成型材料与基体之间的热膨胀系数的差异，是熔覆成型过程中产生裂纹的重要原因。这种差异会影响熔覆层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能。同一性原则：材料与基体的热膨胀系数应尽可能地接近。2 激光熔覆成型材料与基体熔点的匹配3 激光熔覆成型材料对基体的润湿性【步骤四】新知识的引入 （时间：40分钟） 激光熔覆成型材料预处理不管是预置式激光熔覆和同步式激光熔覆的主要工艺流程都包含了预处理过程。1、基体预处理；2、熔覆材料预处理 1、

7、基体尺寸：预先加工的基体尺寸大小主要是根据激光熔覆特点而定。必须考虑基体要有一定的热容量，才能实现快速熔化和快速凝固的冶金过程。二、熔覆材料预处理1、粉末颗粒范围：激光熔覆过程中粉末颗粒大小会影响熔覆质量，粉末过大，在高温中滞留加热过程会被氧化；粉末过小，粉末不易均匀送入激光束中。粉末颗粒粒度范围一般在100-300目。2、粉末颗粒形貌：粉末颗粒形貌复杂会使得粉末无法均匀流畅到达工件表面，容易堵塞送粉口或者造成脉动送粉。一般选择球形粉末，具有较好的流动性。第三部分：总结、布置作业、说清楚作业的要求 （时间：5分钟）总结：本次课主要讲解了本次课主要介绍了激光熔覆成型技术的所用材料体系、材料选用和

8、材料预处理方法和过程。熔覆材料应满足环境使用性能要求，如耐磨、耐蚀、耐高温等，针对不同的使用要求合理设计熔覆材料体系。熔覆材料应具有良好的固态流动性。熔覆粉末的形状、表面状态、粒度分布和粉末湿度是影响熔覆粉末流动性的相关因素，其中，球状粉末流动性最好，且粒度一般控制在40200m。熔覆材料应具有良好的脱氧、造渣能力，熔化后可与氧生成低熔点化合物覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，减少熔覆层的含氧量和夹杂等。粉末材料应与基体材料具有良好的相容性，包括熔点、热膨胀系数、润湿性等。熔覆材料与基体金属熔点相近， 则易形成与基体结合良好且稀释率小的熔覆层， 热膨胀系数相近则可降低裂纹与剥落问题的产生。本次课主要介绍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、复合粉末和高熵合金粉末。介绍了激光熔覆成型技术材料设计的一般原则和材料选用的要求等基本概况。学习了激光熔覆成型前处理的方法过程，包括粉末处理和工件处理及其具体处理过程。激光熔覆材料预处理过程，包括基体和熔覆材料。作业：作业1：什么叫做高熵合金粉末？作业2：镍