激光熔敷法制备超细合金送粉器的试验研究

激光熔敷法制备超细合金送粉器的试验研究

激光填充日益完成，该技术的专用送粉设备是其中的关键技术之一。目前，适用于该技术的传粉设备包括自送粉装置、螺旋送粉器和刮板送粉装置。国内外也报道了其他类似的送粉装置，但未对精细金属粉末的输送问题做出好的解决。例如，由于分散不均，很容易形成填充窗，送粉水流停滞，稳定性差等。此外，他们无法运送超细粉末，也不能满足零件复杂位置的加工要求。根据这一事实，本文设计了一种新的动力送粉装置，以弥补这方面的不足。1送粉器的装配结构本文设计的送粉器,其粉末喂送装置采用封闭式载气系统,气动输送采用分路输送,可造成负压输送,利于粉末流动和分散;其主体结构采用分体式,粉斗、粉体腔可分离且内充平衡气体,主要部件粉体腔采用整体式结构;利用粉轮拨送粉末,交流微型电机提供动力.送粉均匀易控,且避免了粉末挤压;这其中,密封腔密封性能的好坏是关键,因为既要保持气压平衡,又要防止粉末进入轴承腔.本设备对粉体腔采用多重密封,各密封点加置密封圈,密封性能优良.图1为送粉器装配结构示意图.在气动输送管路设计上,设计的输送气体分4路进入送粉器,即分别进入粉斗、粉斗与粉体腔之间的落粉通道、落粉腔、轴承座腔.第1路气体通入粉斗,其作用是在粉斗中存在一定的压力,从而使粉末易于下落,并且避免粉末回流;第2路气体送入粉斗与粉体腔之间的落粉通道,其进口位置在送粉开关的下方,作用与前者相似;第3路直接接落粉腔,这一路最关键,它直接与粉轮拨出的粉末接触,在落粉腔内将粉末分散,形成流体,出落粉腔口,流入输送橡皮管;第4路气体通入轴承座内腔,保持腔内正压,主要起平衡作用,防止粉轮旋转拨送粉末时粉末和外界灰尘进入轴承.另外,根据需要可在气路连接粉斗一端安装一个安全阀,保持粉斗的气压平衡.在落粉腔结构上,设计气流经入口进入再经入口下端的缩口后才进入落粉腔.在气动力学上定义这种先收缩后扩大的喷管为缩放管,也称拉法尔管.根据相似性原理,本系统中为了将粉轮沿圆周切线方向送出的初速度v0的粉末颗粒吹散和载送,落粉腔的结构采用了拉法尔管结构,气流通过渐缩通道,再经细小管道进入渐大管腔.这样,气流通过较短的通道即可获得较大的压力,当与粉轮拨送的粉末相遇时利于载送粉末以及粉末的分散.2反应的料性对送粉效果的影响在气动送粉试验中,针对要解决超细合金粉末的输送难题,笔者研究了Ni02C(Ni60)、WC、Al2O3-Cr2O33种不同料性的超细合金粉末的气动送粉,对比试验如表1.这3种粉末的基本料性如下:镍基合金粉密度较大,流动性好;Al2O3-Cr2O3密度很低,流动性差;WC粉末密度较镍基粉末稍大,流动性也差.送粉工艺参数如下:送粉量m(g/min);送粉精度ε(%);粉末利用率η(%);气流速度v(L/min);粉刻N;转速n(r/min).2.13机液比和送粉量图2为3种超细合金粉末在同一气流速度下(v=3L/min)的送粉曲线图.测定送粉量时发现,送粉量随转速的变化而变化,气流量影响粉流的速度.气流量增大,粉流速度增大.当然,送粉量的大小也与该种粉末的密度有一定关系.因相同体积的粉末,其质量不一,故相同转速、气流条件下,密度大的,每分钟输送的粉末质量大.2.2送粉精度计算对于送粉的均匀性问题,主要考察其单位时间内运输粉末的质量有无波动.不同转速下送粉运输的情况是个因素很多、情况比较复杂的问题,用送粉精度来界定运输的稳定性,定义的送粉精度可用下式来表示:ε=∑Δ/∑M(1)其中,∑Δ=8∑i=16∑j=5ΔniΤj∑Δ=∑i=18∑j=56ΔniTj为不同转速ni下Tj时刻的送粉量偏差和;∑Μ=8∑i=16∑j=5ΜniΤj∑M=∑i=18∑j=56MniTj为不同转速ni下Tj时刻的送粉总量;ni(r/min)为不同转速(30,40,50,…,90,100);Tj(min)为不同时刻(5,10,15,20,25,30).根据上述结果计算出了3种粉末的送粉精度.Ni02C(Ni60):最大ε=0.79%‚ˉε=0.38%;WC:最大ε=0.80%‚ˉε=0.40%;Al2O3-Cr2O3:最大ε=1.19%‚ˉε=0.57%.比重较小的Al2O3-Cr2O3的超细粉末受到气流的影响较前两者大.3试验材料及方法目前Ni基自熔性合金激光熔敷技术比较成熟,熔敷效果较好,而对于WC、Al2O3-Cr2O3等陶瓷材料熔敷技术还不成熟,熔敷效果不甚理想,因此,在后面两种超细粉末中添加了Ni基超细粉末以改善熔敷效果.即采用上述Ni02C(Ni60)、Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O33种不同料性的超细合金粉末粉.Ni02C(Ni60)合金粉具有流动性好、与基材相结合表面光洁、价格适中等特点;WC合金粉熔点较高,流动性差;Al2O3-Cr2O3合金粉熔点较高,流动性差.Ni02C(Ni60)、WC属于超细重粉,而Al2O3-Cr2O3属于超细轻粉.表2为Ni02C(Ni60)基本成份.试验基材皆选用不锈钢材料.根据试验条件,用聚焦法作了试验,基材为不锈钢钢片.激光工艺参数为激光功率P(kW)和激光扫描速度V(mm/s).其中,Ni02C(Ni60)(P=1.1kW,V=3mm/s);Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O3(P=1.3kW,V=3mm/s).3.1回用陶瓷材料从上述试验实际情况来看,Ni02C(Ni60)超细粉末由于是自熔性合金,熔池流动性好,形貌光洁、均匀.Ni-WC、Ni-Al2O3-Cr2O3虽然都添加了Ni基超细粉末,但由于WC、Al2O3是陶瓷材料,激光熔池流动性差,加上陶瓷材料的激光熔敷技术还没有很好解决,熔敷的外形特征不如前者.但是从熔敷层的形貌看,反映出了气动送粉器的送粉效果基本上还是较为理想的,即均匀性、分散性较好.3.2送粉的激光熔层偏移和空腔层的内部组织(1)图4显示了多通道尼02c60中细粉末的激光熔合过渡区域和熔合层的内部组织(2)如图5所示，单通道ni-wc粉末的激光熔层覆盖区域和熔层中的内部组织(3)载气状态下超细粉末颗粒表面形态特征Ni02C(Ni60)超细合金粉末多道搭接激光熔敷过渡层枝晶生长方向性很好,如图4(a),其多道搭接处枝晶分别向两边生长,分布均匀,如图4(b).Ni-WC熔敷层中,WC变成的相均布于枝晶之间,如图5(b).Ni-Al2O3-Cr2O3覆层枝晶方向性更好,如图6(a),富含Cr的相全部均布于Ni形成的枝晶上,如图6(b).从以上照片可见,载气状态下超细粉末颗粒分散更加均匀,激光与粉末材料相互作用更加充分,而且过渡层稀释率很低,如图4(a)、图5(a)和图6(a).4不同气流量条件下的粉末利用率从激光与粉末材料的相互作用看,无论是预置式还是送粉式激光熔敷,都存在一个粉末利用率的问题.对于气动送粉方式来说,粉末未被利用部分包括:①粉末在与激光相互作用时,因加热温度过高而被烧损或加热温度过低无法充分熔化的部分;②气流的作用使粉末飞溅,没有与激光束相互作用的部分.影响粉末利用率的因素很多,如粉末的材料性能、光束的形状与尺寸(光斑直径D或矩形光斑B×L)、激光功率P、送粉率Mp、扫描速度V、基材特性等.而在气动送粉激光熔敷中,气流量对粉末利用率的影响是最为显著的.因此,针对这样的特点,基于不同气流量条件下,观测了前述的3种超细合金粉末Ni02C(60)、WC和Al2O3-Cr2O3的粉末利用情况.令基材的质量为m1,t时间内所送粉的质量为m,熔敷后基材与熔敷层的总质量为M,则粉末的利用率η可以表示为:η=Μ-m1m%=Μ-m1Μpt%(2)粉末利用率是衡量激光熔敷的重要参数.通过试验,在同一粉刻情况下分别观测了不同气流量情况下,粉末利用率受气流量影响的情况.发现,当气流量v≤1L/min时,气流对粉末利用率影响不是很大,此时粉末利用率一般最大能达到60%以上.这与非载气自重式送粉器(JKF-6型)粉末利用率达到近90%的情况相符合,即气流对粉末的分散作用很小.当气流量超过这数值以后,发现它的大小对粉末利用率影响就十分明显了.当气流量达到5L/min时,粉末利用率一般在30%以下.因此,这时在进行激光熔敷时,就应当采取保护措施,避免粉末四处分散,且注意收集粉末.图7为3种粉末利用率比较图.从图7看,气流对Ni-Al2O3-Cr2O3粉末的利用率影响较大,轻细粉在较大气流下,粉末流散性大,当送粉量较小时,粉末利用率更小.所以对于细粉末的气流输送,既有有利的方面,较为容易输送,又容易把粉末吹散,不利于制造较厚的熔敷层.如将气流调节好,还是有较好的效果.从Ni02C(60)、Ni-WC、Hi-Al2O3-Cr2O3这3种超细粉末的粉末利用率的曲线图来看,Ni-Al2O3-Cr2O3的粉末利用率随着气流增大下降比前两者都要大.这当然与它的密度较小有关.