激光先进制造技术 课件 第4章 超高速激光熔覆技术

激光先进制造技术LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特种加工技术2.激光冲击强化技术3.激光熔覆技术4.超高速激光熔覆技术5.激光焊接技术6.激光复合制造技术7.激光微细复合加工技术章节目录4.1超高速激光熔覆技术概述4.2关键工艺参数

4.2.1送粉气流量4.2.2粉末粒径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技术展望课程内容4.1超高速激光熔覆技术概述4.1.1技术起源4/41大型工程关键构件在粉尘、噪音、水汽、液体和有害气体等恶劣的工况环境下遭受腐蚀和磨损，极易产生失效和破坏,因此：需要更高强度、耐磨性及耐腐蚀性能；大型构件局部损伤，再制造后整体性能超过新品。对大型工程构件表面强化和再制造技术提出了严峻挑战5/414.1超高速激光熔覆技术镀硬铬冷喷涂堆焊制造环境污染(Cr6+)材料局限性大危险性高能源和资源浪费能量消耗大噪音污染大材料局限性大裂纹敏感性高氧化性高绿色无污染和高效高性能的制造要求日益增加4.1.1技术起源6/414.1超高速激光熔覆技术概述超高速激光熔覆为激光制造领域带来的革新性技术进步4.1.1技术起源绿色制造：无噪音和环境污染经济低耗：可调控的熔覆层厚度，大幅降低成品件成本高质高效：优异的耐磨耐腐性能，显著缩短制造的时间4.1.2加工原理7/414.1超高速激光熔覆技术概述光斑直径：<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%单层厚度小，热影响层浅稀释率很低(<3%)粉末温度高于熔点速度25-200m/min光斑直径：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%单层厚度大，热影响层较深稀释率高(10%)粉末温度低于熔点速度0.3-1.8m/min本质区别：光粉耦合位置不同8/414.1超高速激光熔覆技术概述4.1.2加工原理粉末流状态超高速激光熔覆状态（表面光滑）通常采用正离焦方式，即激光束焦点汇聚于基体表面上方位置（0.2-3mm）。粉末颗粒受热达到熔点，会以液态方式注入到基体表面的熔池，并快速凝固得到与基体具有良好冶金结合的薄涂层，使得熔覆层的热影响区小、表面光洁度较高、稀释率较小。9/414.1超高速激光熔覆技术概述4.1.2加工原理-稀释率稀释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变化程度，用基材合金占总熔覆层的百分率表示。η为稀释率，ρp、ρs

分别为粉末、基体材料的密度，Xp+s、Xs、Xp分别为元素X在熔覆层、基体和粉末中的质量分数。简化A1、A2分别为熔覆区截面面积、基体熔化区截面面积H、h分别代表熔覆层的高度、基体的熔化深度10/414.1超高速激光熔覆技术概述4.1.2加工过程11/414.1超高速激光熔覆技术概述4.1.2技术对比常规激光熔覆涂层截面金相超高速激光熔覆涂层截面金相

常规激光熔覆涂层表面

超高速激光熔覆涂层表面

12/414.1超高速激光熔覆技术概述4.1.2技术对比4.1超高速激光熔覆技术概述13/414.1.3加工系统和装备系统示意图涂层制备过程熔覆头送粉器其运动机构主要由夹持工件的旋转机构和固定激光熔覆头的XYZ三维数控系统两部分组成。车床夹持工件旋转达到设定转速后，机器臂带动熔覆头沿工件轴向移动进行涂层的高速熔覆。加工头和双桶送粉器配合能够在加工过程中实现均匀稳定的送粉，提高粉末的利用率。4.1超高速激光熔覆技术概述14/414.1.3加工系统和装备同轴送粉喷嘴是熔覆质量和效率的关键构件核心器件—送粉喷嘴4.1超高速激光熔覆技术概述15/414.1.3加工系统和装备实现25-53μm粉末长距离稳定输送与2-150g/min的高效送粉速率实现±2g/min的送粉精度的精确控制与大气流状态下的流量稳定调节实现恒定的加温和保温与均匀的搅拌核心器件—送粉器4.2超高速激光熔覆关键工艺参数16/41在粉末颗粒运动过程中不同送粉气流量下的最大粉末流速从1.81m/s提升到2.67m/s，最大流速随送粉气流量的增大而提高。当粉末流速在2.26m/s时，粉末汇聚点处的飞溅相对严重，而当粉末流速在2.06m/s时，粉末汇聚点处的飞溅现象最小。4.2.1送粉气流量-最大流速3L/min4L/min6L/min8L/min10L/min4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.2粉末粒径-粉末颗粒运动轨迹17/41随着粉末粒径从40μm增大到140μm，粉末颗粒到达基体平面的速度从2.4m/s降低到1.63m/s。粉末粒径越大，在同一水平高度的颗粒运动速度越均匀，同时受到保护气垂直向下的作用影响越小，使粉末流远离基体平面垂直向上汇聚。40μm48μm80μm106μm140μm粉末颗粒从送粉头入口进入到喷嘴喷出一直在加速，喷出后粉末颗粒在重力和保护气的作用下，运行轨迹发生局部改变但总体向下。18/41送粉速率增加使熔覆层厚度增加，距离激光光源与激光焦点越近，单位时间内受到激光辐照所吸收的能量越密集，熔池内的最高温度也随送粉速率上升而提高。送粉率增加使熔覆层与基体受到的激光能量密度增加，使更多的熔覆材料和基体材料达到熔点，从而扩大熔池面积。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.3送粉率-温度场20g/min30g/min40g/min指单位时间内喷出的熔覆材料的量既要保证粉末充分熔化，同时粉末也不能过烧，与粉末熔点特性、激光功率、工件运动线速度息息相关。19/41超高速激光熔覆温度场的整体温度随激光功率的增大而上升,整体温度分布趋势相似。随激光功率增加，基体和熔覆层的热流密度增加，使受激光辐照区域内的材料熔化区域增多，形成的熔池长度和宽度随温度的升高明显增加，而熔池的深度随温度升高增长较慢。当熔覆层的温度达到1350K时材料开始熔化，1650K时完全熔化。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.4激光功率-温度场1500W1800W2000W2500W一个度量单位时间内输出能量的物理量纲，其所用的度量单位与电功率一样，也是W(瓦)或毫瓦（mW）4.2超高速激光熔覆关键工艺参数20/41激光功率较低时，仅高斯分布激光光斑中心粉末和基体熔化，呈中间高、两侧低现象；随着激光功率的增加，产生的热量增多，光斑中高能量的区域增大，熔化的合金粉末和基体增多，就呈现出了熔覆层出现坡度较缓的状态。4.2.4激光功率-单道形貌3000W4000W5000W6000W“瘤状”形貌表面不平整，熔覆层宽度增大，然存在较多半熔颗粒连续平整熔覆层熔覆层表面中间高、两边低的现象得到明显改善21/41随激光功率增大，熔覆层宽度及厚度逐渐增加。但是由于熔池中对流作用加强，基体材料熔化部分增大，导致稀释率增大，对熔覆涂层的性能会产生一定的影响可以看出，激光功率为4000W-6000W时，熔覆层的成形性良好。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.4激光功率-单层表面形貌3000W4000W5000W6000W熔覆层厚度熔覆层宽度22/41熔覆层高度、熔池深度和宽度随着熔覆速率的增加而逐渐减小，温度分布趋势随着熔覆速率的增加越密集。单位时间内输入能量一定时，随熔覆速率增大，单位时间内辐照总面积增加而单位面积内吸收的能量减少，因此，熔池深度和宽度都减小。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-温度场250mm/s300mm/s400mm/s熔覆线速度和熔覆效率均可表示熔覆速度大小23/41熔覆速率较低时，熔覆层两侧存在少量飞溅液滴颗粒，整体平整，熔覆层表面没有出现裂纹等缺陷；随着熔覆速率的提升，熔道表面出现半熔颗粒，熔道宽度变窄，熔覆层表面明显不平整，呈现出中间存在隆起，两侧表面存在大量未熔粉末颗粒杂质的形貌，4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-单道形貌20m/min40m/min60m/min80m/min熔覆宽度较大，表面光洁且厚度均匀熔覆层的高度与宽度明显较小，表面粗糙24/41随着熔覆速率的提高，单位时间内进入熔池的粉末量减少，激光束对基体材料及熔覆合金粉末的作用时间变短，合金粉末吸收的热量减少，熔覆层的宽度和厚度减小。然而熔覆速率过大，激光辐照时间过短，激光输入热量过小，熔覆层表面成形性变差。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-单层表面形貌20m/min40m/min60m/min80m/min熔覆层厚度熔覆层宽度25/41激光功率：2200W扫描速度：30m/min激光功率：2200W扫描速度：40m/min激光功率：2300W扫描速度：50m/min激光功率：2400W扫描速度：60m/min在熔覆速率相对较低的30m/min情况下，有许多未熔化或者是半熔化的粉末颗粒附着在涂层表面，随着熔覆速率的不断提高，涂层表面质量有明显改善。超高速激光熔覆层表面粗糙度小(Ra＜20μm)，无需车削加工，可直接精磨。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数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熔覆层中形成了特殊的“多米诺骨牌”形的多层重叠结构，由于其特殊的搭接结构，使得熔覆层的表面更加均匀平整随着熔覆速率的增加，熔覆层的截面厚度不断减小，同时均伴有明显的搭接线，这是由于更高的速率导致单轨的厚度变得更薄，从而引起单层厚度减小。组织致密，晶粒细小且分布均匀4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-单层截面金相30m/min40m/min50m/min60m/min27/41随着沉积速度的增加，四种熔覆层的截面中树状晶的尺寸减小，数量减少，细小的等轴晶逐渐增多。整体上超高速激光熔覆涂层的组织相对精细，并且枝晶的生长方向也比较均匀4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-单层截面扫描电镜近表层（A）：由均匀细小的等轴晶组成，枝晶生长方向一致，致密性较高中部（B）：外延生长的树状晶，树状晶生长方向近似垂直于搭接熔合线，在每两道搭接热影响处的枝晶组织略有粗化基体搭接区（C）：以少量的平面晶和柱状晶为主，近结合面处组织为较为粗大的树状晶30m/min40m/min50m/min60m/min28/41不同熔覆速率下超高速激光熔覆涂层中元素含量分布差异较小，表明熔覆层成分整体分布比较均匀，有效减少了成分偏析。铬(Cr)在枝晶边界处的固溶性比其他元素要高得多，导致在枝晶边界处富集的Cr元素多于在枝晶内部富集的Cr元素。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-显微组织元素分布30m/min40m/min50m/min60m/min29/41呈许多彩色片状或块状的晶粒，不同颜色的条带显示出不同的晶体取向，表明片状或块状物以一定的角度形成随着熔覆速率的不断增加，块状或者片状的晶粒尺寸不断减小，表明其等轴化趋势逐渐明显。绝大部分晶粒尺寸维持在4μm左右，并且平均晶粒尺寸均小于1μm，逐渐向纳米化发展。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-晶粒尺寸30m/min40m/min50m/min60m/min30/41熔覆层在相对较高的50和60m/min的熔覆速率下，其平均显微硬度值在550-630HV0.2之间，这高于在30和40m/min的情况下的硬度值。随着离表面距离增大，硬度逐渐降低4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-显微硬度硬度仪硬度曲线31/41涂层的摩擦系数随熔覆速率的增加呈下降趋势。与超高速激光熔覆涂层的摩擦系数(~0.3-0.4)相比，常规激光熔覆涂层的平均摩擦系数略高(~0.5-0.6)。然而以50m/min和60m/min的激光熔覆速率制备涂层的摩擦系数几乎相等，表明当熔覆速率达到或超过一定值时，铁基涂层的耐磨性将达到一个阈值。4.2超高速激光熔覆关键工艺参数4.2.5熔覆速率-摩擦磨损性能UMT摩擦磨损试验机摩擦曲线磨损率4.2超高速激光熔覆关键工艺参数32/4145钢管件表面超高速激光熔覆层工艺参数优化（正交实验法）45钢+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；扫描速度：10-80m/min4.2.6参数研究4.3超高速激光熔覆技术典型案例33/414.3.1冶金超长芯棒修复再制造第一步，机加工去除掉腐蚀的部分直至光滑表面；第二步，在光滑表面进行超高速激光熔覆涂层至比原芯棒直径略粗；第三步，机加工至原尺寸，完成芯棒的表面修复。冶金超长芯棒再制造熔覆效率可达0.8m2/h，再制造效率提升5倍以上。4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.2农机关键构件修复再制造34/41第一步，机加工去除损伤处，并精整形状；第二步，在表面进行超高速激光熔覆制造；第三步，机加工至原尺寸，完成农机构件的表面修复。农机关键构件再制造成品件的抗拉强度提升50%，熔覆效率达1.3m2/h以上。4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.3超高速激光熔覆液压活塞杆35/41>6.0mg/m3高尘＞10t高负载约120次/h高频地下隧道掘进地下煤炭开采服役环境恶劣，工况复杂，关键部件易损坏修复再制造技术成为首选解决方案液压活塞杆应用场景与修复需求4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.3超高速激光熔覆液压活塞杆36/41工艺参数激光功率(W)熔覆速率(m/min)搭接率(%)送粉速率(g/min)保护气流量(L/min)光斑大小(mm)122003070%136.51.2222004070%136.51.2323005070%136.51.2425006070%136.51.2液压活塞杆超高速激光熔覆修复参数液压活塞杆超高速激光熔覆修复用金属粉末耐磨耐蚀Fe基粉末CCrMnNiMoVSiNbCoFe0.1017.450.134.390.290.040.980.220.11余量液压活塞杆超高速激光熔覆修复目标修复层厚度大于0.1mm，硬度达到500HV以上，抗磨损性能提高30%，耐腐蚀性能提高20%。4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.3超高速激光熔覆液压活塞杆37/41产地：德国Laserline生产，半导体核心光源部件质保五年，其它部件质保1-2年。大众汽车生产线采用;型号：4kW，80-100万（含激光器、水冷机组、10m光纤、激光光学与送粉工作头），性价比最高;高效率版本：10kW，价格在200万左右，主要是液压支架领域使用;集成：和其它配套设备集成后（机器人、3-5m滑台、床头箱、托辊及顶尖、气动送粉器、稳压电源等），市场价格在180万左右。现场修复主要是该款设备；维护：3-5万/年，易损部件为保护镜片、光纤、激光光学与送粉工作头。液压活塞杆超高速激光熔覆修复用激光器4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.3超高速激光熔覆液压活塞杆38/41损伤/待强化活塞杆表面粗加工超高速激光熔覆加工加工表面磨削抛光批量化生产液压活塞杆超高速激光熔覆修复流程4.3超高速激光熔覆技术典型案例4.3.3超高速激光熔覆液压活塞杆39/41液压活塞杆超高速激光熔覆修复结果显微硬度/HV距离涂层表面沿深度方面距离/μm熔覆速率/m/min磨损量/mg液压活塞杆