宽带激光熔覆铁基涂层工艺参数及性能研究北大核心CSCD

27SiMn钢液压支架在恶劣的工作条件下长期使用后,其表面容易形成腐蚀,磨损和疲劳损坏等缺陷。为提升其使用寿命,本文利用宽带激光熔覆技术在27SiMn钢表面进行制备铁基涂层的实验研究。基于控制变量的方法来依次调整激光功率、送粉速度、载气流量及扫描速度开展单道单因素熔覆试验,并以表面粗糙度为熔覆层质量评价指标初选工艺参数。基于单因素试验进一步开展4因素3水平正交试验,终选显微硬度为熔覆层质量评价指标。利用极差分析考察数据发现扫描速度对熔覆层显微硬度影响最大,其后依次为激光功率、载气流量和送粉速度,最优工艺参数为熔覆处在激光焦点位置且激光功率、送粉速度、在其流量和扫描速度分别为4000 W、2.50 rpm、6.9 L/min和600 rpm。同时对熔覆层进行了摩擦磨损试验,分析了摩擦因素、磨损率及磨损形貌,验证了工艺参数优化的可行性。最终,熔覆层平均硬度较基体提升2.2倍,磨损率较基体提升27%。工艺参数优化能够实现铁基合金粉末熔覆层表面硬度及耐磨性的显著提升,对熔覆修复27SiMn液压支架大有帮助。     

Ni60激光熔覆工艺参量对涂层裂纹及厚度的影响

为了研究工艺参量对激光熔覆Ni60涂层裂纹及厚度影响,采用在45#钢基材表面熔覆Ni60合金粉末的正交试验方法,分析了影响裂纹产生的工艺参量的主次因素以及影响涂层厚度的主要因素,并对试验结果进行极差分析,获取了裂纹最少的最优工艺参量。结果表明,影响裂纹产生的主次因素为扫描速率＞送粉速率＞激光功率,裂纹最少的工艺参量为激光功率1400W,扫描速率4.0mm/s,送粉速率为1.0r/min,此时,在熔覆起始位置出现了一条短裂纹;对涂层厚度的影响程度主次因素为送粉速率＞扫描速率＞激光功率;经测量,熔覆层的硬度是基材的3.3倍,通过扫描电镜分析,涂层与基材形成良好的冶金结合,熔覆层晶粒组织均匀致密。该研究为Ni60合金粉末激光熔覆工程化应用提供了参考。     

42CrMo钢管内壁激光熔覆层粗糙度及显微硬度研究

发动机缸体在服役中会有外界粉尘颗粒伴随着柴油、汽油进入缸体内部,磨损并腐蚀破坏缸体表面,影响发动机的性能。为实现缸体表面的修复,采用输出光斑大小为15 mm×3 mm的宽带激光熔覆头对发动机缸体表面进行单道宽带激光熔覆修复试验。熔覆基体材料为42CrMo钢,熔覆粉末材料为Fe316L。研究激光功率、送粉速度、送气流量及扫描速度等参数对熔覆质量的影响以及各参数的影响权重,并求得最佳工艺参数为激光功率4 250 W,送粉速度3 r/min,送气流量5.1 L/min及扫描速度459 r/min,且在焦点处熔覆时,熔覆质量较高,熔覆层上表面粗糙度为2.19μm,熔覆层显微硬度为552.9 HV。     

镍基高温合金激光熔覆数值模拟及回归正交试验优化

研究了高温镍基合金增材制造过程工艺参数与熔覆形貌、质量之间的关系。首先，利用ANSYS分析软件，采用APDL编程和生死单元技术在45#钢表面建立Inconel718激光熔覆模型，通过比较数值模拟和试验结果得到的熔池尺寸，从而验证模型的准确性，以减少后续的试验成本。然后，以熔覆层质量（成形系数）为指标，利用回归正交试验设计建立一次回归方程，研究工艺参数对熔覆层质量的影响次序，依次为激光功率、送粉速率、扫描速度。由方差分析可知，多因素交互作用对熔覆层质量影响不显著，而激光功率和送粉速率对熔覆质量影响最显著。因此，设计单因素试验分析其对熔覆层硬度、稀释率以及熔覆形貌的影响规律。通过方差分析预测最优方案为激光功率1200 W、扫描速度23 mm/s、送粉速率20 g/min，其与试验得到的结果一致，并对最优参数进行多道搭接试验验证，发现其组织致密细小，熔覆层与基体有良好的冶金结合性，该研究对后续的实践生产工作有一定的指导作用。     

基于IDBO-KELM的汽车零部件激光熔覆几何形貌预测建模方法研究

激光熔覆作为一种环境友好和可靠的技术,广泛应用于汽车零部件的表面硬化和受损修复。结合试错法和田口方法设计激光熔覆实验,探究45~#钢表面激光熔覆316L合金粉末的成形工艺参数。以激光功率、扫描速度、送粉速度为激光熔覆可变工艺参数,利用多策略融合的改进蜣螂优化算法优化核极限学习机超参数,基于优化后的核极限学习机分别建立激光熔覆过程评价指标(宽高比、稀释率)的回归预测代理模型,决定系数分别为0.973 5和0.975 9,平均绝对百分比误差分别为0.007 7%和0.061 2%。利用田口方法进行析因分析,激光熔覆工艺参数对稀释率的影响排序为：激光功率(P)>送粉速度(F)>扫描速度(V),宽高比的影响排序为：送粉速度(F)>扫描速度(V)>激光功率(P)。实验结果表明了所提方法的准确性,可以获得理想的熔覆层宽高比和稀释率回归预测模型,为熔覆层的质量控制提供理论依据。     

基于响应面法的TC4钛合金激光熔覆工艺参数优化

以TC4钛合金粉末为试验材料,以熔覆层宽高比作为响应指标,研究激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层宽高比的影响,通过响应面法建立工艺参数与熔覆层宽高比之间的数学模型,获得优化的工艺参数。试验结果表明,激光功率和送粉速率对熔覆层宽高比的影响较大,熔覆层宽高比与激光功率呈正比,与送粉速率呈反比。优化的工艺参数为：激光功率2 500 W,扫描速度14.42 mm/s,送粉速率0.6 r/min。经试验验证,熔覆层宏观形貌质量良好,响应面预测值与实际值误差为3.7%。     

45钢表面激光熔覆316不锈钢涂层的工艺参数对熔覆层车削性能的影响

以液压立柱材料45钢为基体,316不锈钢粉末为熔覆材料,采用不同的工艺参数在基材表面进行激光熔覆试验,制备316不锈钢涂层;然后利用FANUC数控机床对不锈钢涂层进行车削加工,采用数字化测试技术对车削成形试样熔覆层的表面宏观形貌、切屑形态、表面粗糙度、圆柱度、洛氏硬度、显微组织等进行研究,综合分析45钢表面激光熔覆316不锈钢涂层的车削加工性能,优选出最佳的激光熔覆工艺参数.在激光功率为800 W、送粉速率为0.28 g/s、轴向进给速度为0.110 mm/s的最佳熔覆工艺参数下,熔覆层的表面宏观形貌和切屑形态最佳,车削后熔覆层的表面粗糙度最小,圆柱度最高,且熔覆层的硬度值可达到40.3 HRC,内部显微组织呈细化趋势.45钢表面激光熔覆316不锈钢涂层耦合车削加工技术为液压立柱材料45钢的高质量修复和再利用提供了重要的参考价值.     

机器人光纤激光45#钢面铁基粉末熔覆工艺研究

用机器人光纤激光系统, 在45#钢表面作Fe316L铁基粉末激光单道和多道的同轴同步送粉熔覆, 以提高材料表面的硬度及耐磨性能。用金相显微镜对熔覆层剖面分析测量, 用维式硬度计对基材和熔覆层显微硬度测量结果表明: 用光纤激光同轴同步的复合送粉嘴做单道激光熔覆时, 选700～950 W的激光功率及60%的搭接率, 能获得合适的稀释率(35%～55%)和熔覆层厚度(1.25～1.70 mm); 有效的消除了搭接处微裂纹和气孔等组织缺陷; 试样熔覆层显微硬度显著高于基材硬度, 达二倍以上。     

送粉式激光熔覆层与基体间结合界面的特性

通过调整扫描速度、送粉速率、熔覆材料颗粒度进行了单道送粉激光熔覆实验,借助金相分析、扫描电子显微分析、透射电子显微分析,研究了工艺参数对送粉式激光熔覆层与基体间结合界面形态及界面附近组织结构的影响规律。     

激光熔覆立铣刀的制造研究

采用同步送粉激光熔覆方法，在45#钢立铣刀坯材的刃带部位，熔覆一层钴基自熔合金作为立铣刀的加工刃。研究了激光熔覆工艺参数对激光熔覆层形状和开裂的影响，结果表明，熔层宽度的关键因素是激光的有效光斑尺寸，它是由激光功率密度与熔覆速度决定的；熔层高度的关键因素是粉末的线送粉速率，它是由送粉器的送粉速率与熔覆速度的比值决定的；提高激光功率可显著降低熔层开裂倾向。同时，薄的熔层形状可以降低熔层开裂的倾向。进行了激光熔覆立铣刀工装设备．和工艺研究；采用优化工艺，在45#钢铣刀坯材上熔覆成功无裂纹，成型良好、硬度分布满足使用要求的功能层；通过了国标GB／T122．4．3-90规定的立铣刀切削性能试验。以激光熔覆新工艺完成了立铣刀的制造。     

20CrMo钢表面高速激光熔覆工艺参数优化

为了解决石油钻杆表面受交变载荷冲击导致的失效问题,同时获取更高质量的耐磨涂层,采用高速激光熔覆设备,以JG-3铁基合金作为熔覆粉末,在20CrMo钢表面制备合金涂层。以激光功率、扫描速度以及送粉速度为优化变量,涂层硬度以及耐磨性为表征变量,通过正交试验极差与方差分析获得最优参数组。结果表明,极差分析中,工艺参数对涂层显微硬度和磨损失重量的影响程度排序均为扫描速度>送粉速度>激光功率;方差分析中,显微硬度和磨损失重量的F值大小均为F_B>F_C>F_A,表明各因素对高速激光熔覆涂层性能的影响程度排序为扫描速度>送粉速度>激光功率,这与极差分析结果一致。正交试验获得最优参数组合为：激光功率900 W、扫描速度65 mm/s、送粉速度4 r/min。     

基于NSGA-Ⅱ算法的同轴送粉激光熔覆工艺多目标优化

同轴送粉激光熔覆工艺的稳定性受诸多因素的影响,其工艺参数难以寻优。通过设计以工艺参数(激光功率、送粉速度、扫描速度)为输入、以反映熔覆层形貌和质量的特征参数为响应的中心复合实验,对比分析了响应曲面法的回归模型与神经网络对单道熔覆结果的预测效果。采用多目标优化算法NSGA-Ⅱ对三个工艺参数进行优化求解。结果表明:采用优化后的参数进行激光熔覆的修复件表面硬度增大了17.11%,基体热影响区深度减小了13.90%,熔覆效率增大了6.10%。     

H13钢表面激光熔覆层稀释率及强化效果研究

为了改善H13钢的表面性能,利用YLS-4000型光纤激光器在H13钢表面熔覆镍基涂层,采用正交试验法,对不同工艺下的熔覆层表面形貌、几何参量、稀释率、微观组织、显微硬度进行了检测分析。结果表明,激光功率最小而送粉速率最大时（P=1800W,v_f=1.0g/s）表面凹凸不平;激光功率和扫描速率最大时（P=2200W,v_s=25mm/s）表面出现裂纹;当稀释率η < 10%时,熔覆区平均硬度（大于800HV）为基体硬度（246HV）的3倍以上,强化效果显著;当稀释率η>25%时,熔覆区下部受熔化基体的稀释作用硬度较低;稀释率随着激光功率与扫描速率的增加而增加,随着送粉速率的增加而降低。通过调整工艺参量可获得表面平整光滑、组织致密、强化效果显著的熔覆层。     

基于BP神经网络的激光熔覆参数多目标优化

为了获得TiC铁基合金粉末在316L不锈钢上的激光熔覆最佳工艺参数，提出了一种基于遗传算法优化的反向传播(BP)神经网络的激光熔覆参数优化方法。设计三因素五水平的全因子试验，测量了熔覆层的宏观形貌和平均硬度，建立输入参数(激光功率、扫描速度、保护气流量)和响应量(熔覆层宽度、熔覆层高度、稀释率、显微硬度)的神经网络模型。以多元非线性回归分析工艺参数对响应量的影响，并以综合灰关联度表征熔覆层的综合性能，寻优得到最佳参数。试验结果表明，激光功率和扫描速度对熔覆层宽度、稀释率和显微硬度的影响明显，而保护气流量对熔覆层高度影响最显著，遗传算法优化的BP神经网络模型各响应量模型的拟合优度均达到0.85～0.91之间，GA-BP模型精度良好，当参数为1090 W，扫描速度为4.4 mm/s，保护气流量为10 L·min^-1，综合性能最佳，表明BP神经网络算法适用于激光熔覆层质量控制和参数优化。     

送粉式激光熔覆稀释率的检测方法及其影响因素

为建立工艺参数与稀释率的关系,提出了送粉式激光熔覆过程中稀释率的概念,并推导出稀释率的表达式。利用金相法检测的熔覆层宏观参数、材料相关的物理参数和工艺参数对稀释率进行了计算,系统分析了影响因素。在激光功率和光斑尺寸保持恒定的条件下,稀释率随扫描速度的增加而减小,随送粉速率的增大而变小;对稀释率随扫描速度变化而出现最小值的现象给出了合理的解释。为进一步研究熔覆层组织凝固行为、工艺参数的优化奠定了理论基础。     

脉冲激光熔覆Ni60合金粉末的试验研究

采用脉冲Nd:YAG激光器对Ni60合金粉末进行了单道单层、多道单层的熔覆工艺试验研究.采用单因素试验方法,研究了激光工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量等)对熔覆层尺寸的影响,从而得到了单因素条件下最佳的工艺参数.同时对所形成的熔覆层进行金相组织分析,结果表明: 所形成的熔覆层与基体为良好的冶金结合; 内部组织由大量的枝晶和等轴晶构成且组织均匀、致密; 熔覆层硬度最高达823HV(为基体材料硬度的3～4倍),为激光快速成型零件提供了应用基础.     

同轴送粉和压片预置激光熔覆NiCoCrAlY涂层工艺比较

采用同轴送粉与压片预置激光熔覆工艺制备NiCoCrAlY涂层, 对两种激光熔覆工艺粉末利用率、涂层稀释率、熔覆层硬度及熔覆层微观组织形貌进行了比较。结果表明, 在涂层界面能形成良好冶金结合的优选工艺参数条件下, 同轴送粉激光熔覆粉末利用率和加工参数密切相关, 最高不超过0.4, 而压片预置激光熔覆粉末利用率高于0.9; 同轴送粉激光熔覆制备涂层熔合区为垂直于界面的柱状晶, 上部为均匀的等轴晶, 压片预置激光熔覆涂层的枝状晶贯穿整个涂层; 但是压片预制熔覆涂层的硬度略低于同轴送粉熔覆涂层。     

面向绿色再制造的单道激光熔覆几何特征研究

为建立工艺参数与熔覆层几何特征的关系模型,分析了粉末在高斯光束中的吸热过程、有效利用率及基体熔化吸收的能量,推导出熔覆层儿何特征(熔覆层宽、熔覆层高、熔池深)数学模型.仿真结果表明:激光熔覆几何特征与工艺参数关系密切,其中熔覆层宽度与光束直径和送粉速率成正比;熔覆层高度与送粉速率成正比,与扫描速度成反比;熔池深度与激光功率成正比.这与实验获得的规律是一致的.     

工艺参数对20CrMnTi基激光熔覆Ni60A-TiC涂层组织及耐磨性能的影响

为延长平模的使用寿命，采用激光熔覆技术在20CrMnTi钢表面制备Ni60A-TiC复合涂层。以稀释率和显微硬度为指标，设计三因素三水平正交试验，得出影响熔覆层质量的因素按重要性由大到小排序依次是送粉速率、扫描速度和激光功率。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、三维形貌仪以及X射线光电子能谱仪(XPS)综合分析了涂层的组织、元素分布和耐磨性能。结果表明：最佳工艺参数组合为激光功率1.4 kW，扫描速度7 mm/s，送粉速率21 g/min；在此工艺参数下制备的涂层的磨损形式主要为磨粒磨损，涂层的显微硬度为1252 HV，磨损率为1.5×10^-5 mm³/(N·m)，表面粗糙度为1.50μm，相比于20CrMnTi基体磨损深度降低了82.1%，复合涂层的耐磨性显著提高。本研究在延长平模使用寿命方面具有较高的参考价值。     

Cr12MoV模具钢激光熔覆Fe基合金的组织与性能分析

为了进一步提高模具钢表面的硬度和耐磨性能,以Cr12MoV作为基体材料,利用2 kW半导体激光器,以同轴送粉的方式在其表面上熔覆高硬度的Fe基合金粉末。通过光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜分析熔覆层的组织形貌和物相;用显微硬度计测试熔覆层的显微硬度,用磨损试验机进行耐磨试验。进而研究激光功率、扫描速度和送粉量等工艺参数对熔覆层组织性能的影响,确定了最优化工艺参数。实验结果表明,使熔覆层的硬度和耐磨性较优良的工艺参数为:激光功率为1.2 kW,扫描速度为720 mm/s,送粉量为8.5 g/min。在此工艺参数下,熔覆层无裂纹、气孔、夹渣等缺陷,且显微硬度和耐磨性能得到显著提高,最高硬度达921 HV0.2,熔覆层的磨损失重仅为基体材料的25%,明显高于基体的硬度和耐磨性,这归因于熔覆层中存在V4C3、Cr23C6、Cr7C3等细小树枝晶。