关于激光熔覆裂纹问题的研究

由于激光熔覆技术自身的特点,激光熔覆处理后材料表面极易形成裂纹,已成为阻碍激光熔覆技术工业化应用的主要障碍之一。为解决此问题,加快推动激光熔覆技术的工业化应用,本文综述了国内外激光熔覆裂纹研究现状,着重分析了激光熔覆层裂纹的产生原因,归纳了熔覆层裂纹的表现形式,总结了目前抑制裂纹产生的防止措施,为防止裂纹的产生提供了理论和实践依据。     

激光熔覆工艺与粉末对覆层开裂行为的影响

在高参数阀门零件密封面上进行厚履层激光熔覆时，发现覆层裂纹是主要的质量缺陷。本主要讨论熔覆工艺，覆层材料二方面对激光熔覆层开裂行为的影响。     

激光熔覆过程中裂纹在线研究

激光熔覆层中的裂纹一直是一个限制其工业应用的难题。本文首次提出利用声发射技术在线检测熔覆及冷却过程中裂纹的发生和扩展,对三种熔覆粉末的裂纹信号进行分析比较,得出随熔覆层面积厚度及冷却速度的增加,裂纹数增大。多数裂纹产生于熔覆过程,个别在冷却过程。裂纹走向以垂直于激光扫描方向为主,裂纹起源为熔覆层和基体结合带,多数贯穿整个熔覆表面。如能结合热检测,可通过对熔覆材料特定温度下性能改进控制熔覆层裂纹。     

45kW高功率CO_2激光熔覆过程中裂纹行为的实验研究

对Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金和ＮＩＣｒＳｉＢ合金在高功率激光熔覆下的裂纹现象和行为进行了实验研究。表明Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金对裂纹不敏感,能获得表面光洁、内部致密、无缺陷的熔覆层。ＮｉＣｒＳｉＢ合金对裂纹非常敏感,往往出现大量横向宏观裂纹。ＮＩＣｒＳｉＢ合金的裂纹主要起源于熔覆层与基体的交界面,裂纹通常向熔覆层扩展而穿过整个熔覆,多道搭接时,裂纹会向前道和后道横向传递。裂纹属冷裂纹范畴。裂纹的产生和行为是由熔覆层凝固过程中产生的应力（应变）与熔覆材料的强度和塑性之间的动态相互作用所决定的,并与熔覆材料自身的物理特性以及凝固特性和凝固组织有关。     

激光快速成形过程中熔覆层的两种开裂行为及其机理研究

激光快速成形技术是在激光熔覆技术及快速原型技术的基础上发展起来的一项新的先进的制造技术,能够实现高性能致密金属零件的快速无模近终形制造。但是,如果成形条件控制不当,易于在成形件中产生裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良等缺陷,而裂纹是成形过程中最常见、破坏性最大的一种缺陷。本文采用微观测试分析方法,深入研究了激光快速成形某些合金粉末过程中熔覆层的开裂行为及裂纹形成机理。研究结果表明,对于镍基自熔合金,熔覆层的开裂属于冷裂纹范畴,是熔覆合金的低延性及成形过程中热应力双重作用的结果。对于奥氏体不锈钢等材料,熔覆层的开裂属于热裂纹范畴,裂纹产生的主要原因是由于凝固温度区间内晶界处的残余液相受熔覆层中的热应力作用所导致的液膜分离的结果。     

激光熔覆研究现状与发展趋势

通过对国内外对激光熔覆技术研究现状,概括了国内外激光熔覆在熔覆特性、不同材料与基体组合的激光熔覆工艺及参数、激光熔覆层的微观组织结构和金相分析、熔覆层缺陷以及激光熔覆基础理论,激光熔覆专用材料研制、激光熔覆过程裂纹形成与消除机制、激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆送粉器和喷嘴、激光熔覆制备新材料、激光熔覆快速成形与制造技术等领域的研究现状.分析指出激光熔覆过程是一个多源耦合复杂信息作用下的加工过程,激光熔覆加工过程稳定性、多源耦合复杂信息的作用规律及决策机制、多源耦合复杂信息的获取处理、融合能力及小确定信息处理和激光熔覆多源耦合复杂信息优化控制以及激光熔覆加工质量的定量控制是今后的主要发展方向.     

Inconel 738激光熔覆层的裂纹控制方法

针对镍基高温合金激光熔覆过程中覆层极易产生裂纹的问题,在高温合金K438基体上激光熔覆Inconel 738合金粉,研究了熔覆层的开裂机理以及裂纹控制方法。裂纹由靠近基体端的过渡层产生并扩展到熔覆层,具有典型的沿晶特征,裂纹的形成主要与熔覆层中的热输入和低熔共晶相有关。从减少激光熔覆层中的低熔共晶相出发,通过优化激光熔覆工艺参数、添加适量Y2O3以及对基体进行同步冷却,可在一定程度上减少甚至避免熔覆层裂纹的产生。     

基于绿色再制造的火车车钩裂纹激光修复和表面强化

车钩是铁路车辆的关键部件之一,钩尾销孔承载面产生的裂纹是其主要失效形式.为了实现对车钩的绿色再制造,文中通过实验研究了激光熔覆技术在车钩裂纹修复方面的应用,并分析了熔覆材料的硬度分布、耐磨性、低温冲击韧性以及结合区域的微观组织特征.实验结果表明,熔覆材料与基体实现了冶金结合,硬度分布合理,耐磨性和低温冲击韧性都比母材有了较大提高,为开展产业化的绿色再制造奠定了基础.为了防止新造车钩出现裂纹,提出了一种新的激光淬火工艺,替代原有的中频淬火工艺,实验结果表明,激光淬火的硬度和耐磨性都比中频淬火有较大提高,而且兼顾了车钩总体的力学性能,可以在实际生产中应用.     

高温合金K403的激光熔覆研究

研究了高温合金K403基体上商用镍基自熔合金和自配无硼、硅元素镍基合金的激光同步送粉熔覆过程,分析了基体组织状态、熔覆层材料和熔覆工艺参数对熔覆层裂纹倾向的影响,探讨了激光熔覆技术强化和修复高温合金叶片的可行性。研究发现,激光熔覆时大多数裂纹是从基体侧形成后深入到熔覆层中,而基体组织中缩松等铸造缺陷及晶界低熔点共晶的存在是熔覆层开裂的重要原因。采用无硼、硅元素合金熔覆改善了结合区性能,与自熔合金相比,有助于改善熔覆层裂纹倾向。加入适量稀土氧化物有助于减少或消除裂纹。熔覆工艺参数对裂纹产生的影响较大,存在一个无裂纹参数选择范围。研究证明,高温合金基体上熔覆无硼、硅元素合金更易于消除熔覆层裂纹,实现强化与修复更具优势。     

多冲载荷下激光熔覆涂层裂纹机理分析

为了研究激光熔覆涂层在小能量多冲载荷下抗裂性能,进行了激光熔覆涂层在小能量多冲载荷下作用的多冲试验,结果显示激光熔覆涂层出现裂纹损伤失效现象,裂纹形式的特征有明显差异,表现为横断裂纹和边缘裂纹.根据裂纹的不同特征,进行了裂纹形成的理论分析,其结论在实验中得到了验证.     

激光熔覆裂纹的产生原因及消除方法探究

本文综合国内外研究成果,分析了激光熔覆的影响因素,认为热应力、组织应力和约束应力足产生激光熔覆裂纹的主要因素.文章从材料选择和上艺两个方面剖析了产生熔覆裂纹的内在原因,并从热处理、韧性合金化元素和超声震动三方面探讨了预防激光熔覆裂纹的方法.     

纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难,得到冶金结合良好的Ni60熔覆层,采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法,在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验,并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型,对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时,Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV_0.2;常温下,Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45,摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明,随着预热温度的升高,Ni60熔覆层中裂纹减少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度,减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术,在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层,可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。     

Negative Thermal Expansion Design Strategies in a Diverse Series of Metal–Organic Frameworks

Negative thermal expansion materials are of interest for an array of composite material applications whereby they can compensate for the behavior of a positive thermal expansion matrix. In this work, various design strategies for systematically tuning the coefficient of thermal expansion in a diverse series of metal–organic frameworks (MOFs) are demonstrated. By independently varying the metal, ligand, topology, and guest environment of representative MOFs, a range of negative and positive thermal expansion behaviors are experimentally achieved. Insights into the origin of these behaviors are obtained through an analysis of synchrotron‐radiation total scattering and diffraction experiments, as well as complementary molecular simulations. The implications of these findings on the prospects for MOFs as an emergent negative thermal expansion material class are also discussed.     

多次辐照条件下YAG脉冲激光熔敷层开裂敏感性研究

采用Nd:YAG固体脉冲激光器,在镍基高温合金上激光熔敷镍基自熔合金,对激光多次辐照条件下熔敷层的开裂问题进行了探索性研究。试验结果表明:脉冲激光多次辐照,对熔敷层的组织及硬度影响不大;激光辐照次数的增多,促进了熔敷层裂纹萌生,其裂纹形态为沿晶高温液化裂纹;对基材热输入的增多,促进了基材再热裂纹的萌生     

扫描速率对激光熔覆镍基合金涂层性能的影响

为了提高材料表面强度和硬度,在材料的表面采用激光熔覆技术熔覆合金涂层以提高其表面性能。相同的激光功率下采用不同的激光扫描速率在材料表面激光熔覆制备镍基（Ni60）复合涂层,取得了在基材表面获得理想熔覆层的工艺参量,并对熔覆层的性能进行了检测。结果表明,随着激光扫描速率的增加,表面粗糙度变大,熔覆层的宽度、高度、基材的熔化深度都有一定程度的降低,裂纹出现增大趋势,熔覆层显微硬度高出基材显微硬度约500HV,激光熔覆技术在一定范围内可以实现对基材的表面硬化。该结果为材料表面强化的研究提供了参考。     

高功率双包层光纤激光器温度分布的有限元分析

高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。