开放条件下气流对激光重熔过程中氧化行为的影响

在激光加工过程中,保护气和载粉气对熔池氧含量有很重要的影响,为了减少在开放条件下激光加工过程中产生的氧化,需要研究保护气和载粉气工艺参数对激光加工过程中氧化行为的影响。以激光重熔45钢为例,通过测定熔池上方气氛以及重熔后基材表层的氧含量,对比研究了不同保护气流量、载粉气流量和离焦量对激光重熔过程中氧化行为的影响。结果表明：气流量较低时,气流卷吸周围空气,载粉气流量、保护气流量以及离焦量升高会加剧激光重熔时的氧化。当载粉气流量超过84 L/min时,大量氩气对周围空气进行了稀释,熔池上方气氛中的氧含量会有所降低。但是保护气流量过高会加剧熔池飞溅。降低熔池上方气氛中氧含量的气流量工艺参数为：保护气流量8.5 L/min,载粉气流量6.5 L/min。     

三通道激光熔覆同轴送粉喷嘴气体速度场试验

在激光熔覆过程中,三通道同轴送粉喷嘴是关键部件,它利用惰性气体将金属粉末稳定地输送到熔池,同时形成保护流场,隔绝周围的空气。喷嘴气体流场对粉末的汇聚和高温区域的保护具有显著的作用,直接影响粉末利用率、金属材料性能和零件的成形精度。为了研究喷嘴保护流场特性,文中采用粒子图像测速(PIV)技术结合数值模拟计算,对自研的三通道同轴送粉喷嘴气体速度场分布进行了试验和分析。结果表明,喷嘴中心、内环和外环三个通道出口的气流速度一致时,喷嘴所形成的流场较为稳定,没有涡流存在。因此,粉末的汇聚性及对溶池的保护效果好;当外通道气流速度大于内通道时,在工件表面上出现旋涡,流场呈不稳定状态;随喷嘴与工件表面距离增加,有效保护范围减小。     

激光快速成形过程中粉末与熔池交互作用的数值模拟

建立了描述激光快速成形过程中气/粉两相流送粉、粉末与熔池交互作用及激光熔覆成形温度场的联合模型.采用有限单元生死技术模拟了熔池形成和自由界面形状演化及熔覆层的沉积过程:根据界面温度与粉末粒子动量损失状况模拟了熔池对粒子的捕捉以及工件对粉末的反射,并采用Lagrangian粒子追踪模型实现了对粉末颗粒的跟踪.在此基础上,模拟了激光快速成形过程中316L不锈钢粉末、激光与熔池的交互作用过程.计算结果与实验结果吻合.     

送粉参数对半导体激光熔覆成形结构形貌的影响

采用1kW半导体激光器进行了熔覆成形试验,研究了送粉量、送粉方向、气流压力及送粉喷嘴形状等送粉参数对熔覆线成形形貌的影响.结果表明,侧向送粉方向不同会改变熔覆线形状尺寸,前送粉得到的熔覆线高度更高;送粉量的大小和载气压力会显著影响熔覆线的结构尺寸,其高度和宽度均随送粉量增加而增加;增大保护气流压力,可以使熔覆线高度增加,表面更光滑;矩形光斑半导体激光熔覆宜采用矩形口送粉喷嘴,以获得较好的熔覆效率和结构形貌.     

A2219高强铝合金的激光粉末焊接

采用一种较常用的A2219高强铝合金,在(Slab)CO2激光器上进行了粉末焊接试验.通过是否填充合金粉末的比较试验,研究了填充合金粉对铝合金激光焊接的影响以及各种工艺参数对送粉时焊接过程和粉末利用率的影响.结合高速摄像仪和光束光斑诊断仪的观察数据对试验现象和结果进行了合理的分析,并给出优化的工艺参数区间.试验表明,合金粉末的加入可以提高焊接过程中激光能量的有效利用率和焊接过程的稳定性;只有当粉束作用在熔池的恰当区域,粉束才能有效地进入熔池;当送粉量一定时,需要相应的功率、功率密度和焊接速度匹配,粉束才能被有效利用.最后通过优化工艺参数,成功地获得了具有理想余高、成形良好、焊接过程稳定的焊缝.     

成形气氛中氧含量对TC4钛合金激光快速成形工艺的影响

在惰性保护气氛中对TC4钛合金的激光快速成形进行了实验研究。研究结果表明,成形气氛中的氧含量,对成形工艺包括激光沉积工艺、成形表面质量、粉末利用率、熔覆层是否开裂等具有显著影响。氧含量严格控制在0.02%以下时,获得表面平整光洁、无裂纹等缺陷的TC4薄壁试样,粉末利用率达53%。     

激光金属直接制造中工艺参数对粉末利用率影响的模拟研究

为了获得激光金属直接制造中工艺参数对金属粉末利用率的影响规律,建立了粒子被熔池吸收的物理模型,应用气固两相流理论对其模型的流场进行了数值模拟,采用FLUENT软件中的离散相模型中的欧拉-拉格朗日类中的颗粒轨道模型实现了粉末颗粒的跟踪,计算了流场中的粉末颗粒的浓度及速度分布规律.计算结果表明:随激光光斑直径、激光功率的增大和扫描速度的减小,粉末利用率会随之增大;随载气速度、送粉量及保护气流量的增加,粉末利用率呈现先增大后减小的趋势.所得结果对试验选择加工工艺参数具有参考价值.     

混合元素法激光立体成形中粉末配比的研究

在混合元素法激光立体成形(LSF)过程中,由于各种纯金属粉末或中间合金的密度、粒度不同,使得不同种的粉末输送性不同,即粉末离开送粉管后形成的粉末流的发散角,或粉斑直径不同,造成不同粉末进入熔池的比例与原始粉末配比不同,进而使得成形后试样成分与原始粉末配比之间产生偏差,不能得到名义成分试样.本文对不同种粉末的输送性进行观察,并建立从合金名义成分出发,反推原始粉末配比的实验和计算模型,并用混合元素法激光立体成形V-4Cr-4Ti合金为例对模型进行验证.     

高强铝合金激光粉末焊接过程

采用CO2激光(slab)系统进行了高强铝合金的激光填粉焊接,分析了激光与粉末相互作用的5个阶段过程;研究了填充合金粉对CO2激光焊接功率阈值、焊缝成形和焊接过程稳定性的影响.试验表明,合金粉末可以提高焊接过程中激光能量的有效利用率;激光深熔焊接时的临界功率密度明显降低,粉末束流只有作用在光致等离子体的恰当区域才能有效地进入熔池;在一定送粉量下,匹配适当的功率密度和热输入,才能保证得到理想的焊缝.高速摄像图片显示了激光支持的燃烧波及焊接中的过程孔洞,并且合金粉末还可以减弱等离子体的膨胀跳动,有利于获得较为稳定的焊接过程和理想的焊缝成形.     

表面熔覆工艺的成形特征及粉末有效利用率研究

目的针对激光熔覆层的表面形貌难以达到加工工艺要求和粉末利用率较低的问题,对激光熔覆铁基合金粉末中的工艺参数与成形特征的关系以及粉末的有效利用率进行研究。方法设计了激光表面熔覆试验方案,分别采用不同的工艺参数在45号钢基板上进行铁基合金粉末单道激光熔覆试验。采用正交试验法对每道激光熔覆试验的工艺参数与成形特性之间的关系进行研究。结果随着激光功率的增加,熔宽、熔深、稀释率均呈上升趋势,浸润角和熔覆层的高宽比呈下降趋势,粉末的有效利用率由12.9%上升到42.6%;随着送粉速度的增加,熔高呈现上升趋势,熔深呈现下降趋势,粉末的有效利用率由27.9%下降到14.7%;随着激光扫描速度的增加,熔宽和熔高均呈下降趋势,粉末的有效利用率先增加后下降。结论送粉速度的增加造成粉末有效利用率的降低,增加了激光熔覆的作业成本。适当增加激光功率不仅可获得更加良好的激光熔覆层形貌,也使得粉末有效利用率增加。在激光功率为450 W,送粉速度为9.6 g/min和激光扫描速度为390 mm/min的条件下,不仅可以使粉末有效利用率处于较高的状态,也可以获得良好的熔覆层形貌。以上研究结果对激光熔覆的应用具有指导性作用。     

激光熔积高温合金件形状特征的基础研究

进行了激光熔化沉积成形GH163高温合金粉末条状试样实验,研究了激光脉宽、激光重复频率、扫描速度、送粉速率四个工艺参数对条状试样熔宽和熔高的影响.试验发现,脉宽和频率对最终试样的熔宽和熔高都没有太大影响.送粉速率对熔宽没有显著影响,但对熔高的影响很大,随着送粉速率的提高,成形试样的熔高显著增大;随扫描速度的增大,熔宽和熔高均呈减小的趋势.     

电极感应熔炼气雾化制备Ti-6Al-4V合金粉末的性能及其表征

采用国产自行研制的无坩埚电极感应熔炼气体雾化(EIGA)设备制备Ti-6Al-4V合金粉末,实验使用环孔型和环缝型两种气雾化喷嘴,改变雾化压力和熔炼功率,设计四组工艺参数,研究雾化工艺对粉末性能的影响规律。根据激光选区熔化(SLM)对粉末的要求,将筛分得到的粒径小于53 μm的粉末进行表征,采用MASTERSIZE 2000激光粒度分析仪分析不同雾化工艺制备粉末的粒度分布,采用欧奇奥500NanoXY+HR型粒度粒形分析仪对粉末的粒形进行量化表征分析。结果表明,采用环缝型喷嘴、5 MPa的雾化压力和25 kW的熔炼功率的工艺参数组合制备的粉末效果最佳,得到的粉末粒径较小且分布集中,粉末粒度呈近似正态分布,D10、D50和D90分别为19.4 μm、31.9 μm和51.5 μm;粉末的球形度较高,粉末圆度的平均值为90.6%,欧奇奥钝度的平均值为92.7%,超过80%的粉末赘生物指数为0,卫星粉较少。通过XRD、SEM、EDS能谱和氧氮仪等手段对粉末进一步分析,发现粉末内部组织为不同取向的针状α′马氏体,空心粉含量较少,粉末成分无损耗且氧含量较低。对该粉末进行ＳＬＭ成形,成形件致密度达到99.02%,表面粗糙度为4.98 μm,显微硬度为352.5 HV0.5。     

激光内送粉高速熔覆Cr50Ni合金稀释率及单道形貌分析

目的研究"光内送粉"正离焦高速熔覆Cr50Ni合金单道形貌及稀释率变化影响因素,制备耐磨、耐腐蚀绿色无污染的金属表面涂层,从而替代传统电镀。方法采用"光内送粉"正离焦新型耦合技术开展高速熔覆工艺试验,即在304不锈钢基体上制备Cr50Ni合金熔覆层。建立了光内送粉条件下粉末遮光模型,得出了送粉速率与粉末遮光率的关系,从而得到最终照射在基体上的激光能量,而激光能量密度与稀释率呈正相关,以此分析了不同送粉速率对熔覆层稀释率的影响,同时考察了不同离焦量对熔覆层稀释率以及单道熔覆厚度的影响,分析了最佳熔覆层的显微组织成分变化和硬度变化趋势。结果当扫描速度为9 m/min、离焦量为+1～+2 mm、激光功率为1.85 kW时,可获得厚度约为121～452μm、稀释率为12.9%～75%、硬度值为280～320HV的表面形貌较好的熔覆层。粉末粒子直径为50μm时,在16～32g/min送粉速率下,粉末遮光率为16.6%～33.1%。熔覆层底部的晶粒形态主要为明显的柱状枝晶,由于冷却速度快,进入熔池中的气体来不及逃逸,使得熔覆层内部存在一些微小气孔。结论 "光内送粉"正离焦光粉耦合新技术采用Cr50Ni合金材料,在激光功率为1.85 kW、送粉速率为28 g/min、离焦量为+2 mm、扫描速度为9 m/min的工艺参数下,可以获得理想的单道成形效果,实现高速熔覆。     

光内送粉激光熔覆快速成形粉末利用率实验研究

应用自主研发的光内同轴送粉成形工艺与装置,进行了变参数条件下粉末利用率试验,与光外送粉工艺粉末利用率进行了对比分析,结果是新的送粉工艺其粉末利用率可达68%以上。     

同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律

激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流汇聚特性是影响零件成形质量和成形效率的重要因素,基于 DEM-CFD 耦合方法,开展三维同轴送粉喷嘴粉-气流场仿真分析,依据表征粉流汇聚特性的喷嘴中心轴向粉流分布浓度、焦点距离、 上焦点截面粉流分布浓度和单位距离粉流分布浓度等参数,设计单因素试验,在喷嘴结构不变的条件下,分析输粉气流速度、送粉速率和中心光路保护气速度对粉流分布的影响规律。 结果表明:输粉气流速度越大,焦点距离越小,轴向粉流分布浓度越小,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度越大,粉流的集聚性越好;中心光路保护气速度对粉流焦点浓度影响较小,保护气速度越大,焦点距离越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度增加,粉流的集聚性越好;送粉速率对焦点距离影响较小,送粉速率越大,喷嘴轴向粉流分布浓度越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越大,单位距离粉流分布浓度出现先增大后减小的趋势。     

工艺参数对同轴送出粉末流动状态的影响

借助高速摄像拍摄同轴送粉粉末束流宏观形貌，结合图像灰度化处理方法，系统研究不同工艺参数对粉末束流动状态的影响.针对所用研究方法的可行性进行了评估.结果表明，用灰度值表征粉末空间浓度大小具有较高的可行性.粉末束流焦点处及上、下间隔3 mm左右范围内横截面的粉末空间浓度分布基本呈典型的高斯分布；送粉速率对粉末束流焦点位置影响较小；随着载气量增加粉末焦点位置逐渐上移，粉斑直径逐步变小；同轴保护气流量不易过大，8 L/min是其临界值，大于该值可能会因产生"涡流现象"而导致粉末的运动轨迹发生变化.     

等离子喷涂送粉参量对粉末粒子运动行为的影响分析

为研究等离子喷涂设备送粉参量变化对粉末粒子运动行为的影响,通过数学计算给出了粉末粒子初速度及运行轨迹的一些解析计算结果.结果表明粉末粒子喷出初速度随送粉气流量的增大呈线性增大,随送粉管直径增大呈指数减小,而且与密度和粒径的指数幂成反比关系.当粉末粒子粒径为75μm时,Ni金属粉末的最佳送粉参量为:送粉气流量0.2m3/h,送粉管直径1.5mm;Al2O3陶瓷粉末最佳送粉参量为:送粉气流量0.3m3/h,送粉管直径1mm.该项研究工作为选择最佳送粉参量和控制粉末粒子在等离子流场中的运动提供了依据.     

激光熔覆-激光氮化复合法制取TiNi-TiN梯度材料

将激光熔覆与激光表面氮化技术相结合制取TiNi-TiN梯度材料。采用先进的六孔同轴送粉喷嘴系统,分别将纯Ti、Ni粉末按一定比例送入激光熔化区,在粉末熔化过程中发生Ti、Ni间高温合成反应,原位合成一定厚度的TiNi金属间化合物熔覆层,然后将原位合成的熔覆层在富氮气氛中进行激光氮化处理,表面形成一层金黄色的TiN。利用光学显微镜和扫描电镜观察了熔覆层组织,并测量了熔覆层及氮化层的厚度。对不同工艺参数获得的熔覆层用X射线衍射仪进行了物相鉴定,并对氮化试样的熔覆层进行了显微硬度分布测试,得出了较好的制取TiNi-TiN梯度材料的工艺参数为:激光功率600 W,扫描速度0.5 m/min,钛送粉量2.5 g/min;镍送粉量3.2 g/min。     

中空激光光内送粉熔覆技术的熔池流场与温度场模拟

基于中空激光光内同轴送粉的激光快速成形工艺．对光粉耦合原理进行了分析。光内同轴送粉成形过程中,粉流稳定易控,光粉耦合性好。且金属粉末的有效利用率远高于传统光外送粉工艺。通过改变占空比和离焦量,得出两者分别对能量分布密度的影响．为工艺试验参数的选择提供依据。运用ANSYS有限元分析软件,对环形中空激光熔池三维流场和温度场进行了分析。环形中空光内熔池具有两对四环对流特点。随着熔覆层高度的增加。基板和熔池的温度会越来越高：激光束在基板和熔覆层表面经过的距离越长．温度场也发生明显变化．时间越长．温度越高。     

铝合金表面激光熔覆SiC复合涂层工艺研究

采用激光熔覆技术在铝合金表面制备SiC颗粒增强的Ni基合金复合涂层,其中SiC粉末采用预置和同步送粉两种方法.试验结果表明,在激光功率P=1～2.5 kW、光斑直径d=3～5 mm、扫描速度v=2～3 mm/s工艺条件下,预置SiC粉末厚度1 mm或送粉量mp=15 g/min,可以获得表面平、无裂和界面结合较好的熔覆层.