复合涂层激光熔池温度场及流场的数值模拟

建立了复合涂层激光熔池三维准稳态流场及温度场的数值模型,计算出熔池温度分布和速度分布及几何形状。分析了激光功率对熔池温度场、流场及形状的影响。计算结果表明,对于厚度为0.08mm的Ti-Al(30%)复合涂层系统,功率为750W时,复合涂层没有熔化,但Al基材产生熔化;功率为1400W时,在不同材料层内形成上下两个分离的熔池。复合涂层先熔化还是Al基材先熔化,依赖复合涂层厚度。激光重熔实验确认了分离熔池的存在,同时计算结果和实验结果基本吻合。     

镍硅硼合金粉末激光熔覆中熔池光谱检测分析

为了研究激光熔覆过程中激光熔池的光谱辐射特性,采用光栅光谱检测技术检测镍硅硼合金粉末熔覆过程中熔池光谱,得到不同功率、速度及时间下的光谱分布。结果表明:激光功率900 W时波长550nm处熔池光谱相对强度最高为500,功率增加到1000 W时,光谱相对强度增加为600;激光功率保持不变时,光谱辐射相对强度随扫描速度增加而减小,随熔覆过程时间增加而增加,但在15s后,基本达到稳定状态。激光熔覆过程中熔池光谱波动与熔覆层质量存在一定的关系,试验中发现,功率为900 W,扫描速度2mm/s时,熔覆层质量较好,试样基体变形较小,熔池光谱相对强度波动也较小。     

316L不锈钢双激光选区熔化成形性能研究

为了研究不同的扫描模式对激光选区熔化（SLM）成形质量的影响，采用自主研发的双激光同步扫描激光选区熔化设备，在单激光扫描、双激光低功率同步扫描、双激光高速同步扫描模式下制备了316L不锈钢样件，对比了三种模式下的成形质量，分析了三种模式下飞溅形态、熔池形貌以及样件力学性能的差异。结果表明：采用双激光低功率（110 W）同步扫描时，由反冲压力引起的飞溅增多，熔池尺寸均匀且排列整齐；随着单束激光功率从95 W提升至120 W，样件的致密度从98.91%提升至99.32%；样件的微观组织主要由宽度为0.65～0.75μm的柱状亚晶与等轴亚晶组成。采用双激光高速（2000 mm/s）同步扫描时，熔池深宽发生较大变化，搭接率由单激光扫描时的30%提升至50%以上，柱状亚晶的平均尺寸由单激光扫描时的0.50μm降到0.35μm。两种双激光同步扫描模式下成形样件的力学性能与单激光扫描模式下的相当，致密度达到99%以上，抗拉强度均超过720 MPa，延伸率超过40%。双激光高速同步扫描使得成形效率相较单激光扫描提升了一倍，为大尺寸激光选区熔化设备的扫描策略设计提供了新思路。     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

激光功率对汽车用巴氏合金涂层组织及性能的影响

为研究激光功率对锡基巴氏合金熔覆层组织和性能的影响，利用800 W、1 000 W、1 200 W激光功率在20钢表面制备锡基巴氏合金熔覆层。利用金相显微镜(OW)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、摩擦磨损试验机分别对熔覆层的组织形貌、结合区形貌、摩擦学性能进行研究。结果表明，随着激光功率的增大，熔池的温度升高，冷却速率降低，硬质点颗粒SnSb的颗粒粒径随激光功率的升高逐渐增大。当激光功率较低时，SnSb颗粒尺寸较小，分布均匀。随着激光功率的升高，SnSb相尺寸增加，数量减少，降低了熔覆层的硬度和耐磨性。当激光功率为800 W时，熔覆层的显微硬度最大，为35.7 HV,平均摩擦因数为0.257,磨损机制为磨粒磨损和表面疲劳磨损。     

激光选区熔化熔池光强监测系统设计

熔池光强监测是激光选区熔化（SLM）过程监测的重要方法之一。针对SLM成形过程,建立了一套熔池光强监测软硬件系统,通过近红外滤光技术和光电二极管检测电路,获得成形过程中的熔池光强数据。针对时域信号不能可视化激光作用不同成形位置时的熔池光强变化,提出了采用映射算法对熔池光强数据进行建模。对变功率下熔池光强进行数据分析与建模,激光功率120 W熔池温度均值为1 404℃时,二极管信号均值为0.31 V,标准差为0.04 V,熔池较稳定;功率增加到220 W熔池温度为1 727℃时,二极管信号均值增加为0.81 V,标准差增加为0.22 V,熔池稳定性变差。表明该熔池光强监测系统可以获得工艺参数对熔池热辐射行为的影响规律,用于支持SLM成形工艺的研发与优化。     

同轴送粉激光成形中粉末与激光的相互作用

详细介绍了同轴送粉激光成形过程中，金属粉末与激光束相互作用时间的计算方法。在ANSYS软件平台上，建立了金属粉末穿越激光束过程中粉末温度场的计算模型。系统计算了不同颗粒大小316L不锈钢粉末与不同功率激光束相互作用后的温度。在此基础上，计算了金属粉末与激光束的能量交换及金属粉末落入激光熔池后与激光熔池的能量交换。计算结果表明，在激光束直径为3mm条件下，316L不锈钢粉末穿过功率大于1000W的激光束后，所有尺寸金属粉末均被熔化，即金属粉末以液态进入激光熔池。通过金属粉末与激光束及激光熔池的能量交换计算，可知在激光成形中，约有5％的激光能量用于加热和熔化粉末，而大约95％的激光能量用于激光熔池的形成及由于热传导造成的热量损失。     

曲面激光增材制造钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程热行为研究

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化,当扫描速度为0.32 rad/s时,随着激光功率从1400 W增至2300 W,熔池最高温度从1525.5℃升至3289.8℃,熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³,熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W,扫描速度为0.32 rad/s时,Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大,为1.84,起始堆积Ti层的宽深比次之,为1.42,稳定堆积Ti层的宽深比最小,为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm,熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。     

CO2激光熔凝中熔池冷却过程检测研究

为了研究激光熔凝温度场的分布,采用非接触式的直接检测方法,研制了一套新型激光熔池动态检测系统,实时拍摄了激光熔凝中熔池冷却过程热辐射图像,进行了理论分析和实验验证,取得了熔池冷却时非稳态温度场分布数据。结果表明,激光熔凝熔池冷却过程分为熔化凝固和固态降温两个过程,检测得到了熔化时间、凝固时间、熔池温度场分布、熔池尺寸等信息。这一结果对于激光熔凝工艺参数的优化选择设计是有帮助的。     

激光对焊TC4接头微观组织及显微硬度研究

激光焊接作为一种飞机上钛合金部件的新型焊接方式而受到国内外广泛关注。本文采用不同功率激光对焊TC4接头,应用体式显微镜、扫描电镜,X射线衍射仪和硬度仪研究了不同工艺参数下各部位的微宏观形貌和显微硬度。结果表明,随激光功率增大,试件逐渐焊透,熔池内物相由等轴树枝晶转变为大β晶粒内的片状α/α′相;等轴树枝晶尺寸增加,α/α′/片层厚度减小;焊接接头的硬度沿测试线的波动随功率增大而增加,激光功率为550W时硬度分布最为均匀。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

激光熔覆工艺参数对Fe W B熔覆层质量的影响

采用激光熔覆技术在65Mn钢表面熔覆FeW B三元硼化物熔覆层。通过单道熔覆与单层多道熔覆实验,探究激光功率、扫描速度、送粉速率、搭接率对熔覆层质量的影响,获得优化激光工艺参数组合。并通过光学显微镜、X射线衍射仪和维氏硬度计对熔覆层进行分析。结果表明:工艺参数对熔池高度与熔池宽度的影响程度由小到大排列为:送粉速率、扫描速度、激光功率,对维氏硬度的影响程度由小到大排列为:扫描速度、送粉速率、激光功率。获得的最优工艺参数组合为:激光功率800W,扫描速度3mm/s,送粉速率4 g/min,搭接率50。此时熔覆层的维氏硬度均值为7579 HV,是基材的35倍。熔覆层与基材冶金结合良好,其微观组织由枝状晶、胞状晶和柱状晶组成。     

红外热像下激光熔丝成形过程冷却速率实时监测

激光熔丝增材制造技术是一种具备成形精度高和加工余量小的一体化制造技术,但由于其非平衡态凝固和复杂的传热传质等物理现象,使得很难通过常规手段监测得到其冷却速率。针对这一问题,提出了一种利用红外热像技术的熔池温度和冷却速率实时监测算法。该算法利用FLIR X6520sc型红外热像仪实时捕获增材制造过程中的温度场信号,通过定位温度场中心位置得到熔覆道各点的实时冷却速率,实现了熔覆道冷却速率的全过程实时监测。在此基础上,研究了不同工艺参数对熔池温度和冷却速率的影响规律。最后,探讨不同冷却速率对凝固组织的影响。研究结果发现:在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度从60 mm/min上升到300 mm/min,熔池温度减少了339 ℃,冷却速率却增加了1741 ℃/s;激光功率从200 W降低到100 W,冷却速率和熔池温度分别降低了264 ℃/s和420 ℃;随着送丝速度从120 mm/min升高到600 mm/min,熔池温度和冷却速率分别降低195 ℃和224 ℃/s;扫描速度是对冷却速率影响最大的因素,为后期研究闭环控制系统提供了基础。此外,随着冷却速率的增加,熔覆道经过快速凝固,其凝固组织得到显著细化。     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

激光熔池动态过程检测研究

提出采用CCD相机结合数字图像处理技术检测监控激光熔池方案，建立了激光熔池动态过程检测系统，开发了激光熔池图像处理专用软件，进行了激光熔敷实验研究。结果表明，该技术可以检测激光熔池温度和几何尺寸，记录熔池动态变化过程。进一步发展，可成为激光加工在线检测过程的有用工具。     

基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定,采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制,搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中,建立了灰度比值与K的对应关系,推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递,设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明,此系统能实时准确地测量并控制熔池温度,控制精度在3%以内;将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中,能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应;成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm,成形件各处显微组织差异较小,组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。     

316L激光熔覆质量预测及路径选择研究

为了避免激光熔覆时熔覆层边界处产生过烧和塌陷等缺陷,基于热传导理论分析了基体不同位置的散热差异,采用数值计算方法分析扫描路径对温度场的影响,在激光功率1000W、扫描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时,同向熔覆和异侧熔覆比反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度分别降低约300℃和500℃,预测了反向熔覆和同侧熔覆的过烧和塌陷区域并进行了实验验证。结果表明,扫描路径对边界过烧和塌陷的影响很大,同向熔覆和异侧熔覆可以在保证高加工效率、材料利用率以及合理工艺参量的同时提高边界熔覆质量;异侧熔覆可以更好地平衡热量累积与散热间的关系,使熔覆层边界晶粒细密、内部组织分布均匀、性能更加优良。此项研究对提高激光熔覆层质量是有帮助的。     

激光快速成形过程熔池行为的实时观察研究

通过建立近距离连续拍摄系统实现了对激光快速成形过程中熔池行为的实时观察,并采用图像分割算法获得了熔池侧视形态,结合熔覆试样的定量金相法获得的熔池前视形态,对熔池进行了定量表征。结果发现,熔池的长度和宽度与光束直径相当,熔池自由表面呈圆弧形并向外凸起,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间存在夹角,表明熔池向激光束轴线方向倾斜,而熔池在液态存在时间较短,例如光束直径为4mm,光束扫描速度为5mm/s时,熔池在液态存在时间小于1秒。激光熔覆区的高速摄影实验结果发现,随金属粉末的射入,熔池的几何尺寸逐渐减小,熔池后沿不断抬高,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由1度左右逐渐增大到25度左右,导致熔池中局部凝固条件发生改变,从而影响到局部熔覆层的微观组织。     

铝合金的激光熔覆修复

通过对航空航天用超高强7050铝合金进行激光熔覆修复的实验研究,探讨了激光熔覆修复铝合金的可行性。实验采用5kWCO2连续激光器作为加热源,在惰性气体保护隔离箱中,对7050铝合金的板状试样进行了激光单道熔覆、多道搭接熔覆、多层堆积熔覆的实验研究。得到优化的激光熔覆工艺参数,制备了激光熔覆修复试样,并观察了不同激光熔覆区的微观组织以及拉伸断口形貌。实验结果表明,优化激光熔覆工艺参数是:激光功率密度为1.84×104～2.12×104W/cm2,扫描速度为5mm/s,送粉量为1.8～2.4g/min,搭接宽度为1.5mm。采用优化工艺参数熔覆,基底和熔覆区形成良好的冶金结合,熔覆后工件表面平整且基底没有变形。同时,采用干燥的氩气加强对激光熔池的保护可以有效消除铝合金激光熔覆中的缺陷。     

汽轮机汽蚀叶片的激光宽带熔覆修复

利用激光宽带熔覆技术对表面汽蚀的汽轮机叶片进行修复。采用同步送粉的方式进行自熔性Ni-Cr-B-Si合金粉末的激光熔覆,获得耐磨涂层。实验所用设备为TRUMPF-6000 CO2激光器,利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束,借助扫描电子显微镜(SEM,LEO 1450)和能谱仪(EDS)对激光熔覆层进行组织结构及成分分析。研究结果表明,激光熔覆层硬度可达HRC45-50,高于其基底材料2Cr13的硬度(HRC35-40)。熔覆层的组织结构受到熔覆工艺参数的影响很大,采用最优化工艺参数形成的熔覆层结构均匀,与母材冶金结合良好,且无气孔或裂纹缺陷。