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。     

基于温度场模拟TiNiTa记忆合金涂层工艺参数选择

以获得TC4钛合金表面高质量TiNiTa涂层为目标,使用ANSYSWORKBENCH软件、采用3D高斯热源,对激光熔覆TiNiTa粉末过程进行数值模拟仿真,研究其温度场云图分布;并研究激光功率、扫描速度、离焦量对温度场的影响。结果表明,在能量密度为1698J/mm2时熔覆层组织致密细小、与基体呈现良好的冶金结合;熔池中心的最高温度随着激光功率的增大而增大,随着热源移动速度和离焦量的增大而减小;另外,TC4钛合金表面的耐腐蚀被明显改善。模拟与试验结合确定激光熔覆的最优工艺参数为:激光功率100W、扫描速度2.5mm/s、离焦量10mm、脉宽5ms、频率10 Hz;通过分析可知能量密度是影响熔覆层组织及性能的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性亦可得到试验验证。     

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。     

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。     

304不锈钢表面激光熔覆FeNiCrAl涂层的研究

基于橡树岭国家实验室(ORNL)开发的具有良好抗蠕变性能且在材料表面形成Al2O3膜的奥氏体不锈钢(AFA)的化学成分,结合熔覆粉末设计原则进行熔覆粉末配比,在304不锈钢基体表面进行激光熔覆,研究激光功率、铝含量对熔覆层成型性和组织的影响.研究结果表明,激光能量密度为31.25W·s/mm2时,熔覆层成型性良好,无开裂、气孔等缺陷.熔覆层与304不锈钢基体界面呈冶金结合;Al含量从0增加到5wt%,组织呈细化趋势;合金涂层的平均显微硬度高达230HV;铝含量2.5wt%的试样,在腐蚀试验温度90℃下,10%HCl+10%HNO3及6%的FeCl3溶液中进行腐蚀,基体腐蚀速率为42mm/a,涂层腐蚀速率为8.76mm/a.     

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。     

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。     

激光光内送粉仰面熔覆工艺研究及优化

利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系;研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现,光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大,随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下,工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性;熔池在重力作用下,激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著;熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变,利用优化后的激光功率、扫描速度,以及保护气压力,获得了最大仰角达150、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。     

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.     

激光熔覆铁基合金粉末单道形貌及性能研究

为探究在45钢表面熔覆铁基合金粉末过程中,激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层性能的影响规律,采用正交试验方案进行激光熔覆的单道成形试验。以熔覆层的宽高比、稀释率和硬度作为判断熔覆层性能质量的评价指标,通过极差分析判断各熔覆工艺参数的影响大小,再基于多目标优化算法得出最佳的单道熔覆工艺参数组合。试验结果表明：在一定工艺参数范围内,送粉速率是影响熔覆层硬度的主要因素,激光功率次之;扫描速度是影响熔覆层高度、宽度的主要因素;送粉速率是影响稀释率的主要因素。获得了最佳工艺参数组合,即激光功率2 056 W,扫描速度8.75 mm/s,送粉速率2.198 g/min,为45钢激光熔覆铁基粉末的工艺参数选择提供依据。     

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。     

激光熔覆工艺对TA1熔覆层微观组织和耐蚀性能影响

采用扫描电子显微镜(SEM)和强酸性溶液腐蚀试验,研究了激光熔覆工艺参数对TA1钛板表面凹坑激光熔覆层的微观组织及耐蚀性能影响。结果表明,激光功率过高或过低、扫描速度太慢或者太快,都有可能致使激光修复层微气孔、微裂纹等缺陷增加;激光功率越高,扫描速度越慢,熔覆层腐蚀越严重,与基材区的外观形貌差异越大;综合考量激光熔覆修复层的微观组织质量和耐蚀性能,采用激光功率1 800 W,扫描速度10 mm/s,光斑直径3 mm,送粉器转速2.5 r/min制备的TA1修复层组织和耐蚀性能较好。     

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。     

基于神经网络的宽带激光熔覆熔池特征参数预测

为了实现宽带激光熔覆熔池特征的准确预测,从 而对激光熔覆工艺过程进行实时监测、评价及反馈 控制。通过宽带激光熔覆全因素工艺试验采集熔池特征参数样本数据,采用遗传算法优化BP 神经网络的 初始权值和初始阈值,建立激光熔覆工艺参数(激光功率、粉末厚度、扫描速度)与熔池特 征参数之间的 BP神经网络预测模型。利用训练集数据对所建立的神经网络进行训练,形成输入与输出之间 的映射关系, 并利用测试集数据对网络进行测试。试验结果表明,宽带激光熔覆熔池特征参数神经网络预 测模型具有很 高的精度。该神经网络预测模型对激光熔覆过程监测及熔覆层质量控制具有重要意义。     

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.     

激光熔覆原位自生TiB2的工艺研究

采用固体YAG脉冲激光对预置一定配比的Ti/B混合粉末涂层进行激光熔覆,在TC4钛合金表面原位合成TiB2陶瓷增强相.利用X射线衍射、金相显微观察以及显微硬度测试等手段,分别对熔覆样品的物相、组织形貌和显微硬度分布特征进行了研究.实验结果表明,激光功率为64W(其中电流140A,脉宽8～10ms,频率12~15Hz),扫描速度1.O～1.2mm/s,离焦量2mm时,可原位生成TiB2陶瓷涂层.金相观察结果表明,熔覆层与基体结合处为波形界面,形成了良好的冶金结合.显微硬度沿截面纵向呈梯度分布,熔覆层的硬度较基底平均提高了3～4倍.     

多道搭接激光熔覆层开裂的机理和试验分析

利用数值分析和试验相结合的办法,对多道搭接激光熔覆层的开裂机理和规律进行了研究。数值分析结果表明,激光熔覆后,熔覆层内部呈明显的拉应力状态,且主要集中在熔覆层底部与基体的交界处,因此单道熔覆时熔覆层的开裂倾向主要是垂直于扫描方向。在两道搭接熔覆时,前一次熔覆输入试样的激光能量在试样内部传递和扩散已有一定的时间,试样的整体温度升高后,第二次熔覆时激光能量输入产生的热量在试样内部形成的温度梯度就会有所减小,从而降低了工件内部的应力水平。两道熔覆完成后,由于熔覆层在扫描所受的拉应力降低的幅度最大,而垂直于扫描方向所受的拉应力变化不大,此时若熔覆层开裂,则开裂的方向将不再是垂直于扫描方向,而是会与扫描方向成一定的夹角。实际熔覆中,对单道、多道熔覆时熔覆层的开裂现象进行了观察,试验结果与分析结果较好地吻合。     

激光熔覆曲面基体曲线轨迹成形内部质量与效率影响研究

曲面基体熔覆层内部孔隙与成形效率的预测与控制是曲面类零部件大面积修复与再制造的前提。本文研究激光功率、扫描速度、气流量、圆柱基体半径对“曲面轨迹”成形内部质量(气孔率)与熔覆效率的作用规律。采用响应面法中心复合设计模块构建了工艺参数与响应目标的数学关系模型。通过方差分析,气孔率及熔覆效率R2分别为95.26 %、94.28 %,证明所构建模型的可靠性。四个输入参数对气孔率均有显著的影响,激光功率、扫描速度、圆柱基体半径对熔覆效率影响显著。最后基于所建立模型采用期望函数方法对气孔率最小及熔覆效率最大为目标进行综合优化,获得最佳工艺参数为激光功率1.6 kW,扫描速度7 mm/s,气流量1120 L/h,圆柱基体半径40 mm,气孔率及熔覆效率误差率分别为6.755 %、5.417 %,验证了模型准确性。所建立模型为“曲面基体曲线轨迹”熔覆成形内部质量与效率工艺参数优化及预测控制提供了指导意义。     

钛合金激光熔覆(Ti+Al/Ni)/(Cr2O3+CeO2)

为改进钛合金(Ti6Al4V)的耐磨性能，应用脉冲Nd:YAG激光进行了钛合金表面熔覆(Ti+Al/Ni)+(Cr2O3+CeO2)复合涂层实验，分析了工艺参数对熔覆层高度、熔深、稀释率的影响，观测了熔覆层的组织与性能。结果表明，熔覆层高度和熔深随单脉冲能量的增加而增大。单脉冲能量20 J,脉宽8 ms,频率5 Hz,扫描速度1.1 mm/s时稀释率达到最小，其值为3.95%。熔覆层组织是在细小树枝晶和共晶基体上散布的未熔Cr2O3颗粒和白亮球状液析Cr2O3，并有硬化TiAl陶瓷颗粒增强相存在。显微硬度明显提高，最高可达1150 Hv，平均是基材的3～4倍。熔覆层和基材实现良好冶金结合，白亮熔合区宽度10～20 μm。通过优化工艺参数，获得连续、均匀、无裂纹和气孔的高质量涂层。     

45#钢激光熔覆铁基合金组织及磨损性研究

利用CO2激光器在45#钢基体上熔覆Fe基合金,通过改变激光的扫描速度,分析了激光熔覆层的微观组织,测试了其显微硬度及磨损性能.结果表明,激光熔覆区为细小的树枝晶,组织均匀致密,随着扫描速度的增加,熔覆层的宽度呈下降趋势,熔覆层显微硬度是基体3.5倍.随着扫描速度的增加,熔覆层中颗粒相和合金元素的偏析减少,使硬度有所降低.