同轴送粉对激光熔覆组织的细化作用

选用Ni基自熔合金粉末和Co基自熔合金粉末,在低碳钢基材上分别进行预置粉末和同轴送粉激光熔覆试验。激光功率2.0kW,光斑直径2.0mm,扫描速率0.15～0.25m/min。对熔覆层显微组织分析表明,同轴送粉熔覆层明显比预置熔覆层组织细密(前者为2.5～4.0μm,后者为5.0～10.0μm),并且具有较好的耐热冲击性。显然这是很有实际意义的,因为同轴送粉比预置粉末更易于实现自动化和大面积激光熔覆。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研究

送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一,直接影响着激光熔覆的效果。随着激光熔覆技术的发展,国内外对送粉喷嘴进行了深入研究,研制出了多种新型送粉喷嘴,都有效地提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理,分析了现有同轴送粉喷嘴现状,指出了现有送粉喷嘴存在的不足,提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一,并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。     

同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究

同轴气动送粉激光熔覆过程中,金属粉末落入熔池的速度、浓度的分布等物理参数对熔覆层的形貌有一定的影响。DPIV(d igital partic le im age veloc im etry)是试验确定粉末流运动规律的有效方法,通过建立DPIV试验装置,对同轴载气送粉装置输送的粉末的速度、浓度进行了取值计算。结果表明,随气体流量的增加粉末的浓度有一定的减少。沿z轴方向,存在发散汇聚在发散的变化,粉末粒子流量与粒子速度在一定范围内有线性关系,超出Mp=0.33g/s~0.83g/s,Vp=0~1.3m/s范围,其影响将减弱。     

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题,采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法,没计了一系列孔式同轴送粉喷嘴(主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道),从而获得良好的粉末流形态,提高送粉激光熔覆的质量。用该系列喷嘴在竖直(90),60,30和水平(0)等工况下进行粉末汇集性实验,发现粉末汇集效果良好。通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验,送粉系统输送的粉末稳定、均匀,得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀,熔覆层与基体呈冶金结合。结果表明,孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求,并且能用来进行多种元素粉末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

压片预置式激光多层熔覆厚纳米陶瓷涂层结合性能

采用压片预置式激光多层熔覆制备了厚纳米Al2O3-13%TiO2(质量分数)涂层,研究了涂层的微观组织和结合性能,并分析了涂层厚度对结合强度的影响。结果表明,陶瓷涂层各层之间无明显界面,过渡缓和自然,涂层内部致密、连续,基本无孔隙及贯穿性大裂纹等缺陷;涂层由等轴晶的完全熔化区和残留纳米颗粒的部分熔化区组成,并且涂层中的裂纹基本集中于部分熔化区,另外晶粒尺寸表现为上小下大的梯度过渡特征。随着涂层厚度的增加,结合强度逐渐下降,其减小的趋势为先快后慢。厚度为175μm的试样结合强度高于78.6 MPa,而厚度为350、525、700μm的涂层结合强度分别为66.3、47.4、36.2MPa。     

激光熔覆Ta-W合金涂层工艺方法研究

采用预置涂层和同轴送粉激光熔覆方法,分别以Ta/W混合粉末和纯W粉末为熔覆材料,纯Ta为基底,在Ta板上制备Ta-W合金涂层,对难熔金属材料的激光熔覆工艺方法进行了对比研究。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及显微硬度计对两种方法所制备熔覆层的微观组织和显微硬度进行了分析。结果表明,预置粉末法激光熔覆层厚度均匀,稀释率低,涂层内部为粗大的Ta-W合金固溶体组织,熔覆层平均硬度为1500HV,高于基底10倍。同轴送粉法激光熔覆层与基底呈良好的冶金结合,熔深较大,涂层内部为致密细小的树枝状Ta-W合金固溶体,均匀分布于Ta中。涂层平均硬度为800HV,为基材的5倍。     

自动送粉激光熔覆装置及工艺研究

研制了一种工作稳定性好、粉末流量连续可调的自动送粉装置。经A_3钢表面激光熔覆WF-150不锈钢合金粉末的研究表明,所获得的激光熔覆层均匀连续、无宏观气孔和裂纹,粉末利用率高达94％。     

压片预置式激光熔覆温度场的数值模拟模型及其验证

针对压片预置式激光熔覆温度场数值模拟,在建立粉末片模型时提出单独建立粉末片冶金化模型和气孔模型.同时,为了比较真实地模拟压片预置式激光熔覆的物理冶金过程,考虑了粉末片组织形态、接触热阻和厚度的变化对温度场的影响.在数值模拟过程中进行不同组织形态的粉末片物性参数折算、不同接触形式的接触热阻计算以及不同工艺参数下的激光吸收率的选取.通过两组实验对基材熔池的宽度和深度进行验证,表明使用该模型计算出的温度场能较精确地反映激光熔覆过程的温度场.     

激光再制造三维运动光束头

基于激光制造技术相关理论，设计并制造了激光同轴转动三维运动光束头。分析了三维运动光束头工艺参数对熔覆效果的影响，并讨论了其在工业应用实验中取得的效果。结果表明，该三维运动光束头能绕竖直轴转动和水平轴摆动;在参数一定的条件下，随着光束头摆动角度的增加，熔覆效果越来越不理想，理想的摆动角度为0°～45°;配合送粉头的粉末流聚焦及焦点可调功能，该光束头可以实现曲轴、螺杆、叶片等复杂型面零件的制造和再制造。     

基于离焦技术的光内送粉堆积变径体壁厚控制研究

分析了光内同轴送粉激光熔覆技术堆积变径回转体时壁厚"越堆越薄、薄厚不均"现象的成因,提出控制离焦量来逐层补偿熔池液态金属流失的方法,以保持熔覆层宽度不变。基于大量的实验数据得出离焦量变化量与变径回转体斜率之间的关系式,从而可在堆积过程中根据变径回转体斜率的变化实时控制离焦量的变化。通过实时控制离焦量,同时控制送粉量与激光功率,得到了表面质量较好、壁厚均匀的几个典型的变径回转体。成形件的金相组织细密,力学性能优良。对成形件进行了硬度测量,总体硬度相对基体较高且分布均匀。     

同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用

为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。     

光内送粉激光熔覆堆积变径回转体工艺参数的控制

基于光束中空,光内送粉的专利技术,采用新型光内同轴送粉装置,在45#钢基体上进行变径回转体堆积。分别对变径回转体斜度、Z轴增量及功率进行控制,并分析各自的影响:斜面堆积中倾斜角度与偏移量、扫描速度成正相关,与送粉速度和粉末利用率成负相关,极限倾斜角度与偏移量成正相关,与熔覆层高度成负相关;随着堆积的进行,粉末利用率降低,离焦量变大;在高层熔覆堆积过程中,熔池由三维散热变为二维散热,散热降低,熔池温度上升,应相应减小功率。得到的成型件外观光滑、粗糙度低、成型质量较高,为变截面的三维堆积试验提供参考。     

激光同轴送粉喷嘴射流场研究

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大.研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析.结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦.喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场.     

激光制造中同轴粉末流场分析与检测

激光同轴送粉头喷出的粉末汇聚和分布特性直接影响激光制造的质量和精度。研究了同轴送粉时粉末分布规律和汇聚情况,提出了同轴送粉式粉末分布理论模型,开发了一种粉末流场检测系统,对喷嘴喷出的粉末汇聚情况和分布形貌进行了实时检测,结果表明,计算结果与实验测量结果比较吻合。通过系统观察和分析粉末流的汇聚和分布的实时变动行为,有利于更好地优化设计送粉头和控制激光制造过程。