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。     

Fe—Cr—Ni合金激光熔覆层显微缺陷及开裂行为的研究

用光学显微镜和扫描电子显微镜，对铁基自熔合金的多道搭接激光熔覆层的组织进行分析，得出熔覆层中的微观缺陷如显微缩孔、夹杂物等是熔覆层的显微裂纹，熔覆层的裂纹是以这些显微缺陷为裂纹源沿两种不同方向生长的共晶状组织的界面扩展。     

激光熔覆层结晶方向对覆层裂纹方向和开裂敏感性的影响

通过调整激光熔覆铁基合金粉末的成分，发现熔覆层裂纹方向和开裂敏感性将随其成分的变化而变化。具体表现为：随着熔覆铁基合金粉末中Ｎｉ含量的增加，裂纹方向与激光扫描方向的夹角减小，直至裂纹消失。其原因是随Ｎｉ含量的变化，覆层搭接区结晶方向发生了改变。由此提出了通过控制结晶方向来达到减少熔覆层开裂敏感性的方法。     

一种通过改变激光功率密度分布控制熔覆层裂纹的方法

为了降低激光熔覆过程中熔覆层热应力从而减少裂纹的生成,提出了一种通过改变激光功率密度分布来控制熔覆层裂纹的方法,并用数值模拟的方法对均布及凸字形光斑熔覆过程进行了热力耦合有限元分析。结果表明,用均布光斑熔覆呈现出激光加工典型的快速加热、快速冷却特征,而采用凸字形光斑可在一定程度上起到预热、缓冷的效果,从而降低了熔覆区与非熔覆区的温度梯度,另外,在熔覆效果相当的前提下,其熔覆层热应力也较小,因而可以有效地减小熔覆层的开裂趋势。     

激光熔覆参数对灰铸铁激光熔覆层裂纹的影响

通过调整激光熔覆工艺参数 ,对灰铸铁激光熔覆层裂纹问题的研究 ,发现表层裂纹率随激光扫描速度或激光功率的增加有最低值。结合激光熔覆工艺参数 ,分析了残余拉伸应力的变化 ,熔覆层树状晶的结晶方向及渗碳体组织长度和粗细程度的改变 ,同时也分析了珠光体的形态及分布与离异共晶的有无 ,解析了不同激光熔覆工艺参数形成不同裂纹率的原因。     

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。     

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。     

铁基合金激光熔覆层组织分布及开裂敏感性研究

在45#钢基底上进行了铁基合金粉末激光熔覆实验。利用扫描电镜观察了熔覆层横断面的金相显微组织形态,对组织的不同特征部位进行了EDS能谱分析,使用X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析。结合熔覆层的组织成分分布和激光熔覆过程中组织凝固的特点,分析得到熔覆层中存在少量的Si和B与Fe、Cr、Ni、O结合形成的低熔点共晶,低熔点共晶分布在晶界,尤其是夹杂在熔覆层表层部分,成为裂纹源。调节熔覆材料的成分,减少低熔点共晶产生,可以有效抑制熔覆层的裂纹敏感性。     

镍基碳化钨金属陶瓷激光熔覆层开裂性的研究

利用２ｋＷＣＯ２激光器在Ａ３钢板上进行Ｎｉ基ＷＣ金属陶瓷的激光熔覆试验，研究了在不同工艺条件及碳化钨含量下熔覆层的开裂性能。结果表明，碳化钨金属陶瓷激光熔覆层中碳化钨本身成了裂纹产生与扩展的薄弱环节，但碳化钨含量较高时熔覆层裂纹率反而降低。试验结果还显示，不同碳化钨含量下，熔覆层的宏观裂纹数目随激光扫描速度的变化规律不同     

激光快速成形过程的热行为及其影响

建立了激光快速成形(LRF)过程熔池的比色测温系统，分别采用实时跟踪和定点测量两种方式实现了熔池温度和熔池后沿冷却速率(温度梯度)的测量。结果表明，随着激光功率和送粉率的增大，熔池温度升高，熔池后沿冷却速率减小;随着激光扫描速度的增加，熔池温度下降，熔池后沿冷却速率增大。单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程温度检测结果发现，随着沉积层数和沉积道数的增加，成形过程呈现热累积效应，即熔池温度逐渐升高，而熔池后沿的冷却速率则呈现完全相反的趋势。     

镍基合金激光熔覆成形的快速凝固组织特征研究

利用激光熔覆成形技术制备出平整无变形的镍基合金样品,对显微组织中的层生长模式、晶粒生长模式,重熔情况以及一些缺陷等凝固组织的特征进行了详细分析。结果表明层的形状主要取决于激光功率和粉末熔化状况,显微组织以细长的柱状晶为主。为使层与层之间具有良好的冶金结合,每层的重熔区域必须保持一定的厚度。激光功率过低时组织中易形成气孔,而成形件的卷曲现象可以通过预热等方法加以解决。     

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。     

30CrMnMoTi钢表面激光熔覆NiCrBSi涂层的组织及耐磨性研究

利用YAG激光器,采用预置粉末法在30CrMnMoTi钢表面制备NiCrBSi涂层.借助扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层微观组织和物相组成.结果表明:在优化的工艺参数下,激光熔覆的Ni基涂层致密,无明显气孔、裂纹等缺陷;组织形貌从结合区到表层依次为:平面晶→树枝晶→较小树枝晶和等轴晶;物相主要由γ-(Ni,Fe)、Ni3B、CrB、M7C3和M23C6相组成.Ni基涂层硬度最高可达830HV0.2,其耐磨性能明显优于基体.     

激光快速成形工艺参数对沉积层的影响

引入回归正交设计(ORD)方法,利用逐步回归模型得到了激光快速成形(LRF)工艺参数以及它们之间的交互作用对沉积层尺寸影响显著的因素。其中,对沉积层高度影响显著的因素是送粉率和扫描速度,对单道沉积宽度影响显著的因素是光斑直径、扫描速度、激光功率与光斑直径的交互作用。同时也得到了主要影响因素与沉积层尺寸的定量关系,并验证了其准确性。     

铝合金表面激光熔覆SiC/金属基复合涂层的组织与性能研究

采用 ２ｋｗ的 Ｎｄ： ＹＡＧ激光器,在铝合金基体表面用预置法分别激光熔覆 ＮｉＣｒＡｌ／ＳｉＣｐ（颗粒）、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ／ＳｉＣｐ、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ／ＳｉＣｗ（晶须）复合粉末,获得了厚度约为 １ｍｍ的耐磨涂层。借助Ｘ射线衍射及电子探针,对不同涂层的显微组织作了对比分析,并测试了其显微硬度及耐磨性。结果表明由于细晶强化、固溶强化及未熔ＳｉＣ的弥散强化作用,与基体相比涂层硬度提高了４～５倍,耐磨性能提高了２～５倍。     

基于CCD激光熔覆成形过程在线监测与控制

激光熔覆快速成形过程中,熔覆层高度是由激光参数,加工工艺,粉末材料等多种因素共同决定。基于CCD实现了对成形过程的实时监测,并通过基于VC++开发的图像处理软件,有效的提取激光熔池中心到激光头之间的高度信息来控制熔覆堆积过程,从而确保了熔覆过程的顺利进行,提高了成形件的加工质量,为激光熔覆快速成形制造技术的在线监测提供了新的手段。     

316L不锈钢粉末选区激光熔化成型致密化研究

为了研究选区激光熔化所加工的316L不锈钢成型件的致密度与工艺参量之间的关系,在自主研发的选区激光熔化成型设备DiMetal-280上,采用316L不锈钢粉末,用层间互错扫描方式以及不同扫描间距、扫描速率和扫描功率成型若干样块;在显微镜下观察样块形貌加以分析,并采用排水法测试样块致密度。结果表明,在合适工艺范围内,采用层间互错扫描方式有利于提高致密度;随着扫描间距的增大,熔道间搭接方式发生变化,致密度会减小;当扫描速率过小或过大时,致密度会减小;在加工初期时的实际铺粉厚度的变化也会导致致密度减小。该研究为进一步提高316L不锈钢选区激光熔化成型件的致密度奠定了基础。