激光熔覆层中孔隙、裂纹缺陷的形成机制及抑制方法研究进展

激光熔覆是以高能量密度的激光为热源在基体材料表面熔覆合金实现熔覆层与金属基体冶金结合的技术。激光熔覆技术控制精度高、输出功率恒定、没有电弧接触固熔池大小深度一致性好。并且激光熔覆具有效率高、热输入集中、热影响区小等特点是一种很有发展前景的金属表面改性技术。但因其冷却速度较快在熔覆层中易产生缺陷。熔覆层中的缺陷主要有裂纹、孔隙、固体夹杂、未熔合、形状缺陷等。基于国内外对熔覆层中缺陷的研究发现对熔覆层影响最大的是孔隙和裂纹。通过模拟和实验研究者们发现了孔隙、裂纹的形成原因,并通过改变加工工艺和粉末类型成功的减少了孔隙、裂纹的产生。本文从激光熔覆层中孔隙、裂纹两个缺陷出发,归纳了孔隙的生成原因及扩散方式,并从加工工艺、粉末材料出发总结了孔隙的抑制方法。其次说明了裂纹的产生原因,描述了几种影响裂纹产生的因素,总结了减少裂纹的加工工艺和一些辅助措施。最后指出了目前激光熔覆层缺陷研究中尚未解决的问题并对其未来发展方向进行了展望。     

TC4合金激光熔覆材料的研究现状

TC4合金属于(α+β)双相合金,具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁、相容性好等优点,被广泛应用于航空航天领域。但是TC4合金硬度低、耐磨性差的缺点在很大程度上限制了其应用与推广,因此对TC4合金进行表面改性具有重要意义。激光熔覆是新型的表面改性技术,由于其具有可加工材料广泛、效率高、熔覆层与基体相容性好、节省材料、环保、无污染等优点,在TC4合金表面改性领域获得了广泛的应用。利用激光熔覆技术对TC4合金进行表面改性始于20世纪80年代,经过近40年的探索,学者们发现影响熔覆层质量与性能的因素有激光熔覆材料、激光工艺参数以及工艺处理条件等。在考察各种因素对熔覆层的影响后发现,激光熔覆材料对熔覆层的质量与性能起到决定性作用。根据材料成分构成可以将熔覆材料分为金属及金属合金粉末、陶瓷粉末、纳米陶瓷粉末、金属-陶瓷复合粉末及其他粉末。其中,金属及其合金具有极高的硬度,但是不耐高温,适合在400～900℃下使用。陶瓷材料具有高硬度、高熔点等特点,在激光熔覆过程中可以作为增强相使用,但是其韧性低,易产生裂纹,而纳米陶瓷材料可有效缓解界面应力集中,减少熔覆层中的裂纹、气孔等缺陷。金属-陶瓷复合材料可以借助激光熔覆技术将金属的强韧性和陶瓷材料的耐磨、耐高温性结合起来,是目前激光熔覆领域的研究热点。其他熔覆材料如稀土及其氧化物粉末、固体润滑剂粉末、包覆型粉末等具有特定的性能,在熔覆粉末中添加少量此类粉末可以显著改善其熔覆层性能。本文概述了近年来学者通过改变熔覆粉末成分来改善TC4合金表面性能的研究成果,对熔覆粉末进行了分类,介绍了各类粉末的优缺点和应用场合,指出了TC4合金表面改性存在的主要问题(开裂问题),分析了裂纹产生的原因并提出了相应的解决方案。     

激光熔覆层裂纹研究进展

为了揭示激光熔覆过程中裂纹的成因并采取有效措施对其防止,以其为获得性能优异的激光熔覆层提供依据。对国内外关于激光熔覆层裂纹研究现状进行了概括总结,提出了裂纹产生的原因及防止办法:合理地选择激光工艺参数及合理设计熔覆材料的成分和组织。     

激光熔覆用钴基合金粉末的研究

对激光熔覆用WFLC－11钴基合金粉末的激光熔覆工艺和熔覆层性能进行了研究，获得了WFLC－11钴基合金粉末激光熔覆层厚度与最小比能量关系曲线和熔覆层的组织、高温硬度等性能数据，为选择和使用WFLC－11钴基合金粉末提供了依据。     

激光熔覆粉末粒径对熔覆层成形控制的影响

目的 揭示激光熔覆过程中TiC粉末粒径及工艺参数对复合材料熔覆形貌的影响规律,实现熔覆层成形控制。方法 采用响应面法中心复合设计模块分析扫描速度、激光功率、粉末粒径对复合材料熔覆形貌的影响,建立工艺参数及TiC粉末粒径与复合材料熔覆层面积、熔覆层高度、熔覆层宽度之间的数学模型,通过方差分析和模型检验验证模型的准确性。结果 激光功率对复合材料熔覆形貌的影响不显著,粉末粒径对熔覆面积影响最为显著,熔覆层面积随着扫描速度的减小和粉末粒径的增大而增大;粉末粒径对熔覆层高度影响最为显著,熔高随着粉末粒径的增大而增大,随着扫描速度的降低而减小;扫描速度对熔覆层宽度的影响最为显著,熔宽随着扫描速度的增大而下降,随着粉末粒径的增大而增大。结论 以熔覆面积最大及熔宽熔高最大为优化目标,对比预测值与实际值,熔覆层面积、熔覆层高度、熔覆层宽度的误差率分别为6.81%,3.9%,7.7%。该研究成果为提高复合材料熔覆形貌的预测与控制提供了理论依据。     

钛合金表面激光熔覆Co-WC复合涂层的组织及力学性能

在钛合金TC4(Ti-6Al-4V)表面利用激光熔覆Co-WC复合涂层,利用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和硬度计研究涂层的微观组织及力学性能。结果表明,Co+15%WC、Co+30%WC及Co+45%WC试样熔覆层与基体都实现了冶金结合,表层激光熔覆层涂层内组织均匀致密,没有气孔、裂纹等缺陷。而Co+60%WC试样虽然熔覆层与基体界面也为冶金结合,但是熔覆层内发生了开裂。激光熔覆Co-WC复合熔覆层的宏观洛氏硬度较TC4基体提升了2~3倍,合金粉末中WC的含量比例越高,熔覆涂层试样的宏观洛氏硬度的提升越明显。4种熔覆试样从基体到熔覆层表面,其显微硬度都是逐渐升高的趋势,熔覆层表面显微硬度达到TC4基体的显微硬度的近3倍。在Co基合金粉末中添加WC的最大含量为45%,高于45%之后,熔覆层显微硬度值下降。     

激光熔覆技术研究进展

首先从激光熔覆用设备与材料、熔覆层的性能以及工业应用等方面,综述了国内外激光熔覆技术的研究动态与进展.其中,着重介绍了激光熔覆层的性能,如耐磨、耐蚀、耐高温等.随后指出了激光熔覆技术目前存在的一些技术难题,如熔覆层的开裂与剥落、工件的变形、不完整的熔覆层材料体系以及轻金属的熔覆质量等问题.最后展望了激光熔覆技术的发展前景,并针对目前该技术存在的问题指明了今后的发展方向.     

TC4表面单道与多道搭接激光熔覆自润滑涂层微观组织对比研究

在TC4表面预制Ni60/20%WS2粉末,分别采用单道与多道搭接激光熔覆技术制备了自润滑涂层。结果表明,多道搭接激光熔覆层比单道激光熔覆层更容易产生裂纹,开裂方向与扫描方向有一定夹角。多道搭接激光熔覆层和单道激光熔覆层的主要成分相同,都生成了润滑相、硬质相,但多道搭接激光熔覆层中的硬质相和润滑相分布的密度较小且组织较粗大。多道搭接激光熔覆层的显微硬度分布在800~1 000HV0.5之间,单道激光熔覆层的显微硬度分布在950~1 150HV0.5之间,前者显微硬度偏低一方面是由于单道激光熔覆层的细晶强化作用,另外一方面是因为多道搭接激光熔覆层的硬质相分布密度较低。     

激光熔覆制备Al65 Cu20 Cr15准晶态合金及其类似相的研究

研究了以45＃钢基体表面激光熔覆准晶态Al65Cu20Cr15粉末制备准晶及其类似相涂层过程中，激光功率和扫描速度对激光熔覆涂层相结构的影响。实验结果表明：由于激光切率和扫描速度的变化，基体材料对熔覆涂层的稀释程度发生改变；随着激光熔覆稀释率的增加，熔覆层的相结构依次为β＋i,β d,β,β Fe；激光熔覆粉末所制备的涂层结构致密，无孔隙和裂纹；涂层的表面显微硬度及摩擦系数等力学性能也因涂层相结构的不同而有所差异。     

激光熔覆材料研究现状

综述了目前制备激光熔覆涂层所采用的主要材料体系及激光熔覆材料应用中存在的主要问题及解决途径,给出了设计和开发激光熔覆材料应遵循的一般原则.指出激光熔覆材料是决定熔覆层工艺性能和应用性能优劣的重要因素,激光熔覆专用粉末的研究开发是激光熔覆技术研究的重要方向.