激光成形修复2Cr13不锈钢热影响区的组织研究

对激光成形修复2Cr13不锈钢热影响区分别进行了单道单层、多道单层、单道多层和多道多层4种形式的修复实验.通过金相观察和硬度测试确定了激光成形修复区域的组织特征,结合热影响区温度场模拟分析了组织形成机理.结果表明:热影响区内微观组织从基材到修复区底部呈现连续性变化,其中,主要相结构经历了α铁素体→α铁素体+少量马氏体→马氏体+少量α铁素体→马氏体的转变,马氏体的出现导致硬度快速上升;同时,原M23C6型碳化物逐渐溶解,直至消失,且晶内碳化物先于晶界碳化物发生溶解;伴随碳化物的溶解逐渐出现δ铁素体;随着趋近修复区底部,δ铁素体逐渐增多、长大并连成骨架;当沉积层数增加后,硬度峰值随之下降,在热影响区中部的部分区域会出现晶粒细化,且热影响区顶部的晶界逐渐开始析出碳化物,同时,δ铁素体骨架逐步被晶界打断.     

镍铁金属粉末选区激光熔化工艺研究

采用镍铁金属粉末进行选区激光熔化试验,研究工艺参数对镍铁粉末成形性的影响。通过单层单道、单层多道扫描试验,分析了激光电流、脉冲宽度、扫描速度、激光频率、铺粉厚度、扫描间距等工艺参数对单层单道、单层多道扫描质量的影响。以此为基础,研究了不同工艺参数对多层多道扫描质量的影响,并对不同工艺参数下的试样形貌加以观察和分析,最终确定镍铁金属粉末选区激光熔化成形的优化工艺参数匹配。     

徐祥久，1982年出生，硕士，高级工程师；主要从事锅炉、压力容器、核电等产品的焊接和热处理技术工作。

针对耐磨堆焊药芯焊丝RMD545,进行单层单道熔敷成形工艺试验,分析其成形特点并确定了良好成形工艺区间。选取合适参数进行了多层单道熔敷成形工艺试验,表面成形良好,无明显缺陷。对单层单道和多层单道组织性能进行分析,结果表明,随着电流的增大,冷却速度减慢,单层单道组织中马氏体转变量逐渐减小,贝氏体转变量逐渐增多,硬度随之降低;多层单道熔敷层不同位置经历的热过程不同,组织性能有较大差异,从底部到顶部组织依次为回火马氏体+针状铁素体+少量贝氏体、马氏体+贝氏体+少量针状铁素体、板条马氏体,硬度分布在350 ~ 500 HV之间。拉伸试验表明成形件综合力学性能良好,满足相关模具材料修复的性能要求。     

TC4钛合金的激光快速成形特性及熔凝组织

在惰性保护气氛中对TC4钛合金的激光快速成形特性进行了试验研究。结果表明,虽然影响TC4钛合金激光快速成形的工艺参数较多,但其作用是通过对激光沉积特性的影响来体现的。显著影响成形过程沉积特性工艺参数主要包括单层熔覆厚度、单道熔覆宽度、Z轴的单层行程ΔZ和多道间搭接率,必须对其进行严格控制。成形件的熔凝组织由细小的针状马氏体α′和原始β晶界组成,各层之间为致密的冶金结合。和锻造TC4钛合金相比,激光快速成形过程的快热快冷使α—Ti固溶体的固溶度增大。     

ZM5镁合金TIG焊再制造熔敷层组织与力学性能

采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)在ZM5合金上制备镁合金单道、多道熔敷层,研究熔敷层的组织和力学性能。微观组织和物相分析表明,熔敷层由α-Mg相和β-Mg17Al12相组成,其晶粒较母材明显细化,热影响区晶粒较粗大;硬度分析表明单道熔敷层硬度达到80 HV0.05以上,而多道熔敷层的硬度约为77 HV0.05,均优于母材,热影响区的硬度与母材相当;摩擦磨损性能分析表明,熔敷层以磨粒磨损为主,平均摩擦因数为0.48,母材以粘着磨损为主,平均摩擦因数为0.42。试验验证了镁合金熔敷成形再制造的可行性,为ZM5镁合金多样性损伤的修复提供数据支撑。     

焊接工艺对高强度贝氏体钢激光-电弧复合焊接头组织和性能的影响

针对高强度贝氏体钢,对比研究了单层单道和两层两道激光-电弧复合焊对焊接接头组织和硬度、拉伸、冲击等力学性能的影响。结果表明:两种工艺下所得到的接头焊缝区组织存在明显差异,而热影响区组织未见明显不同;两种工艺下的接头全厚度试样和分层试样的抗拉强度接近,而单道焊接头全厚度试样塑性较差;两种工艺下焊缝区和焊接热影响区的冲击吸收功均低于母材,且单道焊焊缝的不同区域的韧性存在较为明显的差异。     

激光成形修复Inconel 625合金的工艺特性和组织研究

对激光成形修复Inconel 625合金的工艺特性以及不同区域的组织进行了研究。结果表明:激光成形修复Inconed625合金的工艺范围较宽;激光功率主要影响单道修复层的宽度;扫描速度对单道修复层的尺寸影响较为显著,而送粉率的影响较小。基材的相组成包括γ(Ni-Cr)基体相、大尺寸(约10μm)块状MC型碳化物(M为Nb和Ti)、沿晶界析出的小尺寸(约0.5μm)块状MC型碳化物以及不规则形状的Laves相。修复区组织为呈外延生长的柱状枝晶,相组成为γ基体相、沿枝晶界析出的Laves相以及少量MC型碳化物。层与层界面处Laves相析出急剧增加形成层间过渡区。     

镍基合金Inconel 740激光近净成形多方向温度场

利用ANSYS有限元数值模拟研究镍基高温合金激光近净成形中沉积方向(单层10道(0o方向)、斜对角10道(12o方向)、单道10层(90o方向))对第一道的热影响规律,并结合实验对模拟结果进行进一步的验证。结果表明:沉积单道10层对第一道的热影响最大。随着层(道)数增加,3个沉积方向的温度梯度均减小,单层10道方向与斜对角10道方向减小趋势相同;熔覆过程中第一道上中心点应力σx由压应力逐渐转变成拉应力,并且沉积单层10道时第一道上的拉应力数值最大。观察镍基合金Inconel 740成型后的组织发现,柱状晶的生长方向从下到上呈外延生长特征并略偏向于材料沉积方向,与模拟结果一致。     

激光熔覆铁基合金的单层多道搭接工艺研究

在单道试验的基础上对铁基合金单层多道搭接工艺进行了研究。建立了激光熔覆多道搭接的理论计算模型,计算并修正搭接理论值。分析了搭接率对熔覆层的表面成形质量和微观组织的影响。得到了合适的搭接率56%,验证了熔覆层的显微硬度与材料的本身硬度相符合。     

激光熔覆成形Ni基合金层的研究

采用同轴送粉式激光熔覆工艺对Ni基合金粉末进行单道单层、单道多层及多道多层熔覆成形实验.结果表明:所形成的熔覆层与基体为冶金结合;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771HV0.2,为基体材料硬度的3～4倍.耐磨性显著提高;熔覆层内部无气孔出现,局部存在少量微观裂纹.     

镍铝金属粉末选区激光熔化工艺研究

研究了激光电流、激光脉宽、激光频率、扫描速度和扫描间距对单层单道扫描、单层多道扫描的影响。确定了较佳的工艺参数范围,为随后的多层多道扫描及块体成型件奠定了基础。通过多层多道扫描试验研究,研究了各工艺参数对块体形貌及表面质量的影响,最终得到了适合此镍铝金属粉末选区激光熔化成型的最佳工艺参数。     

连续/脉冲激光再制造温度场有限元分析与试验验证

以减少成形过程热输入,控制热影响区分布及成形层应力分布状态为目标,通过"生死单元"的有限元分析方法动态模拟激光再制造成形过程,对比分析连续/脉冲模式激光再制造温度场,采用非接触式红外测温仪验证分析结论,并就连续和脉冲工艺进行再制造成形对比试验验证。分析和试验结果表明:脉冲模式优化工艺参数为激光功率1.2 k W,光斑直径3 mm,扫描速度5 mm/s,单道成形层宽度3.2 mm,脉冲激光脉宽10 ms,占空比1:1;相同成形工艺和散热条件下,连续输出模式下多层成形层熔池温度最大值约为1400℃,较脉冲模式约高出170℃,且具有更大的热输入及热影响区范围,相关工艺及方法为叶轮叶片激光再制造提供分析和借鉴。     

P20模具钢的双层回火激光熔覆修复技术

传统的焊接方法修复失效模具,易造成较大的热输入,导致热影响区性能恶化,需要进行后续高温回火热处理.利用双层回火激光熔覆修复技术,通过充分利用后道熔覆层对前道熔覆层的回火作用,可免去后续回火热处理步骤.采用3.5 kW半导体激光器对P20模具钢进行了双层回火熔覆,基于修正后的Higu-chi模型确定了最优层间能量密度组合,利用光学显微镜和显微硬度仪表征了修复部位热影响区的微观组织和硬度分布.结果表明,P20模具钢最优的双层回火激光熔覆层间能量密度组合为5&10 kJ/cm2;采用该能量密度组合的双层回火激光熔覆修复工艺,可获得组织为均匀回火索氏体、平均硬度约400 HV的修复热影响区,其修复效果优于需要进行后续回火热处理的传统单层模具修复工艺.     

钛合金单道激光熔覆工艺的研究

为获得钛合金单道单层激光熔覆的最优工艺参数,采用正交实验方法,进行激光熔覆成形试验。先找出激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层几何尺寸的影响规律,再对比不同工艺条件所得熔覆层的表面及截面质量。通过对比分析,得到一组用于单道单层激光熔覆的最佳工艺参数组合,为以后激光熔覆成形试验提供了数据参考。     

热输入及热循环对激光沉积修复DZ125裂纹和组织的影响

通过激光沉积DZ125单道多层实验,分析了不同热输入量和多层热循环对沉积试样裂纹形态、分布、扩展方式以及沉积区组织、硬度的影响规律。结果表明:随着热输入量的增大,低熔点共晶数量增多,形成的液化裂纹沿晶扩展且尺寸增大,优化工艺参数降低热输入可防止裂纹产生;随着沉积层数的增加,热累积增大,冷却速率降低,产生的热应力增大,凝固裂纹横纵向均有扩展;通过层间冷却,减小热累积,获得单道多层无裂纹组织;在单道多层沉积试样中,随着层数增加,沉积区第1层碳化物由条状逐渐变圆形,数量减少,第1层的硬度呈缓慢降低趋势。     

激光烧结金属粉末成形零件的基础研究

激光快速成形技术是近十年来迅速发展起来的一项先进的实体自由成形技术.本文探讨了双组元金属粉末的激光烧结成形机理,从单道、多层、多道搭接几方面对DZ-Ni60AA粉末进行激光烧结成形实验,最后,分析了成形件缺陷的产生原因及其防止措施.     

轧辊表面宽带激光熔凝过程的相变及力学性能研究

综合考虑温度、相变和应力的耦合作用,运用有限元法分析了42CrMo轧辊在宽带激光单道扫描和叠道扫描下熔凝层的显微组织、硬度和残余应力分布规律及演变过程。计算结果表明,激光熔凝冷却过程中产生的马氏体相变对熔凝层的硬度和应力分布均有很大影响。单道激光熔凝层相变生成的马氏体比例高达80％以上,熔凝强化层的显微硬度值提高2.5～3倍,熔凝区内表现为残余压应力,热影响区则为拉应力;叠道激光熔凝后试件表面实际硬度值有所下降,且搭接区存在局部软化带。计算结果与实际分布规律基本相同,可为制定工艺、预测熔凝区性能变化提供理论依据。     

单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

文中采用冷金属过渡（CMT）技术,围绕船用高强钢的电弧增材制造（WAAM）开展研究. 分析不同比例的保护气体对单道单层形貌尺寸的影响. 结果表明,单道单层的润湿铺展能力随着保护气中CO₂含量的增加而提高,并建立了能够准确预测80%Ar + 20%CO₂混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型. 依据单道多层电弧增材的成形特点,利用面积关系并根据几何形貌建立了单道多层抬升量h的预测模型,抬升量h预测值的相对误差不超过3.50%. 通过建立抬升量预测模型,为单道多层的电弧增材成形控制提供了理论支撑.     

激光成形修复定向凝固DZ125镍基高温合金的组织研究

对铸造定向DZ125镍基高温合金进行单道多层的激光成形修复实验。通过光镜、扫描电镜及透射电镜对修复区进行微观组织观察,使用电子探针测定不同相及修复区枝晶干的成分。结果表明:通过激光成形修复的方法可以获得自原基材外延生长的细小定向γ柱状晶修复组织,仅在修复区顶部存在部分取向杂乱的等轴晶组织;相比铸造定向基材,沉积态修复区呈现快速外延定向凝固特征,导致修复区的成分偏析减轻,枝晶间MC型碳化物相比基材显著细化,呈块状或正八面体状,枝晶间同时分布有γ+γ′共晶组织;另外,在γ枝晶干分布着近100 nm的球形γ′相,且部分γ′相颗粒有相互连接的现象。总体上,修复区一次枝晶间距、碳化物及γ′相尺度比修复基材显著细化。     

Al-Si系铝合金电弧增材再制造成形机理及性能评价

针对6082铝合金的磨损、腐蚀、掉块等损伤,采用CMT (Cold metal transfer)电弧增材再制造技术和自主研发的Al-Si-Cr-Er丝材在其表面制备了单层多道、多层单道及多层多道成形层。综合运用金相显微镜、扫描电子显微镜、万能力学实验机、电化学工作站等分析成形层微观组织并评价其力学及电化学等综合性能。结果表明：成形层平滑光亮,焊道和焊道之间搭接平整紧密,无气孔、热裂纹、咬边、焊瘤等缺陷,Cr及稀土元素Er的加入,有效抑制了晶粒长大,促进了成形组织细化。相较于通用ER4043丝材,Al-Si-Cr-Er成形层的平均抗拉强度达228.7 MPa,最高延伸率达13.5%,微孔聚集形韧窝断裂是其主要失效机制;自腐蚀电位提高了约0.2 V,自腐蚀电流密度降低了一个数量级,成形组织的细化和杂质元素含量的降低是其耐腐蚀性能提升的主要原因。