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激光熔覆工藝詳解
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作者:輝銳集團(tuán)
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發(fā)布時(shí)間: 2021-05-24
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激光熔覆該工藝使用粗硬相顆粒與金屬合金的粉末混合物進(jìn)行涂層沉積。兩者的典型顆粒尺寸范圍的原料材料是45-90 微米，45-125 微米。出于特殊目的，較小的粒度分?jǐn)?shù)（例如20-45） 可以使用μm。兩種成分都在粉末進(jìn)料器/激光熔覆噴嘴中機(jī)械混合。粉末或幾種粉末的機(jī)械混合物在通過(guò)重力穿過(guò)激光束的同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，但熔化僅在熔池中發(fā)生。通過(guò)激光在工件表面形成的熔池非常集中，并且主要由原料組成。用于形成冶金結(jié)合的基體材料的有限的部分熔化主要是通過(guò)熱傳遞到冷基體中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于激光熔覆單元和/或基材的永久相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及涂層材料的快速固化，形成單個(gè)焊接軌道。這些表面逐條軌道地熔覆，具有部分重疊，這包括先前沉積的相鄰軌道的部分重熔。所得涂層的特征在于典型的厚度范圍為100-2000μm， 并且冶金結(jié)合到基底材料上。涂層性能不僅取決于材料，而且取決于激光器的類型和工藝條件。根據(jù)激光技術(shù)的歷史發(fā)展，有不同類型的激光源可用于激光熔覆工藝
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涂層的沉積是激光熔覆的主要目的，但該工藝也可用于零件的修理和翻新以及三維零件的生成。金屬和合金通常單獨(dú)處理以進(jìn)行涂層沉積，但是為了生成三維零件，它們是專門使用的。迄今為止，硬相粘合劑合金組合物僅在涂層沉積中起作用。它們可能構(gòu)成了研究最多的通過(guò)激光熔覆沉積的涂層（Tuominen，2009年）。目前僅通過(guò)一步法進(jìn)行通過(guò)激光熔覆的涂層沉積。原料的主要類型是粉末。與其他表面改性技術(shù)（例如PTA和熱噴涂）相比，由于用量相對(duì)較小，因此沒(méi)有特殊的原料可以從市場(chǎng)上買到。大多數(shù)情況下，它們以機(jī)械混合物的形式使用。像蒙上了粗大硬相顆粒碳化鎢 硬質(zhì)合金是與基于Co或Ni的不同硬質(zhì)合金粉末機(jī)械混合。由于溶解和冶金反應(yīng)，在熔覆過(guò)程中硬相粒度減小。含有細(xì)粒硬質(zhì)相和金屬粘合劑的復(fù)合（硬金屬）原料粉末也與其他金屬或合金粉末機(jī)械混合，因?yàn)榍罢咧械慕饘僬澈蟿┖刻停瑹o(wú)法沉積無(wú)裂紋的涂層。目前，這樣的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)主要是在立方硬質(zhì)相（例如碳化鈦和釩釩）的基礎(chǔ)上，通過(guò)附聚和燒結(jié)的粉末（請(qǐng)參見(jiàn)第1.18.7節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在包衣過(guò)程的特征在于復(fù)雜的冶金工藝的硬質(zhì)相顆粒和金屬材料之間。盡管通常試圖使基材元素在涂層中的混合最小化，但這包括基材材料的某些溶解。取決于所選的粘合劑材料，可達(dá)到的硬相含量不同，但是限制為約50 體積％。沉積良好的涂層的特征在于沒(méi)有孔隙。可替代地，在適當(dāng)?shù)挠布薷南?，可以使用金屬絲，但是在含有硬相的復(fù)合材料的情況下，該原料限于藥芯焊絲。圖8示出了三個(gè)單軌道的橫截面，以說(shuō)明涂層形成的原理。單軌的寬度為b，高度為h。最大涂層厚度d由兩條軌道在其重疊點(diǎn)處的厚度得出。典型值為b = 0.1-8 mm，h = 0.1-2.5 mmd = 0.1-2 mm。最重要的參數(shù)之一是稀釋度，其具有冶金學(xué)和幾何學(xué)定義（Toyserkani等人，2005年）。通過(guò)測(cè)量涂層中基體元素的含量來(lái)確定冶金稀釋度，例如在Co基粘合劑合金區(qū)域中，在鋼的情況下為鐵。這通常用于實(shí)際目的。對(duì)于最先進(jìn)的工藝，可以實(shí)現(xiàn)將基材材料稀釋到涂層材料中的比例約為5％。
4.jpg "激光熔覆")
幾何稀釋度由等式 = A 2 /（A 1 + A 2）確定，其中A 1和A 2分別是單個(gè)焊道的面積和涂層橫截面中的熔合區(qū)。為了快速估計(jì)，可以使用A 1和A 2的高度之比。在硬相基涂層的沉積中，潤(rùn)濕在兩個(gè)方面很重要：在處理過(guò)程中，相對(duì)于涂層與基材以及硬相顆粒與粘合劑基體，潤(rùn)濕是一個(gè)重要的參數(shù)。前者受金屬粘合劑材料對(duì)基體材料的影響，并且?guī)缀醪皇苡蚕囝w粒的影響。的沉積速率被確定為的產(chǎn)品粉末進(jìn)料速率和沉積效率。它主要受熔池大小與粉末流橫截面積之比的影響。最典型的沉積效率在60-90％的范圍內(nèi)。在特殊情況下，可以達(dá)到98％。在非最佳工藝條件下，可能會(huì)發(fā)生幾種類型的缺陷，例如裂紋，孔洞/孔隙，過(guò)度稀釋和成分不均勻（Tuominen，2009年）。對(duì)于所有這些類型的缺陷，都存在技術(shù)上的對(duì)策，例如，可以通過(guò)額外加熱避免裂紋。對(duì)于多種應(yīng)用，例如作為無(wú)腐蝕侵蝕的耐磨涂層，有時(shí)可以容忍裂紋。
涂層的沉積是激光熔覆的主要目的，但該工藝也可用于零件的修理和翻新以及三維零件的生成。金屬和合金通常單獨(dú)處理以進(jìn)行涂層沉積，但是為了生成三維零件，它們是專門使用的。迄今為止，硬相粘合劑合金組合物僅在涂層沉積中起作用。它們可能構(gòu)成了研究最多的通過(guò)激光熔覆沉積的涂層（Tuominen，2009年）。目前僅通過(guò)一步法進(jìn)行通過(guò)激光熔覆的涂層沉積。原料的主要類型是粉末。與其他表面改性技術(shù)（例如PTA和熱噴涂）相比，由于用量相對(duì)較小，因此沒(méi)有特殊的原料可以從市場(chǎng)上買到。大多數(shù)情況下，它們以機(jī)械混合物的形式使用。像蒙上了粗大硬相顆粒碳化鎢 硬質(zhì)合金是與基于Co或Ni的不同硬質(zhì)合金粉末機(jī)械混合。由于溶解和冶金反應(yīng)，在熔覆過(guò)程中硬相粒度減小。含有細(xì)粒硬質(zhì)相和金屬粘合劑的復(fù)合（硬金屬）原料粉末也與其他金屬或合金粉末機(jī)械混合，因?yàn)榍罢咧械慕饘僬澈蟿┖刻停瑹o(wú)法沉積無(wú)裂紋的涂層。目前，這樣的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)主要是在立方硬質(zhì)相（例如碳化鈦和釩釩）的基礎(chǔ)上，通過(guò)附聚和燒結(jié)的粉末（請(qǐng)參見(jiàn)第1.18.7節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在包衣過(guò)程的特征在于復(fù)雜的冶金工藝的硬質(zhì)相顆粒和金屬材料之間。盡管通常試圖使基材元素在涂層中的混合最小化，但這包括基材材料的某些溶解。取決于所選的粘合劑材料，可達(dá)到的硬相含量不同，但是限制為約50 體積％。沉積良好的涂層的特征在于沒(méi)有孔隙。可替代地，在適當(dāng)?shù)挠布薷南?，可以使用金屬絲，但是在含有硬相的復(fù)合材料的情況下，該原料限于藥芯焊絲。圖8示出了三個(gè)單軌道的橫截面，以說(shuō)明涂層形成的原理。單軌的寬度為b，高度為h。最大涂層厚度d由兩條軌道在其重疊點(diǎn)處的厚度得出。典型值為b = 0.1-8 mm，h = 0.1-2.5 mmd = 0.1-2 mm。最重要的參數(shù)之一是稀釋度，其具有冶金學(xué)和幾何學(xué)定義（Toyserkani等人，2005年）。通過(guò)測(cè)量涂層中基體元素的含量來(lái)確定冶金稀釋度，例如在Co基粘合劑合金區(qū)域中，在鋼的情況下為鐵。這通常用于實(shí)際目的。對(duì)于最先進(jìn)的工藝，可以實(shí)現(xiàn)將基材材料稀釋到涂層材料中的比例約為5％。
幾何稀釋度由等式 = A 2 /（A 1 + A 2）確定，其中A 1和A 2分別是單個(gè)焊道的面積和涂層橫截面中的熔合區(qū)。為了快速估計(jì)，可以使用A 1和A 2的高度之比。在硬相基涂層的沉積中，潤(rùn)濕在兩個(gè)方面很重要：在處理過(guò)程中，相對(duì)于涂層與基材以及硬相顆粒與粘合劑基體，潤(rùn)濕是一個(gè)重要的參數(shù)。前者受金屬粘合劑材料對(duì)基體材料的影響，并且?guī)缀醪皇苡蚕囝w粒的影響。的沉積速率被確定為的產(chǎn)品粉末進(jìn)料速率和沉積效率。它主要受熔池大小與粉末流橫截面積之比的影響。最典型的沉積效率在60-90％的范圍內(nèi)。在特殊情況下，可以達(dá)到98％。在非最佳工藝條件下，可能會(huì)發(fā)生幾種類型的缺陷，例如裂紋，孔洞/孔隙，過(guò)度稀釋和成分不均勻（Tuominen，2009年）。對(duì)于所有這些類型的缺陷，都存在技術(shù)上的對(duì)策，例如，可以通過(guò)額外加熱避免裂紋。對(duì)于多種應(yīng)用，例如作為無(wú)腐蝕侵蝕的耐磨涂層，有時(shí)可以容忍裂紋。
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