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同軸和側(cè)面激光熔覆產(chǎn)生的厚金屬涂層：加工和性能
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作者:輝銳集團(tuán)
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發(fā)布時(shí)間: 2021-06-05
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同軸和側(cè)包覆工藝的實(shí)驗(yàn)評(píng)估
激光熔覆激光束功率 ，雖然幾個(gè)額外的工藝參數(shù)如：激光束光斑尺寸、激光束能量分布、屏蔽和載氣的數(shù)量和種類、粉末顆粒的尺寸、速度和進(jìn)料方向等，也起作用。從實(shí)用的角度來(lái)看，引入兩個(gè)新的工藝參數(shù)是有用的，即參數(shù)對(duì)應(yīng)于激光軌道單位長(zhǎng)度輸送的新材料量。通?？梢栽谙喈?dāng)寬的加工窗口操作范圍內(nèi)沉積單個(gè)激光軌跡。一個(gè)完整的包覆層是通過(guò)并排的單個(gè)軌道的連續(xù)沉積形成的。然而，如果想要建立一個(gè)最佳的包覆層（結(jié)合良好、厚、致密且沒(méi)有孔隙和裂縫），單個(gè)軌跡應(yīng)該滿足某些幾何特征，這可以在特定的加工窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
為了研究主要的激光熔覆參數(shù)對(duì)軌道的影響，我們使用了分級(jí)實(shí)驗(yàn)（通過(guò)在同軸激光頭下旋轉(zhuǎn)基板棒或通過(guò)在基板上的熔覆頭線性移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)面熔覆設(shè)置。在每個(gè)單跟蹤激光束功率 P 從最小值到最大值連續(xù)增加。簡(jiǎn)而言之，進(jìn)行了 25 個(gè)激光跟蹤以探索兩者的整個(gè)加工窗口 Carvalho等人，1995 年；Vilar等人，2006 年）。這種方法基于一個(gè)過(guò)程參數(shù)的連續(xù)變化，而其他參數(shù)保持不變。在五種不同水平的送粉速度F和五種掃描速度S 的所有組合下進(jìn)行單道實(shí)驗(yàn)包層設(shè)置。在我們的包覆實(shí)驗(yàn)中使用的材料的化學(xué)成分總結(jié)在表 15.1 中。
計(jì)算機(jī)控制的激光熔覆系統(tǒng)包括：Metco 9MP 送粉器、同軸或側(cè)熔覆噴嘴、XYZ-Rotation CNC 工作臺(tái)和 2 kW 連續(xù)波 Rofin Sinar Nd:YAG 激光器。具有頂帽能量分布特性（聚焦）的激光束聚焦在基板上方，導(dǎo)致激光束光斑尺寸為 3.0 毫米（同軸包層）和 3.6 毫米（側(cè)包層）直徑。計(jì)算機(jī)控制允許在激光熔覆期間通過(guò)激光燈泵浦功率的線性變化在200-1750 W的區(qū)間內(nèi)操作激光功率P。表 15.2總結(jié)了所有等級(jí)同軸和側(cè)包層實(shí)驗(yàn)的所有實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。
因?yàn)槲覀兪褂眉す夤β侍荻葘?shí)驗(yàn)研究激光熔覆過(guò)程，所以激光功率梯度必須“相當(dāng)小”才能接近穩(wěn)態(tài)熔覆狀態(tài)。激光功率沿單個(gè)激光軌跡的線性變化產(chǎn)生 6.9 的激光功率梯度 在同軸情況下W/mm， 在側(cè)面熔覆情況下分別產(chǎn)生8.8 W/mm。加工區(qū)域內(nèi)激光功率的變化（光束尺寸直徑）在這兩種情況下都小于 35 W，這似乎是一個(gè)相當(dāng)小的值，即不會(huì)偏離過(guò)多的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。
圖 15.4H (mm)、包層寬度W (mm)、原始表面上方的包層面積A c(mm 2A m (mm 2 )。根據(jù)這些特性，可以評(píng)估另外兩個(gè)重要的量：稀釋度D和包層角 α。稀釋度D = A m / ( A c + A m顯示了一個(gè)激光軌跡的典型橫截面，并定義了通常用于表征單個(gè)激光軌跡的主要幾何量：包層高度) 和熔融基板面積) 量化了在包層過(guò)程中已熔化的基板材料的相對(duì)量加工并與其他材料混合。雖然，為了成功的包覆，涂層和基材之間總是需要一些稀釋以確保良好的冶金結(jié)合，但高稀釋度可能會(huì)降低涂層性能的事實(shí)要求它保持在合理的低水平。在實(shí)踐中，包層角 α 需要足夠大，以避免涂層中的運(yùn)行間孔隙 ( ) 產(chǎn)生，同時(shí)重疊單個(gè) 間隙 Steen等，1986 Cola?o等人，1996 年）復(fù)合軌道。為了避免系統(tǒng)誤差和相當(dāng)大的數(shù)據(jù)分散，通常假設(shè)激光軌跡的橫截面是圓（）的一部分。激光熔覆軌道特征的實(shí)驗(yàn)評(píng)估，如熔融區(qū)的形狀和稀釋，需要橫截面。為了記錄所有幾何特征，以規(guī)則的間隔對(duì)單個(gè)激光軌跡進(jìn)行橫截面。樣品經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光和化學(xué)蝕刻，用于金相觀察。使用線性增加的已知值分配每個(gè)切片表面的激光束能量的相應(yīng)值）。熔覆角 α 可以從激光軌道寬度W和激光熔覆高度H 計(jì)算為：α = 180 – 2 arctan (2 H / W ) ( Bartsch, 1974泵浦功率和激光校準(zhǔn)曲線（ Ocelík等人，2004 年），其中涉及泵浦功率和 Nd:YAG 激光束輸出功率。
激光熔覆激光束功率 ，雖然幾個(gè)額外的工藝參數(shù)如：激光束光斑尺寸、激光束能量分布、屏蔽和載氣的數(shù)量和種類、粉末顆粒的尺寸、速度和進(jìn)料方向等，也起作用。從實(shí)用的角度來(lái)看，引入兩個(gè)新的工藝參數(shù)是有用的，即參數(shù)對(duì)應(yīng)于激光軌道單位長(zhǎng)度輸送的新材料量。通?？梢栽谙喈?dāng)寬的加工窗口操作范圍內(nèi)沉積單個(gè)激光軌跡。一個(gè)完整的包覆層是通過(guò)并排的單個(gè)軌道的連續(xù)沉積形成的。然而，如果想要建立一個(gè)最佳的包覆層（結(jié)合良好、厚、致密且沒(méi)有孔隙和裂縫），單個(gè)軌跡應(yīng)該滿足某些幾何特征，這可以在特定的加工窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
為了研究主要的激光熔覆參數(shù)對(duì)軌道的影響，我們使用了分級(jí)實(shí)驗(yàn)（通過(guò)在同軸激光頭下旋轉(zhuǎn)基板棒或通過(guò)在基板上的熔覆頭線性移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)面熔覆設(shè)置。在每個(gè)單跟蹤激光束功率 P 從最小值到最大值連續(xù)增加。簡(jiǎn)而言之，進(jìn)行了 25 個(gè)激光跟蹤以探索兩者的整個(gè)加工窗口 Carvalho等人，1995 年；Vilar等人，2006 年）。這種方法基于一個(gè)過(guò)程參數(shù)的連續(xù)變化，而其他參數(shù)保持不變。在五種不同水平的送粉速度F和五種掃描速度S 的所有組合下進(jìn)行單道實(shí)驗(yàn)包層設(shè)置。在我們的包覆實(shí)驗(yàn)中使用的材料的化學(xué)成分總結(jié)在表 15.1 中。
計(jì)算機(jī)控制的激光熔覆系統(tǒng)包括：Metco 9MP 送粉器、同軸或側(cè)熔覆噴嘴、XYZ-Rotation CNC 工作臺(tái)和 2 kW 連續(xù)波 Rofin Sinar Nd:YAG 激光器。具有頂帽能量分布特性（聚焦）的激光束聚焦在基板上方，導(dǎo)致激光束光斑尺寸為 3.0 毫米（同軸包層）和 3.6 毫米（側(cè)包層）直徑。計(jì)算機(jī)控制允許在激光熔覆期間通過(guò)激光燈泵浦功率的線性變化在200-1750 W的區(qū)間內(nèi)操作激光功率P。表 15.2總結(jié)了所有等級(jí)同軸和側(cè)包層實(shí)驗(yàn)的所有實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。
表 15.2。漸變同軸和側(cè)面激光熔覆實(shí)驗(yàn)中加工參數(shù)的變化
| 設(shè)置 | 粉末 | 基質(zhì) | 光斑尺寸 [mm] | P范圍 [W] | S范圍 [mm/s] | F范圍 [mg/s] | 軌道長(zhǎng)度 [mm] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 同軸 | 美科19E | C45鋼 | 3.0 | 200–1500 | 1.67–5.67 | 66.7–167 | 188 |
| 邊 | Eutroloy 16006 | GG-B | 3.6 | 600–1750 | 2.0–6.67 | 33.3–100 | 130 |
因?yàn)槲覀兪褂眉す夤β侍荻葘?shí)驗(yàn)研究激光熔覆過(guò)程，所以激光功率梯度必須“相當(dāng)小”才能接近穩(wěn)態(tài)熔覆狀態(tài)。激光功率沿單個(gè)激光軌跡的線性變化產(chǎn)生 6.9 的激光功率梯度 在同軸情況下W/mm， 在側(cè)面熔覆情況下分別產(chǎn)生8.8 W/mm。加工區(qū)域內(nèi)激光功率的變化（光束尺寸直徑）在這兩種情況下都小于 35 W，這似乎是一個(gè)相當(dāng)小的值，即不會(huì)偏離過(guò)多的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。
圖 15.4H (mm)、包層寬度W (mm)、原始表面上方的包層面積A c(mm 2A m (mm 2 )。根據(jù)這些特性，可以評(píng)估另外兩個(gè)重要的量：稀釋度D和包層角 α。稀釋度D = A m / ( A c + A m顯示了一個(gè)激光軌跡的典型橫截面，并定義了通常用于表征單個(gè)激光軌跡的主要幾何量：包層高度) 和熔融基板面積) 量化了在包層過(guò)程中已熔化的基板材料的相對(duì)量加工并與其他材料混合。雖然，為了成功的包覆，涂層和基材之間總是需要一些稀釋以確保良好的冶金結(jié)合，但高稀釋度可能會(huì)降低涂層性能的事實(shí)要求它保持在合理的低水平。在實(shí)踐中，包層角 α 需要足夠大，以避免涂層中的運(yùn)行間孔隙 ( ) 產(chǎn)生，同時(shí)重疊單個(gè) 間隙 Steen等，1986 Cola?o等人，1996 年）復(fù)合軌道。為了避免系統(tǒng)誤差和相當(dāng)大的數(shù)據(jù)分散，通常假設(shè)激光軌跡的橫截面是圓（）的一部分。激光熔覆軌道特征的實(shí)驗(yàn)評(píng)估，如熔融區(qū)的形狀和稀釋，需要橫截面。為了記錄所有幾何特征，以規(guī)則的間隔對(duì)單個(gè)激光軌跡進(jìn)行橫截面。樣品經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光和化學(xué)蝕刻，用于金相觀察。使用線性增加的已知值分配每個(gè)切片表面的激光束能量的相應(yīng)值）。熔覆角 α 可以從激光軌道寬度W和激光熔覆高度H 計(jì)算為：α = 180 – 2 arctan (2 H / W ) ( Bartsch, 1974泵浦功率和激光校準(zhǔn)曲線（ Ocelík等人，2004 年），其中涉及泵浦功率和 Nd:YAG 激光束輸出功率。
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