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超高速激光熔覆技術(shù)對金屬機(jī)械零件表面處理方式
來源:
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作者:輝銳集團(tuán)
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發(fā)布時間: 2021-06-10
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超高速激光熔覆技術(shù)只是有助于改善金屬機(jī)械零件表面特性的眾多處理方法之一。超高速激光熔覆從根本上說是一種熔化過程，旨在通過極其精確的焊接技術(shù)將兩種金屬、一層和一層基材融合在一起。
為改善金屬機(jī)械零件的表面性能，例如耐磨性和耐腐蝕性，可進(jìn)行多種表面熱處理；例如，火焰噴涂、等離子噴涂和弧焊都是成熟的技術(shù)。這些技術(shù)的特點是在沒有這些特性的廉價材料上應(yīng)用具有所需特性的表面層。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同，常見的問題是所應(yīng)用的表面層與基材的結(jié)合不良、氣孔的出現(xiàn)、工件的熱變形、表面層與基材的混合以及無法非常局部的治療?？朔@些問題的技術(shù)之一是超高速激光熔覆。超高速激光熔覆被定義為“一種用激光束將另一種具有不同冶金特性的材料熔合在基材上的工藝，由此只需熔化基材的非常薄的一層，以實現(xiàn)以最小的冶金結(jié)合稀釋添加的材料和基材，以保持涂層材料的原始特性”[Komvopoulos, 1990]。
如圖 1 所示，將金屬樣品置于強(qiáng)大的激光束下，同時將粉末注入熔池上方，在凝固后形成稱為包層的層。通過執(zhí)行連續(xù)的重疊跟蹤，可以覆蓋大于激光束直徑的大區(qū)域。與普遍看法相反，由于激光束、粉末顆粒和熔化區(qū)域之間的相互作用，熔覆過程控制很困難。事實上，即使大部分激光功率到達(dá)工件，也有一小部分被粉末顆粒捕獲，從而被加熱。并且只有撞擊熔化浴槽的粉末顆粒會粘住，而撞擊固體區(qū)域的顆粒會發(fā)生彈跳然后丟失。另一個復(fù)雜的現(xiàn)象是工件吸收修正（即，工件表面上可用的激光功率與工件吸收的激光功率之比）跟隨熔化區(qū)域的形狀。最后，由于在激光束下呈現(xiàn)出復(fù)雜的復(fù)合幾何形狀，很難預(yù)測激光功率，以最大限度地減少工件內(nèi)部的重熔深度，但仍繼續(xù)允許入射粉末熔化。
如上所述，超高速激光熔覆是一種熔化過程，其中使用激光束將合金添加物熔合到基材上。它是最高精度的堆焊技術(shù)。添加劑材料和基底的薄層被激光束熔化。這確保了層和基材之間的冶金結(jié)合。可以在加工期間或加工之前以各種方式將合金引入梁-材料相互作用區(qū)。添加劑材料要么預(yù)涂在基材上，要么就地提供。通過熱噴涂或電鍍沉積進(jìn)行預(yù)涂層既費時又昂貴，因此僅對大面積覆層有效。原位供應(yīng)是指將添加劑材料以金屬絲或粉末的形式注入激光束和基材的相互作用區(qū)。粉末更常見和流行，因為它們幾乎可以無限地改變合金成分——見圖 2。用于超高速激光熔覆的粉末的粒度應(yīng)在 20 到 200 毫米之間。球形顆?？蓪崿F(xiàn)最佳進(jìn)料特性，這對于霧化粉末而言是典型的。極少的基材熔化，從而形成具有標(biāo)稱合金成分的包層。
可通過超高速激光熔覆應(yīng)用的典型金屬有：
工具鋼（Fe、C、Cr、V）
不銹鋼類型（Fe、Cr、Ni）
鈷合金（司太立：Co、C、Cr、W）
超級合金（Ni、Co、Mo、Cr、Si）
鎳自熔合金 (Ni-Cr-B-Si)
鈦合金
鋁合金（例如Al-(Mg)-Si）
銅合金
與上述傳統(tǒng)涂層工藝相比，超高速激光熔覆具有許多優(yōu)勢。它可以提供更高質(zhì)量的涂層，最小的稀釋和變形，提供增強(qiáng)的表面質(zhì)量參數(shù)。由此獲得的表面材料的特性具有與原始狀態(tài)相似甚至更好的特性。總的來說，超高速激光熔覆的優(yōu)點是：
減少生產(chǎn)時間
增強(qiáng)的熱控制
非常滿意的零件修復(fù)
功能分級零件的生產(chǎn)
智能結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)
為改善金屬機(jī)械零件的表面性能，例如耐磨性和耐腐蝕性，可進(jìn)行多種表面熱處理；例如，火焰噴涂、等離子噴涂和弧焊都是成熟的技術(shù)。這些技術(shù)的特點是在沒有這些特性的廉價材料上應(yīng)用具有所需特性的表面層。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同，常見的問題是所應(yīng)用的表面層與基材的結(jié)合不良、氣孔的出現(xiàn)、工件的熱變形、表面層與基材的混合以及無法非常局部的治療?？朔@些問題的技術(shù)之一是超高速激光熔覆。超高速激光熔覆被定義為“一種用激光束將另一種具有不同冶金特性的材料熔合在基材上的工藝，由此只需熔化基材的非常薄的一層，以實現(xiàn)以最小的冶金結(jié)合稀釋添加的材料和基材，以保持涂層材料的原始特性”[Komvopoulos, 1990]。
如圖 1 所示，將金屬樣品置于強(qiáng)大的激光束下，同時將粉末注入熔池上方，在凝固后形成稱為包層的層。通過執(zhí)行連續(xù)的重疊跟蹤，可以覆蓋大于激光束直徑的大區(qū)域。與普遍看法相反，由于激光束、粉末顆粒和熔化區(qū)域之間的相互作用，熔覆過程控制很困難。事實上，即使大部分激光功率到達(dá)工件，也有一小部分被粉末顆粒捕獲，從而被加熱。并且只有撞擊熔化浴槽的粉末顆粒會粘住，而撞擊固體區(qū)域的顆粒會發(fā)生彈跳然后丟失。另一個復(fù)雜的現(xiàn)象是工件吸收修正（即，工件表面上可用的激光功率與工件吸收的激光功率之比）跟隨熔化區(qū)域的形狀。最后，由于在激光束下呈現(xiàn)出復(fù)雜的復(fù)合幾何形狀，很難預(yù)測激光功率，以最大限度地減少工件內(nèi)部的重熔深度，但仍繼續(xù)允許入射粉末熔化。
如上所述，超高速激光熔覆是一種熔化過程，其中使用激光束將合金添加物熔合到基材上。它是最高精度的堆焊技術(shù)。添加劑材料和基底的薄層被激光束熔化。這確保了層和基材之間的冶金結(jié)合。可以在加工期間或加工之前以各種方式將合金引入梁-材料相互作用區(qū)。添加劑材料要么預(yù)涂在基材上，要么就地提供。通過熱噴涂或電鍍沉積進(jìn)行預(yù)涂層既費時又昂貴，因此僅對大面積覆層有效。原位供應(yīng)是指將添加劑材料以金屬絲或粉末的形式注入激光束和基材的相互作用區(qū)。粉末更常見和流行，因為它們幾乎可以無限地改變合金成分——見圖 2。用于超高速激光熔覆的粉末的粒度應(yīng)在 20 到 200 毫米之間。球形顆?？蓪崿F(xiàn)最佳進(jìn)料特性，這對于霧化粉末而言是典型的。極少的基材熔化，從而形成具有標(biāo)稱合金成分的包層。
可通過超高速激光熔覆應(yīng)用的典型金屬有：
工具鋼（Fe、C、Cr、V）
不銹鋼類型（Fe、Cr、Ni）
鈷合金（司太立：Co、C、Cr、W）
超級合金（Ni、Co、Mo、Cr、Si）
鎳自熔合金 (Ni-Cr-B-Si)
鈦合金
鋁合金（例如Al-(Mg)-Si）
銅合金
與上述傳統(tǒng)涂層工藝相比，超高速激光熔覆具有許多優(yōu)勢。它可以提供更高質(zhì)量的涂層，最小的稀釋和變形，提供增強(qiáng)的表面質(zhì)量參數(shù)。由此獲得的表面材料的特性具有與原始狀態(tài)相似甚至更好的特性。總的來說，超高速激光熔覆的優(yōu)點是：
減少生產(chǎn)時間
增強(qiáng)的熱控制
非常滿意的零件修復(fù)
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