激光先進(jìn)制造技術(shù)LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特種加工技術(shù)2.激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)3.激光熔覆技術(shù)4.超高速激光熔覆技術(shù)5.激光焊接技術(shù)6.激光復(fù)合制造技術(shù)7.激光微細(xì)復(fù)合加工技術(shù)課程內(nèi)容1.激光熔覆技術(shù)概述2.激光熔覆設(shè)備與工藝3.激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析4.激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)5.激光熔覆技術(shù)的典型案例本章內(nèi)容激光熔覆技術(shù)概述4/7220世紀(jì)70年代——大功率激光器1974年底——美國(guó)某公司提出了世界上第一個(gè)激光熔覆專利21世紀(jì)后——隨著大功率激光器技術(shù)的成熟而快速發(fā)展日美將其商業(yè)化，批量修復(fù)了軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損失效零件德國(guó)發(fā)展了超高速激光熔覆取代電鍍、熱噴涂、堆焊我國(guó)激光熔覆的研究和應(yīng)用正處于快速增長(zhǎng)階段技術(shù)起源激光熔覆原理5/72激光熔覆是一種新型的表面再制造技術(shù)，主要用于改善和提高材料的表面性能及零件表面修復(fù)。激光熔覆通過(guò)不同的添料方式在基材表面添加激光熔覆材料，并利用高能量激光束使其熔覆粉末與基材表面薄層一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能優(yōu)于基體，與基體呈冶金結(jié)合，因此使基體表面的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕等特性得到提高。激光熔覆技術(shù)概述激光熔覆原理6/72激光熔覆是通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高功率激光束以恒定功率入射到需要改善的工件表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收。當(dāng)瞬時(shí)被吸收的能量超過(guò)臨界值后，熔覆材料和基材表面薄層熔化，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的熔覆層。激光束根據(jù)應(yīng)用程序給定的路線來(lái)回掃描，從而逐線逐層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)或修復(fù)。激光熔覆技術(shù)概述7/72激光熔覆是利用高能密度激光束所產(chǎn)生的局部高溫，將2種或者2種以上金屬界面瞬間熔化，熔覆材料與基體表面試樣冶金結(jié)合，形成性能與基體成分不同的涂層，改善材料性能。激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料，因此，世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。激光熔覆原理激光熔覆技術(shù)概述8/72預(yù)置粉末法同步送粉法根據(jù)合金粉末供應(yīng)方式的不同，激光熔覆可以分為兩種，即預(yù)置粉末法和同步送粉法。熔覆材料可以選擇絲狀材料、板狀材料、粉末材料等，其中粉末熔覆應(yīng)用比較廣泛。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述9/72預(yù)置粉末法包括無(wú)粘結(jié)劑預(yù)置法和粘結(jié)劑預(yù)置法。無(wú)粘結(jié)劑預(yù)置法是指利用預(yù)置工件將粉末直接預(yù)置到基體上，預(yù)置的過(guò)程中要使粉末分布均勻然后用激光進(jìn)行熔覆。粘結(jié)劑預(yù)置法指將粘結(jié)劑(纖維素等)粉末按照一定的比例混合加入少量的水使其成為糊狀，然后使用預(yù)置工具將其預(yù)置到基體上并放置一段時(shí)間使其涂在基體上干燥的方法。粘結(jié)劑預(yù)置法成本低，操作簡(jiǎn)單，但通過(guò)激光束的照射粘結(jié)劑界面易產(chǎn)生氣泡，因而會(huì)造成熔覆涂層產(chǎn)生氣孔它裂紋、脫落等缺陷使熔覆涂層的質(zhì)量下降。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述10/72同步送粉法激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。在同步送粉激光熔覆過(guò)程中的凝固速度要快于預(yù)置粉末法，有利于防止陶瓷顆粒沉底或上浮現(xiàn)象，從而大大改善復(fù)合層中陶瓷顆粒分布的均勻性。但同步送粉過(guò)程中，陶瓷顆粒在送粉同時(shí)受激光束輻照，且注入到熔池的中心，由于激光熔池表面中心的溫度最高，熔池中心的陶瓷顆粒的吸收熱量高，注入陶瓷顆粒仍然有熔化和分解的現(xiàn)象。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述11/72預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理——預(yù)置熔覆材料——預(yù)熱——激光熔化——后熱處理。同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理——送料激光熔化——后熱處理。按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是：基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。激光熔覆的分類激光熔覆技術(shù)概述12/72評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的主要指標(biāo)為:熔覆層厚度、熔覆層寬度熔覆層形狀系數(shù)(寬度/厚度)稀釋率硬度及其沿深度分布基板的熱影響區(qū)深度及變形程度等稀釋率η=A2/(A1+A2)=h/(H+h)激光熔覆層質(zhì)量指標(biāo)激光熔覆技術(shù)概述其中：A1是熔覆層，A2是稀釋區(qū)，HAZ是熱影響區(qū)W為熔覆層寬度Ha為熔覆層高度Hb為基體熔化深度13/72冷卻速度快(高達(dá)106K/s)，屬于快速凝固過(guò)程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；涂層稀釋率低(一般小于5%)，與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控;氧-乙炔火焰熔覆感應(yīng)熔覆氬弧熔覆等離子弧熔覆激光熔覆激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)激光熔覆技術(shù)概述14/72熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制，特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm；能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比;光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)激光熔覆技術(shù)概述15/72由于激光熔覆的眾多優(yōu)點(diǎn)，因而在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，但是激光熔覆技術(shù)也存在它的不足之處：由于涂層與基體產(chǎn)生較大的溫度梯度，使熔覆涂層與基體體積膨脹收縮率不一致，因此熔覆涂層產(chǎn)生裂紋的敏感性比較大;由于熔覆帶較窄，要想得到大面積的激光熔覆涂層比較困難。激光熔覆技術(shù)的缺點(diǎn)激光熔覆技術(shù)概述16/72激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝17/72激光器的選用：應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。CO2激光器固體激光器激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝18/72CO2激光器是應(yīng)用最廣、種類最多的一種激光器,在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占全球工業(yè)激光器銷售額40%，北美更高達(dá)70%。CO2激光器具有功率高、效率高、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝19/72固體激光器主要包括光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器等。固體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，速度快、深度大、無(wú)變形、熔覆層無(wú)夾渣、熔池細(xì)膩無(wú)氣孔，可以在室溫或者特殊的條件下進(jìn)行工作。但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，則光纖激光器、二極管激光器由于其自身設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，就顯得不太適合了，而碟片激光器則比較適合焊接(包括熔覆)、切割反射率比較高的材料。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝20/72激光器的選用：目前應(yīng)用廣泛的有CO2激光器、固體激光器Nd:YAG。CO2激光器和Nd:YAG激光器的輸出特性：激光器波長(zhǎng)/μm輸出方式脈沖寬度/ms輸出能量最大輸出功率密度CO2激光器10.6PW/CW0.1-100PW:幾個(gè)焦耳CW:幾十~幾千焦10的6次方Nd:YAG激光器1.06PW/CW0.01-10PW:幾個(gè)~幾百焦耳CW:幾十~幾千焦10的6次方由上表可知，激光的輸出能量有脈沖式和連續(xù)式兩種類型。Nd:YAG激光相對(duì)C02激光溫度升的快，需要激光的能量少，熱影響區(qū)和熱變形區(qū)小，處理層冷卻速度快，溫度梯度大，所以激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)和熱變形區(qū)依次是:Nd:YAG激光<C02激光。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝21/72在激光熔覆與加工過(guò)程中，金屬激光能量的吸收是一個(gè)十分重要的參數(shù)。下表為幾種金屬對(duì)激光的吸收率:金屬材料室溫熔點(diǎn)C02激光Nd:YAG激光C02激光Nd:YAG激光AlCuFeTi碳鋼不銹鋼1.861.553.078.132.759.725.884.899.7225.708.6930.726.45.113.013.712.1314.620.016.241.143.38.244.2從上表可知，金屬表面對(duì)激光的吸收率隨激光波長(zhǎng)的增加而減少，則金屬表面對(duì)激光的吸收率的大小依次為Nd:YAG激光>C02激光綜上所述:(1)C02激光器適用于大功率、大尺寸精度要求較低的加工和熔覆領(lǐng)域，Nd:YAG激光適用于中小功率、中小尺寸、精度要求較高的加工和熔覆領(lǐng)域。(2)Nd:YAG激光比C02激光更適用于激光熔覆和激光直接接觸金屬快速制造領(lǐng)域。激光熔覆設(shè)備激光熔覆設(shè)備與工藝22/72激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過(guò)程，是一種對(duì)裂紋敏感的工藝。涂層成形質(zhì)量的影響對(duì)于激光再制造產(chǎn)品的可靠性非常重要，熔覆材料和激光熔覆工藝的選擇決定了最終的涂層質(zhì)量，而工藝參數(shù)對(duì)于控制涂層質(zhì)量具有很大的影響。激光熔覆工藝參數(shù)主要包括：激光功率、激光束掃描速度、光斑直徑、搭接率、離焦量等。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝23/72激光功率與稀釋率成正比關(guān)系，隨著激光功率的增大，粉末與基體的表面溫度增加從而熔化量增大，因此容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率持續(xù)增大，基體的熔化加劇，從而導(dǎo)致基體變形或者產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率過(guò)小，激光稀釋度變小，涂層與基體的冶金效果不好，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。為了避免此問(wèn)題，應(yīng)該控制合理的激光功率。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝24/72掃描速度是激光工藝參數(shù)中非常重要的參數(shù)。極限速度是指激光束只可使合金粉末熔化，而幾乎不能使基體熔化的掃描速度。要使涂層成形完好，要求激光掃描速度必須小于極限速度。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝25/72光斑直徑主要影響熔覆涂層的寬度，光斑直徑和熔覆涂層寬度以及掃描速度的關(guān)系可由下式確定：W=D×(1-aVb)式中，a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和工藝特性、材料屬性有關(guān)。當(dāng)其他工藝參數(shù)一定的情況下，隨著光斑直徑的增大，涂層寬度增大，激光熔池增大，因此其表面張力減小，涂層質(zhì)量得到一定的提高。如果光斑直徑過(guò)小，則很難得到大面積的熔覆，如果光斑直徑過(guò)大，激光束熱量容易分散，影響涂層的質(zhì)量。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝26/72熔覆涂層單位面積所需能量叫做能量密度E，又稱激光比能，其計(jì)算公式為：E=P/(DVb)式中P為激光束功率，D為激光束光斑直徑及Vb為激光掃描速度。激光比能與激光功率有著密切的關(guān)系，在光斑直徑與掃描速度一定的情況下，激光比能與激光功率成正比關(guān)系。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝27/72搭接率是影響大面積涂層質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),要想得到大面積的激光熔覆涂層，需要從搭接方面來(lái)入手分析。如果搭接率過(guò)低，搭接處容易形成凹坑等缺陷且表面比較粗糙，如果搭接率過(guò)高，涂層表面變的比較平整光滑，但是可能會(huì)有氣孔、裂紋的產(chǎn)生，因此要選擇合適的搭接率。激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆設(shè)備與工藝29/72在激光熔覆過(guò)程中，影響激光涂層成形質(zhì)量和性能的因素非常復(fù)雜，激光熔覆材料是一個(gè)主要因素。按熔覆材料的初始供應(yīng)狀態(tài)熔覆材料可分為粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄板狀，其中應(yīng)用最廣泛的是粉末狀材料。按照材料成分構(gòu)成，激光熔覆粉末材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和復(fù)合粉末等。在金屬粉末中自熔性合金粉末的研究與應(yīng)用最多。目前廣泛應(yīng)用的主要有Fe、Ni、Co基自熔性合金粉末，以及為了進(jìn)一步提高耐磨性而加入各種陶瓷相混合形成的金屬陶瓷材料。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝30/72特點(diǎn):1、含有B、Si，作用：脫氧、造渣2、基材適應(yīng)性可廣泛應(yīng)用于包括各類碳鋼、合金鋼、不銹鋼和鑄鐵類材質(zhì)，但不適宜含S較高的鋼材，因?yàn)殇撝蠸的存在會(huì)在交界面處形成一種低熔點(diǎn)的脆性物質(zhì)，容易使熔覆層脫落。分類：Ni基合金、Co基合金、Fe基合金自熔性合金粉末鎳基自熔性粉末具有非常好的自熔性，良好的韌性、耐沖擊、耐熱性、抗氧化性及較高的耐蝕性，但是高溫性能較差。鈷基自熔性粉末比鎳基自熔性粉末自熔性能要差一些，但其耐高溫性能最好，且具有良好的耐熱震、耐磨、耐蝕性能，但成本較高。鐵基自熔性粉末的自熔效果較前兩種粉末最差且抗氧化性能差，但是成本最低。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝鐵基自熔性合金粉末31/72特點(diǎn)：陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層。分類：硅化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末(Al2O3和ZrO2)缺點(diǎn)：與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，在使用中將出現(xiàn)變形開(kāi)裂、剝落損壞等現(xiàn)象。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝陶瓷粉末氧化鋁粉末32/72復(fù)合粉末主要是指高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復(fù)合而形成的粉末體系。特點(diǎn)：金屬的強(qiáng)韌性、良好的工藝性與陶瓷材料優(yōu)異耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合復(fù)合粉末體系:1、碳化物合金粉末(如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)2、氧化物合金粉末(如Al2O3\Zr2O3\TiO2等)3、氮化物合金粉末(TiN、Si3N4等)塊狀WC球狀WC激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝4、硼化物合金粉末5、硅化物合金粉末復(fù)合粉末33/72其他金屬粉末包括：銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達(dá)到耐磨減摩、耐蝕、導(dǎo)電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝其他金屬粉末34/72選擇熔覆材料要堅(jiān)持以下幾點(diǎn)原則：熔覆材料與基體材料的熔點(diǎn)要接近，避免產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。保證熔覆材料與基體之間具有一定的潤(rùn)濕性。盡量控制粉末的粒度在一定的范圍內(nèi)，要避免粉末過(guò)細(xì)，影響熔池的流動(dòng)性，粉末如果過(guò)大，影響激光熔覆工藝性能。熔覆材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近，如果相差太大容易產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象，影響涂層的質(zhì)量。激光熔覆材料激光熔覆設(shè)備與工藝35/72激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一是宏觀上，考察熔覆層氣孔、裂紋、形狀等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。激光熔覆技術(shù)存在的問(wèn)題激光熔覆設(shè)備與工藝36/72激光熔覆層的裂紋圖像：微裂紋;(b)圖(a)的放大圖像激光熔覆層中的氣孔圖像：(a)熔覆層中部區(qū)域;(b)熔覆層底部區(qū)域受熔覆材料與基體材料的熱物性差異以及成形工藝等因素的影響，容易在成形件中形成裂紋、氣孔、夾雜和層間結(jié)合不良等缺陷。激光熔覆技術(shù)存在的問(wèn)題激光熔覆設(shè)備與工藝37/72氣孔是Ni基激光熔覆涂層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。激光熔覆層中的氣孔是由于在激光快速熔凝的條件下，熔池中的氣體來(lái)不及逸出而形成的。此外，在采用粉末預(yù)置法預(yù)置涂層材料時(shí)，粘結(jié)劑在熔覆過(guò)程中受熱分解產(chǎn)生氣體，形成氣孔。一般來(lái)說(shuō)，氣孔是難以完全避免的，但可以采用一些措施加以控制。常用的方法有：防止合金粉末儲(chǔ)運(yùn)中的氧化，在使用前要烘干去濕以及激光熔覆時(shí)要采取防氧化措施等。氣孔的產(chǎn)生及防止激光熔覆技術(shù)存在的問(wèn)題激光熔覆設(shè)備與工藝38/72由于材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進(jìn)行的，如果成形工藝控制不當(dāng)，易于在成形件中形成裂紋，成形過(guò)程中裂紋一旦產(chǎn)生，整個(gè)成形過(guò)程將被迫終止，同時(shí)已成形的金屬零件只能報(bào)廢處理。改善激光熔覆層的應(yīng)力狀態(tài)和消除裂紋的方法有以下幾種：合理選擇激光工藝方法和參數(shù)；合理設(shè)計(jì)熔覆材料的成分和組織；在基體上添加涂層提高基體對(duì)熔覆層的潤(rùn)濕性；在熔覆材料中添加合金元素提高熔覆層組織的強(qiáng)韌性；利用熔覆層應(yīng)力的作用特點(diǎn)改進(jìn)熔覆工藝。激光熔覆技術(shù)存在的問(wèn)題激光熔覆設(shè)備與工藝裂紋的產(chǎn)生、控制及防止39/72不同激光功率的單道熔覆層截面形貌：(a)1300W;(b)1600W;(c)1900W;(d)2200W單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析40/72可以看出其它工藝參數(shù)不變的條件下，掃描速度增加，熔覆層高度變化十分明顯。這是由于掃描速度的增加，粉末有效利用率降低和單位時(shí)間內(nèi)輸入基體激光能量降低造成的。熔覆層高度和寬度的減小是由于掃描速度的增加，使單位時(shí)間內(nèi)輸入基體的激光能量減少，粉末有效利用率降低造成的。不同掃描速度的單道熔覆層截面形貌(a)200mm/min;(b)250mm/min;(c)300mm/min;(d)350mm/min單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析41/72Rp過(guò)低時(shí)，更多的激光能量作用于基體，造成熔池過(guò)度變寬和變深，而進(jìn)入熔池的粉末量卻不足以完全填充；Rp的增加帶動(dòng)粉流匯聚點(diǎn)增大，輸入基體的激光能量降低，熔池寬度相對(duì)減小。不同送粉率Rp的單道熔覆層截面形貌(a)1.7g/min;(b)3.4g/min;(c)5g/min;(d)6.7g/min;(e)8.3g/min;(f)10g/min單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析42/72當(dāng)不考慮潤(rùn)濕性對(duì)熔池表面的作用時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流在熔池的右側(cè)耦合成一個(gè)宏觀的沿順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)的主循環(huán)對(duì)流回路，而在熔池左側(cè)為逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，如圖(a)所示。這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是熔池形狀呈平面狀。當(dāng)考慮潤(rùn)濕性作用時(shí)，熔池表面張力將反向，熔體流動(dòng)方向相異，如圖(b)所示，這種對(duì)流結(jié)果最終導(dǎo)致熔覆層形貌呈現(xiàn)凸起狀。不同截面形貌的熔池內(nèi)熔體的流動(dòng)特征：(a)平面;(b)凸面單道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析43/72激光熔覆層搭接示意圖不同搭接率的熔覆層形貌：(a)10%;(b)35%;(c)50%Ro等于相鄰熔覆道間的搭接寬度Do與單道熔覆層寬度W之比。當(dāng)Ro為35%時(shí)，兩熔覆道間較為平整，說(shuō)明此時(shí)搭接區(qū)域的粉末可以較好的填充兩熔覆道間隙。多道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析44/72搭接率Ro對(duì)熔覆層截面形貌影響示意圖：(a)Ro偏小;(b)Ro較好;(c)Ro偏大從圖(a)可以看出Ro偏小相鄰熔覆道之間會(huì)出現(xiàn)明顯的凹陷區(qū)，但兩個(gè)熔覆道高度是一致的。從圖(c)可以看出Ro偏大會(huì)出現(xiàn)搭接區(qū)的凸出，且兩熔覆道高度不同。如在偏大和偏小的Ro下繼續(xù)熔覆成形，會(huì)將缺陷遺傳造成缺陷的進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致成形的失敗。從圖(b)可以看出當(dāng)Ro選擇合適時(shí)，會(huì)有較好的熔覆效果。多道單層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析45/72單道多層照片：(a)不同ΔZ熔覆層;（b）階梯熔覆層宏觀形貌圖(a)為P=2200W，V=300mm/min，Rp=5g/min和Rg=200l/h時(shí)，不同ΔZ的11層梯形沉積結(jié)構(gòu)表面形貌。從圖(b)可以看到沉積材料高度呈梯度上升，最終實(shí)現(xiàn)11層成形。單道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析46/72層薄壁樣：(a)主視圖;(b)左視圖圖為選取ΔZ小于第一層高度條件下制備的88層薄壁材料。可以清晰看到薄壁件的側(cè)壁與基體有很好的垂直度。經(jīng)對(duì)試件觀察沒(méi)有裂紋等嚴(yán)重缺陷存在，但可以看到側(cè)壁存在有規(guī)律的凹陷，這是由于實(shí)驗(yàn)中采取每隔11層重新確定粉嘴與基體層的距離而留下的不連貫的痕跡。每11層內(nèi)的層間沒(méi)有明顯的凹陷，表現(xiàn)出良好的連續(xù)成形性。單道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析47/72上下相鄰層不同疊加方式的成形體表面形貌：(a)垂直疊加;(b)平行疊加可以看出上下相鄰層垂直疊加方式，表面更加平整一些，這是由于當(dāng)掃描方向垂直時(shí)，搭接處的凹凸缺陷可在下一層熔覆時(shí)得到彌補(bǔ)而不會(huì)遺傳。而掃描方向平行時(shí)，搭接處的缺陷會(huì)遺傳給下一層，缺陷不斷累積，最終表面變得凹凸不平，質(zhì)量較差。因此，在制備形成體時(shí)，應(yīng)盡量選擇垂直的疊加方式。多道多層激光熔覆激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析48/72Fe104熔覆層的金相圖：(a)整體組織;(b)結(jié)合區(qū);(c)中部區(qū)域;(d)頂部區(qū)域熔覆層的上部除了出現(xiàn)部分沿著冷卻方向的帶狀柱狀晶外，更多出現(xiàn)的是組織細(xì)小的等軸胞狀晶，為熔覆層奠定了優(yōu)異的力學(xué)性能。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層OM微觀結(jié)構(gòu)49/72Fe104熔覆層的截面SEM圖像:(a)結(jié)合處;(b)中部;(c)上部;(d)中部區(qū)域放大圖像在激光熔覆的液相凝固過(guò)程中枝晶基體會(huì)首先形核析出，逐漸長(zhǎng)大形成樹(shù)枝晶、柱狀晶等，然后晶間的合金溶液冷卻凝固從而發(fā)生共晶反應(yīng)最終形成了密集的晶間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以熔覆層內(nèi)微觀組織主要為枝晶基體和枝晶間網(wǎng)狀共晶結(jié)構(gòu)。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層SEM微觀結(jié)構(gòu)50/72由于Fe104合金粉末中的Si、B等元素主要用于激光熔覆液相凝固過(guò)程中的造渣功能，因此Si在熔覆層內(nèi)的含量較少，且B元素在中部熔覆層內(nèi)也并沒(méi)有被明顯檢測(cè)到。然而Fe元素在熔覆層內(nèi)的分布均勻且廣泛，沒(méi)有明顯的偏析，并在枝晶基體內(nèi)含量稍多，而Cr、Ni等合金元素雖然在枝晶基體和晶間共晶結(jié)構(gòu)內(nèi)也廣泛分布，但在晶間的分布更加密集。與表中枝晶基體內(nèi)的Cr、Ni的元素含量均小于晶間組織的結(jié)果相符合。Fe104熔覆層橫截面EDS點(diǎn)分析激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層元素分布51/72Fe104熔覆層的TEM圖像(a)枝晶基體和碳化物;(b)圖a的放大圖像;(c)圖b的放大圖像Fe104熔覆層內(nèi)可以清晰的看到枝晶基體和黑色的合金碳化物。在(b)-(c)中，熔覆層內(nèi)的枝晶晶界清晰可見(jiàn)，碳化物的內(nèi)部可以分辨出不同形態(tài)的合金元素的物相，晶粒的排列齊整，呈纖維狀。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層TEM微觀結(jié)構(gòu)52/72H13基體和Fe104熔覆層的摩擦系數(shù)H13模具鋼基體和Fe104熔覆層在摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)的平均摩擦系數(shù)分別為0.351和0.329。H13鋼基體的在磨損時(shí)只需經(jīng)過(guò)10min就能趨于穩(wěn)定，然而Fe104熔覆層在40min時(shí)才將平均摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.340左右。說(shuō)明Fe104熔覆層耐磨性能優(yōu)于基體。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層摩擦磨損性能53/72H13基體和Fe104熔覆層表面磨損形貌SEM圖：(a)-(b)基體;(c)-(d)Fe104熔覆層圖(a)中，基體的表面形貌表現(xiàn)出較深較寬且劇烈的塑性變形，出現(xiàn)了魚(yú)鱗狀的撕裂形貌，同時(shí)伴隨著如圖(b)所示的剝落坑和磨屑。圖(c)中，F(xiàn)e104熔覆層的磨損表面展現(xiàn)出比較規(guī)則且粗細(xì)深淺一致的犁溝狀磨痕。如圖(d)所示，F(xiàn)e104熔覆層表面的只有局部的坑狀剝落，且其深度和尺寸比圖(b)中的更小，整體磨損更加輕微。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鐵基涂層摩擦磨損性能54/72Ni25熔覆層的金相圖像：(a)橫截面全貌;(b)、(c)、(d)為B、C、D在(a)中的放大圖像從(b)中可以看出，Ni25熔覆層的近表面出現(xiàn)了大量的柱狀枝晶，這些結(jié)構(gòu)的平均尺寸為12~18μm，相鄰結(jié)構(gòu)的間距約為5~10μm。如(a)所示，這些柱狀樹(shù)突與胞狀樹(shù)突耦合排列在表層，深度約為0.2μm。在Ni25熔覆層的中間區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)針狀柱狀枝晶，長(zhǎng)度在200~300μm，這與典型的快速凝固特征一致。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層OM微觀結(jié)構(gòu)55/72Ni25熔覆層的截面SEM圖像：(a)上部;(b)中部;(c)中部區(qū)域放大圖像頂部區(qū)域主要是胞狀晶以及柱狀晶組成，而中部區(qū)域與頂部區(qū)域沒(méi)有明顯的區(qū)別。在圖(c)中可以觀察到，枝晶結(jié)構(gòu)和晶間結(jié)構(gòu)共同組成了Ni25熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)。其中，較為平滑的枝晶結(jié)構(gòu)作為基體，大多數(shù)碳化物以及硅化物存在于晶間結(jié)構(gòu)中，作為增強(qiáng)相來(lái)強(qiáng)化整體性能。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層SEM微觀結(jié)構(gòu)56/72Ni25熔覆層枝晶與晶間的EDS點(diǎn)分析：(a)橫截面的SEM圖像;(b)點(diǎn)a;(c)點(diǎn)b由圖(b)-(c)可以看出，在枝晶與晶間區(qū)域的都發(fā)現(xiàn)了含量較高的Ni元素，而在枝晶區(qū)域Si元素以及Fe元素的含量較高，說(shuō)明枝晶區(qū)域的碳化物以及硅化物的含量較多。總體來(lái)說(shuō)，由于Ni元素的導(dǎo)熱系數(shù)較高，枝晶與晶間在凝固過(guò)程中的元素偏析情況并沒(méi)有很明顯，這也縮小了枝晶與晶間區(qū)域由于元素含量差異而造成的組織和性能差異。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層元素分布57/72Ni25熔覆層的TEM圖像：(a)枝晶基體和碳化物;(b)圖a的放大圖像從圖中我們可以看出，在大塊的白色組織為γ-Ni基體，周圍發(fā)現(xiàn)了大量黑色且狹長(zhǎng)的碳化物結(jié)構(gòu)。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層TEM微觀結(jié)構(gòu)58/72H13鋼基體與Ni25熔覆層的摩擦系數(shù)H13模具鋼基體和Ni25熔覆層在摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)的平均摩擦系數(shù)分別為0.351和0.325。由于Ni25熔覆層的微觀組織主要由奧氏體組成，在摩擦磨損的過(guò)程會(huì)提供一定程度的潤(rùn)滑作用，來(lái)減少磨環(huán)對(duì)熔覆層表面的破壞程度。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層摩擦磨損性能59/72H13基體和Ni25熔覆層的表面磨損形貌SEM圖：(a)H13鋼基體;(b)Ni25熔覆層在(a)中可以觀察到明顯的塑性變形和大量的疲勞剝落，顯示出嚴(yán)重的粘接磨損和撕裂。而Ni25熔覆層磨損表面仍以大規(guī)模的剝落和分層為主，由此可見(jiàn)，Ni25熔覆層并沒(méi)有從根本上改變?cè)瓉?lái)的磨損類型。由于Ni25中含有大量的Ni元素，導(dǎo)致最終形成以?shī)W氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，較低的硬度及強(qiáng)度在摩擦磨損的過(guò)程中抵抗磨環(huán)的壓應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生粘結(jié)和變形，最終導(dǎo)致了大面積的疲勞剝落。激光熔覆層的形狀及質(zhì)量分析激光熔覆鎳基涂層摩擦磨損性能60/72雖然激光熔覆技術(shù)發(fā)展較快，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，但是激光熔覆技術(shù)真正大范圍的應(yīng)用于生產(chǎn)尚有許多問(wèn)題有待深入系統(tǒng)的研究：一是熔覆涂層的耐磨損、耐腐蝕性，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔覆層耐磨性研究的比較深入，但有關(guān)激光熔覆層耐蝕性的研究報(bào)道較少，也不夠系統(tǒng)和深入；二是激光熔覆的開(kāi)裂問(wèn)題，減少和解決開(kāi)裂和熔覆層孔洞等問(wèn)題有待深入研究。激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)61/72激光熔覆主要的發(fā)展趨勢(shì)如下：設(shè)計(jì)使用梯度功能涂層材料，先預(yù)置過(guò)渡層或韌性、塑性相，在激光加工前后進(jìn)行預(yù)熱與后熱處理；結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算建立熔池的溫度場(chǎng)分布模型，研究熔池內(nèi)流體的對(duì)流機(jī)制，模擬激光熔覆層的應(yīng)力分布規(guī)律，以及凝固時(shí)熔覆層內(nèi)組織變化的規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)熔覆工藝參數(shù)；設(shè)計(jì)出適合于激光熔覆的專用材料，根據(jù)熔覆層的性能要求定性與定量地設(shè)計(jì)出合金的成分，并根據(jù)不同的使用工況設(shè)計(jì)不同形狀的涂層材料；激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)62/72通過(guò)激光熔覆與其他表面改性技術(shù)結(jié)合，制定新的工藝、方法，擴(kuò)大激光表面處理技術(shù)的應(yīng)用范圍；進(jìn)一步改進(jìn)激光熔覆配套設(shè)備中的送粉器控制系統(tǒng)，提高其精確度，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、人性化等；致力于大功率、小型化激光器的研制與開(kāi)發(fā)，完善大面積激光熔覆層制工藝，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)與加工。激光熔覆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)63/72軸修復(fù)前狀態(tài)激光熔覆過(guò)程激光熔覆技術(shù)修復(fù)軸激光熔覆技術(shù)的典型案例64/72預(yù)處理工序：包括工件表面除油、除銹→噴砂清理（進(jìn)一步清理）→熔覆前處理（將需要激光熔覆的區(qū)域清洗干凈，將存在明顯缺陷的區(qū)域整平）

。質(zhì)量檢驗(yàn)工序：采用磁粉探傷、X射線探傷、熒光探傷或者顯示劑探傷