激光熔覆技术毕业设计(论文)

1. 引言

1.1 本课题的研究背景及意义

激光熔覆技术（Laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法[1]。按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视[2]。特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。

图1.1 激光熔覆原理示意图

1.2 本课题国内外研究现状

激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。目前，激光器主要有3种：CO2激光器、YAG 固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10KW的CO2气体激光器，另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面改性的多为CO2大功率激光器。近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000W大功率CO2气体激光器、100-500W固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授[3]；2.激光熔覆制备耐磨涂层[4]；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响[5]；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响[6]；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[7]；7.Mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能[8]；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[9]；3.激光熔覆恢复零件和工具性能[10]；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余

应力分布[11]，如图3；5.激光熔覆涂层电化学性质[12]；6.Mg合金表面激光熔覆显微组织性能[13]。北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具,如密歇根大学；(2)激光熔覆TiB2制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金,如田纳西大学。亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1)激光熔覆应用于增强零件机械性能,如日本丰田、尼桑汽车公司和三菱公司等；(2)激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层，如新加坡南洋理工大学等；(3)激光熔覆过程显微裂纹和残余应力,如日本名古屋大学Guojian Xu,Munaharu Kutsuna等,通过化学成分不变(CCCMLC)和化学成分成梯度分布(FGMMLC)多层熔覆层不同的方法,在碳钢JIS-SM400B表面熔覆钨铬钴合金和WC合金熔覆层,指出显微裂纹产生的敏感性FG-MMLC低于

图1.2 熔化区与凝固区的形状模型

图1.3 残余应力分布曲线

CCCMLC[14]。然而，无论是国内还是国外,对激光熔覆的研究只是限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料的熔覆,而后对激光熔覆层显微结

构、组织、显微硬度、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究,指出这些性能均得到了提高;有些学者在激光熔覆加工过程中对某种材料所采用不同的工艺参数(如激光扫描速度不同、激光功率不同等参数)条件下进行激光熔覆加工,而后对熔覆层进行比较,指出这种材料的最佳激光熔覆工艺参数。且激光熔覆加工过程工艺参数的确定每次均是通过几次实验来确定,而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性)的条件下,对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少。伴随着计算机技术的不断发展和进步，激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进[15]。

1.3 本课题要研究或解决的问题及采用的研究手段

要解决问题

钛合金由于具有密度低、比强度高、抗蚀性优异、高温机械性能好等突出优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但是钛合金存在摩擦系数高，耐磨性差等缺点，严重限制了钛合金作为摩擦磨损副零部件的应用。因此，采用先进的表面改性技术直接在钛合金表面制备耐磨涂层是解决上述问题的有效办法。TiC是一种低密度、高熔点、高弹性模量的陶瓷材料。由于其具有较低的反应生成自由能，因而是一种很有潜力的以抗磨料磨损为目标的颗粒增强金属基复合材料的硬质相。本文要解决的问题是如何通过合理控制熔覆过程中的各项工艺参数（如激光功率、光斑直径、扫描速度、作用时间、搭接率等）在钛合金表面涂覆TiC，以形成耐磨涂层，达到较好的熔敷效果并控制裂纹的产生。

采用方法

1.选用BT9钛合金作为试样，试样尺寸为18mm×18mm×33mm.用平均直径140μm的TiC丝材在氩气保护的氛围下进行同步送丝熔覆，控制每次只有一个参数发生变化。

2.在MM-200型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸10mm×10mm×10mm.用精度为0.1mg的Sartorius BS 110s型电子天平称量试样及标样的质量磨损。