激光熔覆实验报告

激光熔覆实验报告
1.实验目的
1)熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法；
2)了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴；
3)用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良好的熔
覆层；
4)测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。

2．实验原理
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。

其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。

工艺设备原理
熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。

同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。

熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。

预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。

按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

3．实验设备
YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。

4．实验步骤
1)预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用；
2)在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置；在送粉
器中加入适量的NiCrSiB合金粉末；
3)将试样平放在工作太平面上；
4)启动数控机床，移动激光工作头至试样上面，调节Z轴高度使喷嘴离试样距离约为
1.5mm；
5)启动激光器；
6)改变激光功率1000-2000W，改变扫描速度2-7mm/s，改变送粉速度6-13g/s，进行
送粉激光熔覆实验，得到不同结果的激光熔覆层；观察实验过程中的实验现象；
7)关闭激光器，关闭水冷机组，关闭数控机床；清理送粉器中的残留粉末；关闭送粉
器电源；
8)待试样冷却后用游标卡尺测量各种熔覆层的高度和宽度，观察记录熔覆层的外观形
貌；
9)观察描画相近工艺参数处理的试样快熔覆层的显微组织。

5．实验数据处理及分析
1)激光功率对熔敷层外貌的影响
确定送粉速率为8，扫描速率为5mm/s，激光功率在1000W-2000W之间变化，测量熔覆层的宽度和高度，实验结果见表1。

表1 激光功率对熔覆层外貌的影响
对实验结果进行处理，可得激光功率与熔覆层高度的关系如图1。

图1. 激光功率与熔覆层高度的关系
激光功率与熔覆层宽度的关系如图2。

图2.激光功率与熔覆层高度的关系
由以上两图可以看出：在扫描速度为5mm/s，送粉量为8时，随着激光功率的增加，熔覆层的宽度和高度都呈现总体增加的趋势并伴随有小幅震荡，其中在功率为1300W左右达到最小值，而在此之后熔覆层高度和厚度都随激光功率的增加而增加，1800-2000W时熔覆层高度和宽度都较大，熔覆层更加饱满，但看曲线趋势发现，高度随功率变化曲线在后期有变缓趋势，猜测可能因功率增加，基体材料熔化，与熔覆材料混合，导致熔覆层高度上升趋势变缓，甚至导致高度随功率降低。

2)送粉量对熔覆层外观形貌的影响
确定激光功率为1400W，扫描速率为5mm/s，送粉速率在9-13之间变化，测量熔覆层的宽度和高度，实验结果见表2。

表2 送粉量对熔覆层外貌的影响
对实验结果进行处理，可得送粉量与熔覆层高度的关系如图3。

图3.送粉量与熔覆层高度的关系
送粉量与熔覆层宽度的关系如图4。

图4.送粉量与熔覆层宽度的关系
由图中我们可以看出，在激光功率保持1400W的条件下，熔覆层的高度随送粉速率先逐渐增加，在送粉速率为11g/s左右时达到最大值，之后送粉速率增加，熔覆层高度减小之后再增加。

在送粉速率与熔覆层宽度的关系中也有类似的现象。

这是因为在送粉速率较小时，送入的粉料可以大部分熔覆道基体表面，这时送粉量没有达到“饱和”，当送粉速率继续增大时，超过饱和点后，熔覆层反而会随送粉速率的增大和减小，这时超过“饱和量”的粉末会附着在基体表面，阻碍能量的传递，导致熔覆层变小。

3)扫描速率对熔覆层外观形貌的影响
确定激光功率为1400W，送粉速率为8，扫描速度在1.3-6mm/s之间变化，测量熔覆层的宽度和高度，实验结果见表3
表3 扫描速度对熔覆层外貌的影响
对实验结果进行处理，可得扫描速率与熔覆层高度的关系如图5。

图5. 扫描速率与熔覆层高度的关系
扫描速率与熔覆层宽度的关系如图6。

图6. 扫描速率与熔覆层宽度的关系
由以上两图可以看出：在激光功率为1400W，送粉量为9时，随着扫描速度的增加，熔覆层的宽度和高度都呈现减小的变化趋势。

因为扫描速度越大，熔覆材料接受激光功率密度越小，热量传递越少，即基体和粉末得到的能量减小，这会使得基体熔化量变小，熔覆效果变差。

因此实际加工过程中应根据需要采取尽量小的扫描速度。

6．显微组织
1)试样的相关参数
试块编号：TL
熔覆粉末成分：FeCSiB+Ti+Zr+WC
激光功率:P=1500W
扫描速度:v=2.5mm/s
光斑直径:D=3mm
腐蚀剂:HF:HNO3:H2O=1:5:10
放大倍数: ×400
2)分析
熔覆层的显微组织图见下图，由图中我们可以看出显微组织中有发达的γ-Ni枝晶，细小的γ’-Ni在γ-Ni间均匀分布，一些硬质颗粒均匀弥散分布在γ-Ni之间，颗粒的形状、大小比较统一，呈花瓣状或多边形，且花瓣比较发达，有的比较接近圆形。

仔细研究颗粒的形态可以发现，很多的颗粒看似枝斑状颗粒，但花瓣却存在缝隙。

这些颗粒实际上是由几个小颗粒最先形核长大，由于很多小颗粒在共晶形成时距离较近，颗粒在长大的过程中粘联在一起，形成类似多瓣状的颗粒。

真正的多瓣状颗粒可能是首先形核，然后支瓣朝着各个方向生长，形成多瓣状颗粒，一般这样的颗粒中部较为充实，支瓣间没有缝隙的存在。

3)显微组织
7．思考题
通过实验，对激光熔覆有何进一步的认识？
从实验中，我近距离观察到了激光熔覆的一整个过程。

相较于一些其他的材料表面改性技术，例如气相沉积、高频淬火、渗碳渗氮等等，激光熔覆对于基体的热传导低，基体变形也极小，也难怪激光熔覆如今正在被逐渐应用于各类精密零件的加工以及复杂形状的零件直接制造上。

激光熔覆不同于我们之前学习的各类金属热处理，它涉及远离平衡态的复杂物理过程，这一点我们在观察金相组织时有了更深刻的体会。

但是，如此高温快冷的过程会不会伴随明显的应力集中或者开裂，试验后查阅文献也发现熔覆层裂纹敏感性的确存在，该问题也是一个研究重点。

实验过程中我还注意到一点，由于实验时是侧向送粉进行激光熔覆，我猜测熔覆层是否会因为送粉方向的不同而有不同的表面性质。

试验后我观察试件，发现的确靠近送粉方向的表面粗糙度较低。

查阅文献后发现，激光熔覆的确存在表面粗糙度上的不足，尤其是通过激光熔覆直接制造金属时就显得尤其明显，可能还需要后续的切削加工。

但是也正如老师提到的，尽管激光熔覆近年来已经成为国内外材料表面工程研究领域的热点，但是目前并没有批量化、成规模化的工业应用，更多的是样件试做或者局限于实验室。

除了相较于传统塑性成形材料塑性存在不足之外，造价是一个主要的限制因素。

我认为，随着大功率激光器件价格的下降，未来，该技术可能会逐步走入各个企业，最终实现工业化。