单元设计--激光熔覆成型(LCF)技术工艺参数(精)
激光熔覆成形技术及其在汽车工业中的应用
激光熔覆成形技术的研究进展1基本概念激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。
该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。
激光熔覆成形系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台四部分组成，其原理如图1 所示。
由于该技术可以直接制造全密度金属零件，从20 世纪90 年代中期开始，就成为快速成形领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。
激光熔覆成形技术在产生后的短短几年内获得了飞速发展，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)、直接光制造技术(Directed light fabrication, DLF)、直接金属沉积(Direct metal deposition, DMD)、堆积成形制造(Shape deposition manufacturing, SDM)，激光固结(Laser consolidation, LC)，激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM)，以及粉末预置方式的选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)和金属直接激光烧结(Direct laser sintering of metals ,DSM)等，这些技术的原理和加工方法基本相同，将它们统称为激光熔覆成形技术。
图1 激光熔覆成形原理示意图2激光熔覆成形的特点和研究进展和传统的材料成形方法相比，激光熔覆成形技术具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，柔性化程度高，可实现梯度功能材料的制造、制造周期短、可实现无模近终成形等独特优点，在材料利用率、研制周期和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术，是一种优质、节材、低成本、无污染的先进制造技术。
激光熔覆技术的工艺过程及应用
激光熔覆技术的工艺过程及应用林何;丁旭;游明琳;肖路【摘要】激光熔覆技术是一种材料表面改性处理的新技术,具有广阔的应用前景.本文首先介绍了激光熔覆层的成形状况,对熔池成分的均匀化机理进行了分析,针对熔覆层容易产生裂纹的缺陷,从技术层面提出了解决和缓解的办法.阐述了激光熔覆工艺过程中合金粉末和保护气体的选择原则、合金粉末的供给方式、激光工艺参数的预定以及合金粉末和激光工艺参数的优化流程.简述了激光熔覆技术在零件表面修复、汽车、航空航天和生物医学等领域的应用状况,最后指出激光熔覆技术在今后进一步的研究重点.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2011(051)002【总页数】4页(P22-24,50)【关键词】激光熔覆;优化;熔覆层;修复;生物医学【作者】林何;丁旭;游明琳;肖路【作者单位】贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003;贵州师范大学,贵州贵阳550014;贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN241 引言激光熔覆技术是20世纪80年代以后发展起来的一种材料表面改性技术,是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金在基体表面快速熔化,形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程[1]。
与其它表面强化方法相比,激光熔覆技术具有能量密度高、热变形与热影响区小、可以使强化层与基体之间呈冶金结合以及激光加工位置可以精确定位和控制等优点,因此,正成为机械、汽车、航空航天和生物医学等领域的新兴技术,具有广阔的应用前景。
2 激光熔覆层的成形机理2.1 激光束对材料表面的作用激光熔覆层的成形状况与激光束的功率密度是密切相关的。
当功率密度过低时,材料表面被加热并向深处传导(a),激光功率密度增大时表面将熔化(b),功率密度进一步增大,材料表面瞬时汽化(c),功率密度更高时,表面附近的金属蒸汽及气体变为等离子体,形成等离子云对激光起屏蔽作用,反而不利于激光熔覆(d),如图1所示。
激光熔覆技术2024
激光熔覆技术2024
激光熔覆技术2024
标题：激光熔覆技术
摘要：
第一部分：引言
激光熔覆技术是一种原始材料为粉末材料的表面改性技术，通过激光束的熔化与熔覆相结合，可在零件的表面形成一层厚度可达数百微米的新材料。
该技术结合了激光的高能量、高浓度和高速度特点，具有熔覆层致密、结合强度高、组织细小等优点。
本文通过对激光熔覆技术的研究，旨在全面了解该技术的原理、工艺流程、应用领域以及未来的发展方向。
第二部分：激光熔覆技术的基本原理
2.1激光熔覆的工作原理
2.2激光与材料的相互作用机制
第三部分：激光熔覆的工艺流程
3.1材料的选择与预处理
3.2加工参数的确定
3.3激光熔覆的过程控制
第四部分：激光熔覆技术的应用领域
4.1制造业领域
4.2能源行业
4.3石油化工行业
第五部分：未来发展方向
5.1激光熔覆技术与其他表面改性技术的结合
5.2激光熔覆工艺的自动化与智能化
5.3新材料在激光熔覆中的应用研究
结论：
激光熔覆技术以其独特的处理优势和广泛的应用领域，受到越来越广
泛的关注和应用。
本文系统地介绍了激光熔覆技术的基本原理、工艺流程、应用领域以及未来发展方向。
相信通过进一步的研究与实践，激光熔覆技
术将会不断发展，并在更多的领域得到应用。
[1]李XX.激光熔覆技术在制造业中的应用[J].制造技术与工程，
2023(1)：63-68
[2]张XX,王XX.激光熔覆技术在能源行业的应用探讨[J].能源技术交流，2023(3)：45-50。
激光熔覆
激光熔覆技术的优点
氧-乙炔火焰熔覆 感应熔覆 氩弧熔覆 等离子弧熔覆 激光熔覆 以上5种熔覆的方法，激光熔覆技术最为突出，也是研究最多的。其优点为： （1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平
激光熔覆技术的工艺
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。
衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。 （2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通
过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释 度可控； （3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的 装配公差内。 （4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金； （5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm， （6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； （7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷； （8）工艺过程易于实现自动化。
激光熔覆技术
固体激光实验室 2011年9月11日
激光熔覆技术的定义
激光熔覆技术
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。
激光熔覆中工艺参数对形成层几何特征及硬度影响分析
激光熔覆中工艺参数对形成层几何特征及硬度影响分析沈毅鸿;张元良;李涛;王金龙【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2017(057)003【摘要】激光熔覆技术的实质是合金粉末快速熔化和凝固的过程,其形成层的形状和性能与工艺参数密切相关.为了了解工艺参数对激光熔覆形成层几何特征及硬度的影响规律,根据正交试验设计方法设计研究了工艺参数(激光功率、扫描速率、送粉速率)对单道单层熔覆层几何特征(熔覆层高度、宽度与熔池深度)与硬度影响的试验,根据试验结果归纳了工艺参数对单道单层熔覆层几何特征与硬度的影响规律,解释了造成这些影响的原因,试验表明激光功率是影响熔覆层几何特征的最显著因素.此外,使用了一个激光熔覆层的几何特征数学模型对照验证了试验结果.%Laser cladding is the process that alloy powders get melted and solidified rapidly.The shape and properties of forming layer are closely related to process parameters.To study the effect rules of laser cladding process parameters on forming layer's geometric characteristics and hardness, an orthogonal experiment is designed to explore the influence of laser power,scanning speed and powder feed rate on single-line single-level cladding layer's geometric characteristics,including the height and width of the cladding layer,the depth of the melting pool and the hardness.The effect patterns of those process parameters on single-line single-level cladding layer' s geometric characteristics and hardness are concluded and their underlying reasons are explained.The experiment results show thatlaser power is the parameter with the most significant effect on the cladding layer's geometric characteristics.A mathematical model of laser cladding layer's geometric characteristics is used to validate the results of the experiments.【总页数】5页(P247-251)【作者】沈毅鸿;张元良;李涛;王金龙【作者单位】大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.熔覆材料对高速钢刀具激光熔覆断屑台裂纹及硬度的影响 [J], WU Maochao;YU Aibing;WEI Jinlong;CHEN Qiujie;SUN Lei;YUAN Jiandong2.超高速激光熔覆工艺参数对熔覆层组织和性能的影响 [J], 郑红彬;王淼辉;葛学元;王欣3.激光熔覆工艺参数对Ni60A熔覆层组织及性能的影响 [J], 王永东;张宇鹏;张宁;王磊;宫书林;汤明日4.激光熔覆工艺参数对Ni60A熔覆层组织及性能的影响 [J], 王永东;张宇鹏;张宁;王磊;宫书林;汤明日5.多层熔覆对激光熔覆层微观组织和硬度的影响 [J], 李胜;曾晓雁;胡乾午因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光熔覆成形技术的研究进展_宋建丽
0 前言*
激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技
* 国家自然科学基金(50675136，50375096)、山西省青年学术带头人启 动基金(2007)、山西省留学回国人员基金(200972)山西省自然科学基金 (2007011058)、太原科技大学博士启动基金(2007)资助项目。20090903 收到初稿，20100201 收到修改稿
Research Progress of Laser Cladding Forming Technology
SONG Jianli1 LI Yongtang1 DENG Qilin2 HU Dejin2
(1. School of Materials Science & Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024; 2. Schoolof Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)
激光熔覆成形过程可实现零件的无模近终成 形，成形过程不产生废水、废气，无边角料和未熔 的金属粉末可以回收再利用，相对于传统的切削加 工而言，大大减少了材料的浪费，产品研制周期短， 柔性化程度高，尤其适合单件小批量复杂形状的快 速制造[17]。特别是采用自动送粉加工时，通过精确 控制不同料斗的送粉速率，可在零件任意部位获得 所 需 成 分 和 性 能 ， 进 行 梯 度 功 能 材 料 (Functional gradient materials, FGM)制造，而使不同部位具有不 同的耐磨、耐蚀、抗疲劳等性能，这是传统的铸造 和锻造技术所无法实现的[ 5,12,16]。图 3 所示为 Sandia 国家实验室及加拿大国家研究委员会集成制造技 术研究所用激光熔覆成形技术制造的复杂和梯度 零件[6]。
激光熔覆_图文讲解
一、激光熔覆的原理激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。
能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。
可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。
通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料（AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。
在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，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，节约昂贵的覆层材料。
（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。
激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材料。
二、激光熔覆工艺方法激光熔覆工艺方法有两种类型：1、二步法（预置法）该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。
预置熔覆材料的方式包括：（1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。
激光熔覆
熔覆材料
镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。镍基材料价格便宜，应用最多
熔覆工艺
预置式激光熔覆 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。 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。
3KW
半导体激光 设备 3KW
平均插座效率
激光器需消耗的电 能
电的成本（按照 0.81元/千瓦时)
10% 50KW 40.5/小时
10% 30KW 24.3/小时
30% 10KW 8.1/小时
选取激光器需考量的因素
激光物标的效果，主要取决于物质对激光的吸收程度 比例
激光与材料的相互作用，主要 取决于物质对激光的吸收程度
激光及激光加工简介 激光熔覆技术及设备 激光熔覆技术的应用
激光 钻孔
激光 焊接
激光 打标 激光 加工
钻孔 2%
切割 44%
其他 16%
焊接 打标 18% 20%
激光 切割 其他
激光熔覆 激光淬火 激光修复 …………
L Light
光的缩写
A Amplification by 放大的缩写
S Simulated
固态激光器的应用
直接输出的半导体激光器输出光束呈矩形，光斑面积比较 大，适宜做激光热处理和激光熔覆 光纤耦合的半导体激光器，由于波长比较短，对一些特殊材 料加工特别有利，例如铝的焊接
各种固体激光器消耗成本比较
大约运行成本 激光功率
CO2气体激 光设备 5KW
LD 泵浦的Nd： YAG激光设备
激光是一种特殊的具有高能量密度的光源
激光熔覆 pdf
激光熔覆激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。
目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。
为推动激光熔覆技术的产业化，激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。
目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。
为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。
国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。
但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。
分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。
因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。
下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。
激光熔覆的优势激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。
激光熔覆图文讲解
激光熔覆-图文讲解————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:一、激光熔覆的原理激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料, 以弥补基体所缺少的高性能。
能充分发挥二者的优势, 克服彼此的不足。
可以根据工件的工况要求，熔覆各种 (设计) 成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。
通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料(AI 、Cu 、Nｉ等) 和非金属材料的表面得到强化。
在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多, 在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比, 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，节约昂贵的覆层材料。
(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。
ﻫﻫ激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题,尤其是大工件的熔覆层, 裂缝几乎难以避免, 为此，研究者们除了改进设备, 探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材料。
二、激光熔覆工艺方法激光熔覆工艺方法有两种类型：ﻫﻫ１、二步法（预置法）该法是在激光熔覆处理前, 先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。
激光熔覆的工艺参数
激光熔覆的工艺参数包括：
1.激光功率P：表示单位时间内激光器输出的能量，单位是W。
高速激光熔覆一般采用KW级激光器。
2.光斑形状：分为圆形和矩形两种，影响着熔覆效果和成形质量。
用户应根据加工对象的特点选择使用。
3.光斑大小：是指光束被扫描到基板表面的面积，主要影响光功率密度，即单位面积的光能。
相同功率条件下，光斑尺寸越小，光功率密度越大。
4.加工距离：也叫搭接率，是指激光熔覆时，激光束从熔池中吸收热量所需的距离。
实际加工中，光斑距离一般控制在3-5 mm范围内，可获得
良好的熔覆层质量。
5.扫描速度V：表示激光扫描的速度，单位是mm/s。
6.光斑直径D和铺粉层厚H：影响着熔覆层的质量和性能。
在某一具体的工艺中，激光能量密度可以通过公式E=P/DVH计算得出，单位为J/mm³。
在实际应用中，需要根据具体的熔覆材料和基材、熔覆层厚度、熔覆效果等因素来选择合适的工艺参数。
请注意，以上参数仅供参考，具体参数需要根据实际情况进行调整和优化。
激光熔覆-精品资料PPT
Wear mass loss (mg) 3.2 10.2 33.5
Mass loss of counterpart (mg) 37.3 99.9 71.1
• 微动磨损：
P
Stroke
Coating Substrate
Load (N) 20
Frequency (Hz) Stroke (μm) Tempeature (℃) Time (min)
X射线衍射仪(XRD)：定性分析涂层相组成
Coating
Composite I
耐磨：滑动磨损、微动磨损、滚动磨损
Load (N) Velocity(mm/s) Tempeature (℃) Time (min)
49/98
150/300
25/400
60
磨损失重、摩擦系数
Specimens Composite I Composite II W18Cr4V
10
600
25/400
20
3.2 耐蚀性能 • 电化学：阳极极化曲线、交流阻抗谱 • 浸泡：
Corrosion Solution
Sample s
3.3 抗氧化性能
谢谢！
(a)
元素
CK Ti K 总量
重量 百分比 17.94 82.06 100.00
原子 百分比
46.57 53.43
(b)
元素 重量
原子
百分比 百分比
C K 12.29
33.20
Al K 14.02
16.87
Ti K 总量
73.69 100.00
49.93
• 3.性能测试
• 力学：显微硬度、结合强度、断裂韧性 • 耐磨：滑动磨损、微动磨损、滚动磨损 • 耐蚀：电化学、浸泡、盐雾 • 抗氧化：重量法、容量法、压力法、电阻法
18.DLF-激光熔覆材料(精)
课程：激光3D打印技术 主讲教师：张健
教学目标
初步了解激光熔覆的材料体系
LC成形材料
一.LC技术处理的基体材料 ：
不锈钢 模具钢 工具钢 铝合金 铜合金 铸铁
钛合金
LC成形材料
二.激光熔覆（涂层）材料按状态分类：
1.粉末状 2.丝状
3.棒状 4.薄板状
作业布置
一. 用于激光熔覆（涂层）的材料按成分分类主要有哪
几种？
二. 激光熔覆（涂层）材料中三大金属基合金粉末的 、 特点及适用场合是什么？
粉末状材料应用最广泛
LC成形材料
三. 熔覆粉末材料按成分分类：
金属粉末：铁基、镍基、钴基
陶瓷粉末：碳化物 三氧化二铝 复合粉末：金属粉末与陶瓷粉末混合
三大金属基合金粉末应用最广泛、最普遍
金属粉末
1.铁基合金粉末：
价格低廉、耐磨性好； 适用于要求局部耐磨且容易变形的零件。
1.铁基合金粉末
金属粉末
2.镍基合金粉末：
适用于局部要求耐磨、耐腐蚀及抗热疲劳的零件。
2.镍基合金粉末
价格适中，良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑性；
金属粉末
3. 钴基合金粉末：
价格昂贵，高硬度，较好的高温性能； 适用于要求高硬度,高温耐磨性、高温耐蚀及抗 热疲劳
铁基合金粉末 镍基合金粉末 钴基合金粉末
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浙江工贸职业技术学院
单元教学设计
2016 —2017 学年第二学期
课程名称：3D打印工艺实践
授课班级：
任课教师：金露凡
所在院（系）：材料工程系
单元教学设计基本框架
第一部分：组织教学和阐述本部分知识的总体概况（时间：2分钟）
1、回顾激光熔覆成型（LCF）技术的基本原理、过程
2、总述本次课学习
激光熔覆工艺对于熔覆成型的质量起到至关重要的作用。
学会激光熔覆工艺第二部分：学习新内容
【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）教学内容：激光熔覆工艺流程及工艺参数
教学目的：了解激光熔覆成型过程中主要的工艺流程及工艺参数
掌握激光熔覆工艺参数的调节方法
掌握工艺参数的优化方法以及不同工艺参数对熔覆结果的影响
【步骤二】新知识的引入（时间：20分钟）激光熔覆技术兴于 20 世纪 70 年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。
与传统的化学热处理( 渗氮、渗碳、渗金属) 、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。
裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素。
激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。
预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。
同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。
预置式的手工涂覆效率较
低; 同步式的熔覆工艺过程简单，效率高，可控性好，易于实现自动化，适合大规模工业生产。
影响熔覆层质量的因素众多，包括激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的预处理和后处理，材料的热物理特性等。
但激光功率、扫描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的参数，通常用比能量进行优化设计。
【步骤三】新知识的引入（时间：30分钟）激光熔覆成型常用工艺参数
1、激光功率对熔覆层质量的影响
激光功率和合金熔化量成正比关系,随着激光功率的增大,合金熔化量增大,因此气孔产生的机率随之增大,涂层深度也随之增大,周围的金属液体不断从气孔流入,气孔减少或消除,裂纹减小。
如果涂层深度达到极限深度后,随着功率的增大,等离子体也正比增大,基材表面温度迅速升高,熔覆层变形和裂纹现象就不可避免了。
激光功率对熔覆层质量的影响很大,要想尽量避免气孔和开裂现象,要选择合适的激光功率值。
熔覆层单位面积所需能量叫做能量密度E,又称激光比能,其计算公式为
式中激光束功率P,激光束光斑直径D,激光扫描速度Vb。
激光比能E过低,导致稀释率太小,熔覆层和基体结合不牢,容易剥落,熔覆层表面出现局部起球、空洞等外观缺陷。
激光比能E过高,导致稀释率太大,严重降低熔覆层的耐磨、耐蚀性能,熔覆材料过烧、蒸发,表面呈散裂状,涂层不平度增加。
激光比能E适中,稀释率控制在比较合适的范围,此时因工艺参数之间匹配良好,熔覆层质量优良,与基体结合牢固。
随着激光功率增加,由于激光束中心的功率密度最高,热量集中,所以使热影响区向下扩散形成深孔,涂层深度增加。
当涂层深度达到极限深度后,随着功率提高,引起等离子体增多,基体表面温度升高,加剧变形和开裂。
为了避免这种现象,需合理控制激光熔覆功率。
2 扫描速度对熔覆层质量的影响
极限速度是激光束只能熔化合金粉,几乎不能熔化基体时的扫描速度。
要使熔覆层成型完好,要求激光扫描速度必须小于极限速度[4～ 5]。
涂层材料和基材不同,其极限速度也不同。
研究表明,在保持其它参数不变的条件下,在激光扫描过程中,如果扫描速度较低,预涂层材料表面易烧损,导致材料表面的粗糙程度变大。
如果扫面速度较快,激光能量供应不足,短时间内涂层材料熔不透,很难形成熔覆层。
所以,控制扫描速度是一个很关键的因素。
3 材料的供给方式和涂覆层厚度对熔覆层质量的影响
激光熔覆有预涂粉末法和同步送粉法两种供给方式,它们的加热方式也不同,因此涂层的成分均匀性就会受到很大影响。
采用预涂粉末法,涂粉厚度对熔覆层质量有较大影响,当涂粉较厚时,功率密度应当大,但是熔池各部分存在温差,随着涂粉厚度的增加,熔池内温度梯度增加,在和基体结合处容易形成裂纹,导致熔覆层和基体结合较差;而且,涂粉厚度大则要求激光束在熔池上方停留的时间延长,激光束对熔覆材料的光压作用导致熔池内产生飞溅现象,从而降低熔覆层质量。
采用同步送粉法,送粉率是指单位时间内喷出的熔覆材料的量。
在其它条件相同的情况下,随着送粉率的增大,熔覆层宽度减小、熔化基体深度减小、厚度增加、表面粗糙度增大、透光率下降,熔覆材料加热程度降低导致熔覆层组织趋于细化。
另外,送粉率低时,稀释率大。
最佳送粉率与激光功率成正比,与光斑直径成反比,还与光束形状有关。
涂覆层厚度也是对熔覆层质量影响的一个因素。
主要是激光能量对厚度的影响导致熔覆层的质量不同:如果涂层太厚,激光能量不足,短时间内涂层熔不透,会影响涂层的质量。
如果涂层太薄,对材料表面性能的改善不大。
所以在熔覆前应该考察熔覆层的厚度,把厚度控制在一定范围之内,把对质量的影响降到最低。
4 光斑尺寸对熔覆层质量的影响
光斑直径主要影响熔覆层宽度,光斑直径D和熔覆层宽度W以及扫描速度Vb的关系可由下式确定:
式中,α为经验常数和工艺特性,和材料属性有关[6～ 7]。
当激光功率、扫描速度和送粉率一定时,随着光斑直径增加,进入激光束的粉末颗粒增加,吸收激光能量的粉末颗粒增加,在相同激光功率条件下熔覆层宽度增加,熔覆层厚度下降。
增大光斑直径,激光熔池增大,熔池表面张力减小,熔覆层表面质量提高。
对于不同型号和种类的激光器,用不同的激光功率辐照,对光斑的大小和形状都有影响。
光斑形状对熔覆层形貌和力学性能都有很大影响。
如果光斑直径太小,很难得到大面积的熔覆层。
因此光斑尺寸也是影响熔覆层质量的重要因素之一。
在熔覆过程中应注意调整离焦量的大小。
目前,激光熔覆多采用矩形或圆形的多模光斑,激光熔覆熔池表面的温度场的分布不均匀,在熔池中心附近,其温度最高。
离中心附近越远,其熔体温度越低。
由于陡斜的表面张力梯度作用,导致合金熔池内存在强烈的对流,从而使熔覆层凝固表面出现凸凹不平,解决方法是改换光束模式,使光束截面能量分布均匀,采用振荡光
束和转镜宽带激光熔覆可获得满意的结果。
5 搭接率对熔覆层质量的影响
要想得到大面积的激光熔覆层,只能从搭接率方面着手。
主要是因为激光束光斑尺寸较小,所以只能通过扫描带之间的相互搭接扩大熔覆层面积。
除此之外,搭接率对多道激光熔覆层表面粗糙度程度影响也很大。
随着搭接率提高,激光熔覆层表面粗糙度就会降低,但却很难保证搭接部分的表面均匀性。
搭接率是影响形成熔合不良缺陷的一个重要因素。
搭接率在快速成形技术中直接影响熔覆层表面的光洁度,搭接率过小会使各熔覆道之间出现凹陷。
相对大的搭接率,会使熔覆层表面变得平整,但是如果搭接率过高则可能会出现气孔和裂纹的产生。
因此,选择合适的搭接率是相邻熔覆道获得相同高度的关键,也是获得具有平整表面成形件的关键。
6 稀释率对熔覆层质量的影响
稀释率是衡量由于基体材料元素混入熔覆层引起熔覆层元素稀释的程度,用基体材料合金在熔覆层中所占的百分率表示,是衡量熔覆层微观质量的主要指标。
通常用几何稀释率和熔覆层成分的实测值表示。
激光熔覆过程的稀释率主要取决于激光参数、材料特性、加工工艺和环境条件等。
高的稀释率,会提高熔覆层和基体的结合强度,同时也会降低熔覆层的机械性能。
低的稀释率,熔覆层凝固后成球形,与基体结合较差,一般认为稀释率保持在10%以下,最好在5%左右为宜。
【步骤四】新知识的引入（时间：30分钟）工艺参数的优化
1、激光熔覆过程中激光功率调节方法
2、不同激光功率对熔覆结果的影响
3、扫描速度对熔覆结果的影响
第三部分：总结、布置作业、说清楚作业的要求（时间：5分钟）总结：
本次课主要讲解了本次课主要介绍了激光熔覆成型的工艺流程及主要的工艺参数，掌握基本参数调节方法和优化方法，能够根据熔覆结果来优化参数。
激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。
激光熔覆成型常用工艺参数有激光功率、扫描速度、送粉量及载气流量等，对熔覆层成形质量起决定性作用
作业：
作业1：预置粉末法的工艺流程是什么？
作业2：同步送粉法分为哪两种？
作业3：激光熔覆成型过程中所用气体分为哪两种？作业4：保护气通常选择哪三种气体？
作业5：稀释率的公式？
作业6：影响稀释率的熔覆材料性质主要有那些？
作业7：如何增大激光功率？
作业8：激光功率过高会加剧什么现象？
作业9：本次成型过程比较哪三种激光功率？
作业10：在这三种激光功率中哪一种成型质量较好？作业11：本次成型过程比较哪三种扫描速度？
作业12：扫描速度是越慢越好吗？。