单元设计--激光熔覆成型(LCF)技术工艺参数(精)

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