激光熔覆梯度材料制造

《 金属热处理》2002 年第 27 卷第 9 期
1
层 。 使用 12 ～ 15kW 的激光器 , 熔覆速度 254 ～ 381mm/ min[ 3] 。 其它 激光熔覆的零件列于表 1 。
表 1 激光熔覆的其它零件 Table 1 The other workpi eces of laser cladding
激光熔覆技术在航天 、汽车 、石油 、化工 、冶金 、电力、机械 、工模具
和轻工业等都有应用 , 典型应用零件举例如下 。
(1) 叶片 第 一个激 光表面 熔覆应 用是在 1981 年 Rolls-Royce 的 R B211 飞机发动机高 压叶 片连锁[ 1] 。 该叶 片在 1600K 温度 下工
103W/ cm 2 下作用 3s , 熔覆质 量分数为 48%Cr 、28 %N i 、2 %Al 、6 %C 、
(册), 获机械部科技成果(进步)二等奖 3 次 , 天津市 科技成果 二等奖
2 %M o 的合金 粉末 。 涂层 硬度 高, 摩擦 系数低 , 耐高温(>600 ℃)磨
1 次 , 并获机电部有突出贡献专家证书 。 本文是 2001 年 11 月全国激
表面改性
国外激光熔覆应来自百度文库和直接熔覆金属零件及梯度材料制造
张魁武 (机械工业激光加工中心 , 北京 100055)
摘要 :列举了国外激光熔覆在飞机发动机叶片 、汽轮机叶片 、汽车 排气阀座 和模具等工 业应用实 例 。 介绍了近 年以激光熔 覆技 术为基础向更高层次发展的新成就 ——— 激光熔覆闭环控制直接制造出金属零件和梯度材 料构件 。
图 2 闭环控制 DM D 系统示意图 Fig .2 Sketch of closed loop DM D system
组成 。 熔覆层高度由高度控制器实时调 整工艺控 制 , 扫描 100 层 , 得到 高度为 17.75mm , 高度偏差 <0.075mm 。 使 用多个 传感器 可以 提高 控制精度 。 例如 , 可用互成 120°角径向排列的 3 个传感器 。 3 点高度 传感器控制图见图 3 。
表面用 St ellit e F 合金激光熔覆[ 4] 。 起初用 A VCO 6.5kW 激光器 , 8s
激光熔覆[ 7] 。 获得比过去用 D 2 钢整体淬火显微组织 更细小 , 更均匀
处理一件 。 R .T .M 研 究所 研制 了一 种称 为能 量回 收 腔的 装置(图 分布的 V C 颗粒 , 熔覆层与基体结合牢固 , 耐用度明显提高 。
意 , 如果曾渗氮的蜗杆修复时激光 熔覆前虽 然表面经 过磨削 , 残 存的
花加工出刃口 , 此过程工序多 、周期 长 、生产效 率低 、制造 成本高 。 改 氮在激光熔覆快速冷却过程不能充分排出 , 容易形成气孔 。
用 AISI 1045 钢 制 造 , 机 械 加 工 成 型 后, 在 刃口 部 位 作 激 光 熔 覆 CPM 10V 和 CPM 15V 合金[ 7] , 寿命明显延长 , 制造费用大幅减少 。 而
全防护装置 , 为减小惯量大部分零件用铝材制造 , 自动化操作 , 处理一
个叶片只需 75s , 过去用 TIG 堆焊时间需 要 4min/ 件 。 采用激 光熔覆
钴基合金 , 合金用量减少 50 %, 变形小 , 节省了后加工工 时 , 工艺质量
高 , 重复性好 , 还减少了设备 。
美国 Westinghouse 公司用 该技术 修复长 1.2m 的蒸 气机叶 片前 端的水蚀[ 3] 。 S .E .Huf fman 公司使用 2 个送粉器 , 双摄像视频计算机
光器 , 在 镍基合金汽轮 机叶片上熔覆钴 基合金 , 处理一 片只需 15s 的 显延长了 。
时间[ 3] 。
(4) 轧辊 例如 :100mm ×300mm 的旋切辊 , 用 AIS I 1045 钢制
(2) 汽车排气阀座 意大利菲亚特汽 车发动机 排气阀座 的环形 造 。 矩形光斑辐照 , 同轴送 C PM 10V 合金 和 CPM 15V 合金粉末 进行
国别 美 美 美 美 美 美 美 美 美 美 美 德
意大利 俄罗斯 俄罗斯
参考文献
[ 3] [ 3] [ 10] [ 11] [ 11] [ 11] [ 10] [ 10] [ 1] [ 5] [ 1] [ 12] [ 11] [ 6] [ 6]
2 三维激光熔覆和梯度材料制造
2.1 直接金属熔覆快速制造 从直线和旋转的一维激光熔覆 , 经过 X 和 Y 两 个方向同 时运动
v anes, steam-turbine vanes , engine valves and dies et c .T here w ere some new achievement s on closed loop direct
met al deposition :art to part , and development of graded-boundary materials by laser cladding .
1), 大大提高 了能 量利 用率 , 使所 需能 量 减少 一半 以上 。 改用 美国
(5) 蜗杆 塑料挤压蜗杆和压铸蜗杆的螺纹用激光熔覆制造 , 收
937 型 1.5kW 激光器 , 13s 处理一件 , 比 TIG 堆焊 S et lli te F 合金 , 合金 到良好效果 。 例如 :58mm ×100mm 的 D IN I 7440 不 锈钢 蜗杆激 光
(6) 汽车平衡器 基体 材料为 20NiC rM o2 钢 , 熔覆质 量分 数为 17 %Cr 、4 %Fe 、3.5 %B、4 %Si 、71.5 %N i 的合金粉末 。 使用 8kW 激光
且在使用损坏后又可作激光熔覆将其复原 , 因而使模具的总体寿命明
器 , 功 率 密 度 9 ×103W/ cm2 , 氩 气 防 护 , 作 用 时 间 3s , 扫 描 速 度
Key words:laser cladding ;industrial application ;direct metal deposit ion ;laser-fabricated met al parts ;g raded mate-
rials ;rapid manufacturing
1 激光熔覆应用实例
零 件 名 称 直升飞机维修船上的钢轨
102mm ×1220mm 钢管内壁 (50 ～ 100)mm ×1176mm 钢管内壁 石化设备中的楔铁 石化设备中的闸门 石化设备中的冻结圈 不锈钢密封环 不锈钢闸阀 海洋钻探工具 汽车摇臂 汽车铸铁件 轿车引擎铝制活塞端部 电力泵套 汽车分配轴凸轮 破损齿轮牙齿修复
作 , 由超级镍基合金铸造 , 过去用 TIG(tungst en-inert-gas , 钨极 惰性气
体 保护)堆 焊钴基合 金 , 稀释严 重热量注 入多 , 热影 响区常常 发生裂 纹[ 2] 。改用 2kW 快速轴流 CO 2 激 光器 , 在 重力作 用下吹 氩气 送粉 , 功率密度 104 ～ 105W/ cm2 , 专用五轴联动 数控工作台 , 设 有良好的安
的二维熔覆 , 到上世纪 90 年代初开始向三 维同时运 动熔覆构 造金属 零件发展[ 13 ～ 16] 。 如今 , 已经把激光器 、五轴 联动数控激光加 工机 、外 光路系统 、自 动化 可调 合 金粉 末 输送 系 统(也可 送 丝)、专 用 CA D/ CA M 软件和全过程参数检测系统 , 集成构筑了闭环控制 , 直接制造出 金属零件[ 17, 18] 。 标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶 。 美国 University of M ichigan 的 J .M azumder 教 授等推出 了“ 直接 金属沉积” — DM D(direct met al deposi tion), Sandia N ational Laborat ory 推出了“ 光学工 程 成型” — LEN S(light engineered net shaping)和 Los A lamos N ational Laborat ory 推出了“ 直接光学制造” — DLF(direct ligh t f abrication)等先进制造技术 。 现今已经能 直接从 CAD 数据库 制造出 性能相当于锻钢的零 件 。 DM D 技术与 LENS 和 D LF 技 术的区 别是 前者能实时反馈控制熔覆层化学成分和显微组织 。 现将他们在 2000 年发表的论文内容摘要介绍如下[ 17] 。 D M D 技术没有环境污染问题 , 不少公司对其产业化 、商品化积极 性很高 。 使用该技术制造外科手术器 具 , 可将工 序由原来 的 27 道减 至 7 道 , 付诸实施后可节约数百亿美元 。 航空领域也是一个广阔的应 用场合 。 美国海军部对此也颇感兴趣 , 因为海上维修需要存储大量备 件 , 甚是不易 。 若采用激光熔 覆 DM D 技 术维修 , 则只需 备下合 金粉 末及 CA D 绘图仪即可 。 M ichigan 精密光学制造公司已着手将密执安 大学的技术成果 商品化 。 D M D 系统布 置见图 2[17] 。 密执 安大 学开 发的闭 环 反 馈 控 制系 统 由 6kW 的 CO 2 激 光 器 , 5 轴数 控 工 作 台 1000mm ×500mm ×500mm , A llan Bradley 8400 控制器和同轴送粉器
和定位精度为 ±0.013mm 、重复精度为 ±0.0076mm 的数 控系统熔覆
图 1 发动机排气阀座激光熔覆能量回收装置
飞机发动机叶片和 压缩机 叶片[3] 。 Prat t & Whi tney 公 司用 6kW 激
Fig .1 Energy recovery cavity for laser claddi ng of engine valves
1.67mm/ s , 涂层厚度 1.3mm[ 9] 。
作者简介 :张魁武(1933 .12 —), 男 , 辽宁 丹东人 , 教 授级高工 , 长期从
(7) 汽车 零件 热 锻 模 具 用 4kW 激 光 器 在 功率 密 度 为 4 ×
事机床零件热处理和材料激光加工的 研究与应 用 , 发表著 述 50 余篇
用量减少 70 %, 后加工量显 著减少 。 其它 如美国 的汽车 排气阀 座也 用激光熔覆 St ellit e 合金[ 5] , 俄罗斯利 哈乔夫汽 车厂的排 气阀座 激光 熔覆耐热合金[ 6] 。
(3) 模具刃口 常规处理使用昂贵的模具钢整体淬火 , 然后电火
熔覆 LC0.1C 合 金 (质 量 分 数 为 :53.5 % Co、 31.0 %Cr 、1.20 % Si 、 12.00 %W)[ 8] , 用 20kW CO 2 激光器 , 龙门式六轴加工机 , 连续 同轴送 粉 , 得到宽 37mm 、高 12mm 的螺旋型熔覆层 , 没有裂纹发生 。 但应注
损[ 9] 。
光熔覆与标 记研 讨会 主题 报告 的一 部分 。 联系 电话 :010-62340035
(8) 燃煤发电厂锅炉管板 板宽 0.3 ～ 1.2m , 长 6.1 ～ 9.1m , 板
(H)
的一侧表面用耐 蚀钢或 镍基 合金 涂满 厚度为 0.76 ～ 1.52m 的熔 覆
收稿日期 :2002-01-24
关键词 :激光熔覆 ;工业应用 ;直接金属沉积 ;激光制造零件 ;梯度 材料 ;快速制造 中图分类号 :TG156 .99 文献 标识码 :A 文章编号 :0254-6051(2002)09-0001-04
Industrial Applications of Laser Clad and Laser Deposited Metal Parts and Graded Materials
ZHANG Kui-wu(Laser Processing Center of M achinery I ndustry , Beijing 100055, China)
Abstract :T his paper reviewed the exam ples of indust rial applications of laser cladding such as aircraft engine