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激光熔覆技术应用领域的研究


激光熔覆技术应用领域的研究
随着现代科学技术和工业不断发展,零部件的工作环境越来越趋于复杂化,表面性能的要求也越来越高,因此零件报废率大大增加。通常由于表面失效而报废的零件主要有转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。在零部件整体性能满足工况的条件下,仅为表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复,不仅能够挽回巨大的经济和时间损失,还可以提高资源的利用率,也符合中国可持续发展的战略。
激光技术是与原子能、半导体及计算机齐名的20世纪四大科技发明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、单色性好和相干性强等一系列优点,因此特别适用于材料加工。激光加工技术就是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术,是集光学、机械学、冶金学、电子学、计算机学等为一体的高技术,发展非常迅速,其应用范围也日趋广阔。
激光熔覆技术是激光加工技术的一个重要的应用方面,是一种新型的材料加工与表面改性技术,涉及物理、冶金、材料科学等领域。其研究历史可追溯到20世纪70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利;进入80年代,激光熔覆技术已经发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题,可以在低成本钢板上制成高性能表面,代替大量的高级合金,以节约贵重、稀有的金属材料,提高材料的综合性能,降低能源消耗,适用于局部易磨损、剥蚀、氧化及腐蚀等零部件,受到了国内外的普遍重视;到90年代后,相关科学研究与应用开发得到快速发展。
当今国内外对激光熔覆的研究大致从以下几个角度出发:一是激光熔覆的机理研究;二是激光熔覆工艺及其组织性能的研究;三是激光熔覆的应用研究。现对激光熔覆的各方面研究发展状况作以介绍,并指出其存在的主要问题及其今后的发展方向。
1.激光熔覆的机理研究
激光熔覆是一个动态熔化过程,熔池尺寸小,不仅存在着传热现象,而且也存在着对流、质量传递等,它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成分的均匀性及其他物理冶金性能,因此研究激光熔覆加热理论,搞清激光熔覆过程中的热传导、对流及质量传递等问题,对于弄清激光熔覆理论具有重要意义。
2.激光熔覆工艺及其组织性能的研究
激光熔覆工艺方法有两种类型:
(1)一步法(同步法)
该方法为在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺,它又有两种方法。
①同步送粉法:使用专用喷射送粉装置将单种或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大,热效率高,可获得比其他方法更厚的熔覆层,容易实现自动化。国外实际生产中采用较多。
②同步送丝法:此法工艺原理虽与同步送粉法相同,但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料,更易保证熔覆层的成分均匀性,尤其是当熔覆层是复合材料时,不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量,且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率;但是丝材表面光滑,对激光的反射较强,激光利用率相时较低。此外,线材制造过程较复杂,且品种规格少。
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