激光—感應(yīng)復(fù)合熔覆工藝及機(jī)理研究.pdf

1、激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)是將感應(yīng)電磁加熱與激光熔覆實(shí)時(shí)復(fù)合的新型熔覆技術(shù)。作為激光熔覆的升級技術(shù)，它能夠彌補(bǔ)單純激光熔覆能量不足及熱源分布不利的缺點(diǎn)，具有熔覆速度快、熔覆沉積率高、工藝穩(wěn)定性好、易于形成冶金結(jié)合、容易獲得無裂紋的熔覆涂層等優(yōu)點(diǎn)。激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)不是激光和感應(yīng)熱源的簡單相加，感應(yīng)加熱的引入使熔覆過程中的物理化學(xué)變化更加復(fù)雜，因而對熔覆工藝、熔覆層的組織及性能等產(chǎn)生很大的影響。然而，國內(nèi)外有關(guān)激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)的機(jī)理

2、很少研究，阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。本文對激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的設(shè)備、工藝及機(jī)理進(jìn)行了研究，獲得的主要研究結(jié)果如下：
　　 構(gòu)建了一個(gè)由高功率CO2 激光器、自動(dòng)送粉器、數(shù)控工作臺(tái)和高頻感應(yīng)器等部件組成的激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的基礎(chǔ)工藝。結(jié)果表明：感應(yīng)能量對熔覆層的宏觀尺寸有明顯的影響，隨著感應(yīng)能量的增加，熔覆層寬度W增大，高度H 變化較?。粡?fù)合熔覆層宏觀尺寸與送粉速率、激光比能及感應(yīng)能量密度等

3、參數(shù)呈多元線性關(guān)系。
　　 系統(tǒng)研究了激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆中兩種熱源的作用方式。研究結(jié)果表明，對于氧乙炔熱噴涂層、冷預(yù)涂層和自動(dòng)送粉式激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆，激光和感應(yīng)兩種熱源的作用方式是不同的。氧乙炔熱噴涂層復(fù)合熔覆的感應(yīng)渦流主要作用于熔覆層，隨著感應(yīng)加熱的持續(xù)進(jìn)行，感應(yīng)渦流從熔覆層表面向下延伸，激光束的能量也是首先被熔覆層表面吸收，再通過熱傳導(dǎo)作用到熔覆層下部和基體；在冷預(yù)涂復(fù)合熔覆中，感應(yīng)渦流主要作用于界面處基體表層，而激光直接

4、作用于冷預(yù)涂層表面，激光熱能通過熱傳導(dǎo)到達(dá)預(yù)涂層下部及基體；在自動(dòng)送粉式復(fù)合熔覆中，感應(yīng)渦流直接作用于界面處基體表層，一部分激光直接作用在粉末顆粒上，另一部分激光透過粉末云空隙作用于基材和熔融合金組成的熔池表面，它使基體和熔覆層更易熔化，改善了結(jié)合面及熔覆層表面的潤濕性，提高了熔覆粉末材料的沉積率，是一種效率最高、對熔覆層結(jié)合性能最好的復(fù)合熔覆方式。通過引入無量綱參數(shù)激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆能量增益率Ф來定量評價(jià)各種工藝參數(shù)對復(fù)合熔覆效率的影

5、響程度。定量分析結(jié)果表明，感應(yīng)加熱使復(fù)合熔覆能量顯著增加。當(dāng)其它工藝參數(shù)一定時(shí)，隨著感應(yīng)加熱能量的增加，Φ值呈增大趨勢，最大值Φmax 為20％，且存在一個(gè)獲得Φmax的極小感應(yīng)能量值，這是由感應(yīng)加熱的特點(diǎn)及渦流的作用方式?jīng)Q定的；Φ值隨送粉速率增大而明顯增大，Φmax 達(dá)到110％。此外，與單純激光熔覆相比，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆效率大幅增加，Φ可達(dá)到341％以上，這意味著復(fù)合熔覆時(shí)的送粉速率和掃描速度可以大幅度提高。
　　 提出了

6、適用于激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的幾何稀釋率簡化表達(dá)式，研究了激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆層的稀釋率隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著掃描速度的增加，稀釋率是一個(gè)呈馬鞍形的變化過程；隨著感應(yīng)能量密度的增加，稀釋率增大，當(dāng)感應(yīng)能量密度達(dá)到一定值時(shí)，稀釋率基本保持不變。該研究結(jié)果對激光－感應(yīng)復(fù)合層的稀釋率控制及質(zhì)量保證具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。
　　 系統(tǒng)開展了激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆鎳基自熔合金熔覆層的組織特征及性能研究。
　　 研究表明，復(fù)合熔

7、覆層底部組織為樹枝晶，隨激光掃描速度加大及激光比能的減小，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆層微觀組織細(xì)小，顯微硬度與抗拉強(qiáng)度提高，且快速掃描復(fù)合熔覆的顯微組織結(jié)構(gòu)和物相分布與單純激光熔覆基本相同。另一方面，碳鋼基材上單純激光熔覆的熱影響區(qū)為淬火組織。當(dāng)感應(yīng)能量較大時(shí)，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆層中熱影響區(qū)上部為過熱區(qū)，熱影響區(qū)下部為正火區(qū)；在一定的感應(yīng)能量作用下，熱影響區(qū)上部可得到正火組織。激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆層的熱影響區(qū)中馬氏體組織的消除，對于降低熔覆層的開