激光熔覆再制造技术的研究现状及其影响因素

一、工艺参数影响的研究

熔覆过程直接决定了再制造成形质量，是激光熔覆技术规模化产业化应用的核心因素。结合激光熔覆再制造在矿山液压支架立柱中的应用经验，发现再制造成品的质量控制一般涉及熔覆表面的宏观质量(无裂纹、砂眼等缺陷)、成形厚度、表面硬度分布等。影响激光熔覆成形质量的几个关键参数是激光功率、焦距、扫描线速度、重叠率和送粉率，其中重叠率与步距设置有关，送粉率与熔覆厚度直接相关，熔覆的有效热输入是这些参数综合的结果。

自激光熔覆技术工业化应用以来，研究人员对各种参数对性能和机理的影响做了大量的研究，可以全面涵盖激光熔覆技术应用中的关键影响因素和机理。通过分析国内外激光熔覆技术的研究现状，指出熔覆参数的类型包括工艺参数、工艺参数和质量参数。

 

按照这种分类方法，激光熔覆的再制造参数可以从激光光源、机床、待熔覆零件基体、粉末和送粉系统等方面细分为:

1、激光功率、焦距(光源)和光斑规格。

2、机床精度、转速、熔覆的步进控制(机床)。

3、零件的形状、尺寸和材料特性(零件矩阵)。

4、粉末成分、功能和物理性质(粒度分布、流动性、堆积密度、氧含量)。

5、送粉率。

6、保护气流大小。

这些参数的配合效果首先直接关系到熔覆产品的质量，熔覆层最直观的宏观表征如气孔、砂眼、裂纹，其次是熔覆尺寸、可测量的表面硬度、粗糙度和机械加工后的耐蚀性，以及稀释率、结合状况、内部组织结构和缺陷、截面硬度、热影响区大小等。通过取样检测包覆层。

技术人员以材料类型、熔覆功率和熔覆扫描速度为影响因素进行正交试验，研究对结合强度的影响。发现：

1、合金粉的种类对结合强度的影响最大

2、扫描速度，最小的是激光输出功率

45钢基体表面的激光熔覆层与基体的结合强度大于基体的应力强度。镍基熔覆层的剪切强度是母材的2到3倍，铁基熔覆层的剪切强度是母材的5倍以上。使用不同能量密度的高功率激光进行熔覆试验，并通过中性盐雾试验检验其耐蚀性。经分析发现，能量密度越高，熔覆层微观组织差异越大，耐蚀性越差。不同功率密度下，熔覆层中Cr的平均含量无明显差异，但随着激光熔覆能量密度的增加，Cr的分布变得更加不均匀，熔覆层的平均硬度越高，耐蚀性越差。

二、数值模拟技术

先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计从经验判断转向定量分析。将数值模拟与人工智能技术相结合，可以用科学模拟代替大量的基本验证过程，不仅省时省力，而且解决了一些实际操作中难以进行的实验内容。不可否认，激光熔覆工艺参数的协同过程极其复杂，具有复杂的物理变化、化学变化和动态热处理特征。定量检测和分析熔池的瞬态温度场和成形应力场是很困难的。近年来，许多研究人员将计算机模拟应用于激光熔覆研究，大大简化了工艺验证过程，提高了创新技术的开发效率。分析了不同激光功率下的温度场，得到了距离熔覆层表面1mm处的温度-时间曲线，减少了实验量。

三、多技术研究

为了提高激光熔覆的成形质量，熔覆前预热、熔覆后热处理以及各种加工技术的耦合得到了广泛的研究和应用。激光熔覆后热处理能有效降低涂层的残余应力，提高涂层的力学性能。激光重熔利用激光作为热源快速熔化金属材料表面，然后自身快速冷却，在基体组织上获得重晶格层和淬火层的双层硬化结构。重新熔化的液相有助于组分的均匀渗透和扩散。研究人员发现激光重熔如同熔化焊接，显微组织接近连续铸造。枝晶骨架的生长受到限制，晶粒尺寸减小到原来的1/10左右，枝晶从基部到顶部逐渐等轴化。指出形核速率、温度梯度和凝固时间对晶粒尺寸和晶粒生长方向起决定性作用。

审核编辑 黄昊宇