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激光熔覆和熔覆成形镍基合金的组织与性能研究

黄凤晓  
【摘要】:激光熔覆是一种利用激光处理的表面改性技术,它可以在低成本的基体材料上制成高性能的表层。此技术节约了大量的贵重合金,适用于工具、模具、机械零件的修复、抗摩擦及耐腐蚀涂层的加工等。激光熔覆成形技术是一种无模制造技术,能够快速直接制造出致密零件或模具,是激光熔覆技术的进一步发展。此技术可节约磨具费用、缩短制造周期,并能制造出传统技术不能或难以成形的复杂结构零件。激光熔覆和熔覆成形技术目前已成为西方发达国家和我国激光加工领域的研究热点。然而此技术还面临许多急需解决的问题,如界面问题、制造金属零件的精度问题、实现对整个熔覆过程中各工艺参数的计算机控制问题、应用性研究问题等等,这些问题的存在大大限制了此项技术的广泛应用。 镍基合金粉末具有耐磨、耐蚀、耐热等优异的综合性能,作为表面硬化材料得到了广泛的应用。本文以镍基合金为熔覆粉末材料,针对激光熔覆及熔覆成形技术中存在的成形质量不稳定、工艺可控性有待提高以及界面结合等问题,首先采用不同工艺参数进行单层单道激光熔覆,分析了工艺参数对单道熔覆层宏观尺寸、组织、性能等方面的影响。若要获得大面积、一定厚度的熔覆层,可以进行横向多道、纵向多层搭接熔覆。多道、多层搭接也是成形块体零件的基础。因此采用不同工艺参数进行横向多道、纵向多层搭接激光熔覆,系统研究了搭接熔覆镍基合金的成形性、搭接结合界面组织形态以及不同工艺参数对搭接结合界面组织形态的影响。为提高熔覆层的耐磨性,镍基合金粉末中加入WC硬质相,探讨了Ni/WC薄壁墙的组织、WC硬质相与镍基熔融合金的界面结合组织形态以及WC硬质相对熔覆层性能的影响。 激光熔覆层的宏观尺寸将影响熔覆层的成形精度和质量。研究表明,工艺参数的改变直接影响了熔覆层的成形性和宏观尺寸。单道熔覆层的宽度(W)主要取决于熔池的尺寸;熔覆层的高度(H)主要取决于单位时间内进入熔池的粉末数量,它对激光熔覆成形零件的加工精度和成形效率有直接影响。熔覆层的宽度、高度随着扫描速率的增加而减小,随着激光功率的增加而增加。熔覆层的宽度随着送粉速率的改变变化不大,熔覆层的高度随着送粉速率的增加而增加;熔池深度(h)随着扫描速率和送粉速率的增加而变小,随着激光功率的增加而增加;接触角(θ)反映了熔覆材料、激光熔覆工艺等因素对熔覆层形状的综合影响,它随着熔覆层的高宽比(H/W)的增大而减小。熔覆层的高宽比(H/W)随着扫描速率和激光功率的增加而减小,随着送粉速率的增加而增加;利用熔覆层基材熔深与熔覆层高度的比值(h/H)可以对稀释率(η)的大小作定性估计,稀释率(η)随着h/H减小而降低。而熔覆层基材熔深与熔覆层高度的比值(h/H)随着扫描速度和送粉速率的增加而变小,随着激光功率的增加而增加;粉末有效利用系数(兄)随着扫描速度和送粉速率的增加而增大。在一定范围内,随着激光功率的增加而增加。研究结果为控制工艺过程、提高熔覆层的质量提供了实验依据。 熔覆层的组织将影响材料的综合性能,因此研究了熔覆层组织形态变化规律和形成机理以及工艺参数对熔覆层组织、性能的影响规律。研究表明,熔覆层横截面组织形态从与基体结合处至熔覆层表面依次表现为平面晶、胞状晶、柱状树枝晶和转向树枝晶。随着扫描速度的增加,温度梯度(G)和凝固速率(R)的比值(G/R)降低,熔覆层的组织细化。随着送粉速率的增加,基体温度和单位质量熔覆材料的比能Er降低,显微组织较细。激光功率越大,单位质量熔覆材料的比能Er增加,熔覆层组织粗化。随着扫描速度和送粉速率的增加,熔覆层组织细化,使晶界面积增大,抵抗变形的能力增强,熔覆层硬度提高。提出了利用硬度曲线趋势转折点的位置变化和连线的方法,可以直观地分析扫描速度、送粉速率和激光功率对稀释率和基体热影响区的影响。研究结果为控制工艺过程、提高熔覆层的性能提供了实验、理论依据。 工程实际中,常常需要大面积的熔覆层,因此进行横向搭接激光熔覆。横向搭接的结合界面会影响搭接熔覆层的整体性能,因此研究了工艺参数对横向搭接结合区域组织形态的影响规律与形成机理。研究表明,单道熔覆层的质量、横向搭接率以及熔覆过程中熔覆粉末与激光束的匹配对搭接熔覆层成形质量有直接的影响。应实时监控工艺过程,调整工艺,获得良好质量的搭接熔覆层。多道搭接时,基体发生了变化,一部分为前一道熔覆层表面的倾斜曲面,一部分为原始基体的平面。搭接区域没有出现白亮层,但出现了不同界面组织形态。一种为连续外延式生长,另一种为非连续外延生长,这与前一道转向枝晶区域的重熔深度有关。研究结果为提高横向搭接熔覆层的质量和对搭接界面的控制提供了一定的理论和实验依据。 单层熔覆层的厚度常常满足不了实际要求,因此为获得一定厚度的熔覆层,可以进行多层搭接熔覆。从多层搭接成形的熔覆层组织、性能的整体性考虑,分析了单道多层搭接激光熔覆成形镍基合金薄壁墙搭接结合界面组织形态的变化规律和形成原因。研究表明,熔覆粉末与激光能量的不良匹配影响了单道多层搭接成形镍基合金薄壁墙的成形速度和成形质量。多层搭接熔覆成形时,基体是表面为曲面的前一层熔覆层,第一层与第二层间结合界面组织形态有所不同,为交互不明显趋于平直的界面结合,这与基体对第一层成份、冷却速率等的影响而影响了组织形成有关。其余各层结合界面组织多数为连续外延生长的树枝晶,层间结合为相互咬合的外延生长,有利于搭接界面的良好结合。激光重熔处理可以使成形薄壁墙的表面质量明显得到改善。研究结果为提高激光熔覆成形零件的质量、整体性能提供了实验依据。 多层搭接激光熔覆成形Ni/WC薄壁墙的研究表明,由于送粉速率的波动使薄壁墙的高度出现了不一致的现象,应实时监控工艺过程,及时采取弥补措施。加入的硬质相WC颗粒在镍基合金基体上均匀分布,明显提高了镍基合金的耐磨性。镍基合金和硬质相WC颗粒之间形成了一种较为理想的梯度界面,既提高了WC颗粒和镍基合金之间的润湿性、相容性,促进了WC颗粒与镍基合金之间界面的良好冶金结合,又降低了组织突变引起的组织应力和裂纹产生的几率,可以很好的发挥WC颗粒的骨架作用,有利于耐磨性的提高。激光熔覆成形过程中,为了控制和设计理想的熔覆层组织,应根据粉末颗粒尺度与其被加热温度的关系,调整熔覆粉末的颗粒尺度。研究结果为加入硬质相提高熔覆层的耐磨性能提供了理论和实验依据。 激光熔覆及熔覆成形技术制造过程中,熔覆粉末与激光束的匹配对熔覆层的成形质量有重要影响。调整工艺实现熔覆粉末与激光的良好匹配以及对工艺过程的实时监控是十分必要的。


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