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焊接技术及自动化专业毕业综合技能训练任务书题目:工艺参数对金属基复合激光熔覆层形状的影响专业_焊接技术及自动班级________姓名_____学号_____指导教师任务下达时间2012.11.27规定完成时间2012.12.25实际完成时间____2012.12.13______毕业综合技能训练题目工艺参数对金属基复合激光熔覆层形状的影响姓名专业焊接技术及自动化班级指导教师时间2012.12.13材料工程系二○一二年十二月摘要本文在围绕激光熔覆技术的原理、特点、材料体系、激光熔覆存在的问题、激光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施的基础上对工艺参数对激光熔覆层微观形貌的影响进行研究,实验选用CO2连续激光器为热源,在镍基高温合金基体表面熔覆自配粉末,对不同工艺参数下熔覆层的微观形貌进行了分析。结果表明:在一定范围内,其它工艺参数不变,增加功率,增大扫描速度,晶粒更趋致密细小;工艺参数影响冶金结合带的优劣、胞状晶区的厚薄以及夹杂物的有无和分布。研究证明激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。关键词：激光熔覆；材料体系;激光熔覆;镍基高温合金;工艺参数;微观形貌目录1.激光熔覆技术原理与特点····························11.1激光熔覆技术原理···································11.2激光熔覆技术特点···································12激光熔覆技术材料体系······························22.1自熔性合金粉末·····································22.2陶瓷粉末···········································32.3复合粉末··········································33工艺参数对激光熔覆层微观形貌的影响·················33.1熔覆试验·········································33.1.1试验条件········································33.1.2工艺参数··········································43.2试验结果与分析····································43.2.1熔覆层微观形貌及其成因···························43.2.2工艺参数对熔覆层微观形貌的影响·····················54结论··········································75激光熔覆存在的问题·································76激光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施··················87感谢信···········································98参考文献·······································101.激光熔覆技术原理与特点1.1激光熔覆技术原理激光熔覆技术以该技术以“离散+堆积”成形的思想为基础，突破了传统去除材料的加工方法，把激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，实现了三维近终形全密度金属零件的分层增材制造。激光熔覆成形时，首先在计算机上生成待加工零件的CAD模型，然后对CAD模型进行切片处理，将一个复杂的三维零件转变成一系列的二维平面图形，计算机从每一层二维平面图形中获取扫描轨迹指令，控制数控工作台和激光器的运动。加工过程中利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末或预先置于基体上的涂层快速熔化，金属粉末或涂层快速凝固后，在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。该技术能够按照轮廓轨迹逐线、逐层堆积材料直接生成近终形三维实体零件，其工作原理如图一所示。图一激光熔覆技术原理图1.2激光熔覆技术特点同其他表面强化技术相比，它具有以下特点：冷却速度快；热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。2激光熔覆技术材料体系按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。2.1自熔性合金粉末（1）Fe基合金体系自熔性合金粉末可以分为Fe基、Ni基、CO基自熔性合金粉末，其主要特点是含有B和Si具有自脱氧和造渣能力。自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层[1]。激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型：奥氏体不锈钢型和高铬铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等[2]。在铁基合金粉末成分中，通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高耐磨性和韧性。近年来，有关激光熔覆的研究有不少是围绕铁基粉末加入其它成分展开的。宁爽等[3]在45钢基材上制备了WC铁基合金熔覆层。结果表明，铁基合金熔覆层的硬度与耐磨性得到了提高。齐永田等[4]在普通低碳钢上熔覆了含有碳氮化钛增强粒子的铁基熔覆层，原位生成了新的颗粒状强化相Ti(C0.3N0.7)，熔覆层的显微硬度达到600一700HV0..2。赵高敏[5]等研究了不同稀土加入量对铁基合金激光熔覆层的组织形貌、相组成的影响。结果表明，加入稀土改善了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力，在不同程度上减轻了材料的腐蚀失重，提高了熔覆层的耐腐蚀能力。（2）Ni自熔性合金粉末Ni自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属复合涂层。原津萍等[6]在镍基合金中分别添加Mo和CeO2，研究表明，在镍基合金中添加Mo，改变了显微组织中碳化物的成分和形态，韧性改善，熔覆层抗磨粒磨损性能提高。张光钧[7]等在45钢表面制备镍基纳米WC/CO复合熔覆层，熔覆层的物相为γ(Fe一Ni)基体上分布着以WC、W2C为主的碳化物相，熔覆层显微硬度分别为779.3~1315.0OHV0.1。匡建新[8]等采用Ni60+70％(质量分数)镍包碳化钨合金粉末在45钢基材表面进行了激光熔覆，对比研究了添加不同量CeO2在不同激光功率条件下对激光熔覆层的显微组织、裂纹情况、硬度分布及耐腐蚀性能的影响。孙海勤[9]等在45钢表面制备原位自生VC颗粒增强镍基复合涂层，原位自生VC颗粒增强镍基熔覆层平均硬度高达1300HV0.3。（3）Co基自熔性合金粉末钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中，Ni元素可以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。李明喜[10]等利用在低碳钢表面熔覆钒氮合金的钴基合金涂层，结果表明：加入钒氮合金后，出现了σ(FeV)和VN等相，界面处硬度均比表层高，熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高。杨胶溪[11]利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束，进行宽带激光熔覆，获得无裂纹WC/Co基合金层。李明喜[12]在镍基高温合金表面熔覆纳米Al203/Co基合金复合材料，结果表明，加入纳米Al203，界面的生长形态发生变化，由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶，细化了组织。2.2陶瓷粉末陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(Al203和ZrO2)为主。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。目前，生物陶瓷材料是研究的一个热点。郑敏[13]等在Ti-6Al-4V合金表面制备了生物陶瓷复合涂层，涂层中最高显微硬度值达到1474HV0.3。邓迟等[14]在Ti-6A1-4V合金表面进行激光熔覆，结果显示：稀土对涂层具有降低开裂倾向的作用。因此，在涂层原料中寻找适当比例的稀土可以有效降低涂层的裂纹敏感性。刘其斌[15]等在Ti-6A1-4V合金上制备了梯度生物陶瓷复合涂层。结果表明：生物陶瓷涂层显微硬度最大值约为1300HV0.2。2.3复合粉末复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。朱庆军[16]等在45钢基体上制备的FeNiSiBVRE非晶涂层进行激光晶化，制备非晶/纳米晶复合涂层，结果表明，涂层存在着分层结构，涂层底部和顶部的显微组织由大量的稀土树枝晶、板条状硼化物和粒状碳化物组成，涂层中部的显微组织是由大量的纳米晶相镶嵌在非晶基体上。何宜柱等原位合成了Cop/Cu复合材料涂层，原位合成了表面光滑、均匀连续的致密Cop/Cu的复合涂层。3工艺参数对激光熔覆层微观形貌的影响3.1熔覆试验3.1.1试验条件采用横流、管板式、多模连续CO2激光器作为热源,其波长为10.6μm,最大输出功率为2kW。用4XB2TV光学显微镜观察熔覆层的微观形貌。基体为镍基高温合金K418,其化学成分(质量分数)为:0.08%～0.16%C、11.5%～13.5%Cr、0.5%～1.0%Ti、1.0%Fe、0.5%Mn、5.5%～6.4%Al、0.5%Si、1.8%～2.5%Nb、0.06%～0.15%Zr、3.8%～4.8%Mo、0.008%～0.02%B,其余为Ni。熔覆层材料参考GH3044自配,其化学成分(质量分数)为:0.1%C、25%Cr、0.5%Ti、4%Fe、0.5%Mn、0.5%Al、0.8%Si、15%W,1.5%Mo,余为Ni。试验前,经线切割、打磨去除表层氧化膜、脱脂去除表面油污等预处理工艺,制备试样。3.1.2工艺参数采用正交试验,试验工艺参数如表1。光斑直径2mm,保护气体为氩气。表1试验工艺参数试样号激光功率/W扫描速度/(mm·s-1)气体流量/(L·min-1)161020.5261041361051.5473021573041.5673050.5780021.5880040.59800513.2试验结果与分析3.2.1熔覆层微观形貌及其成因熔覆后的试样沿垂直于扫描方向将单道熔覆层(横向)切开作观察面,经耐水砂纸由粗到细打磨后,在抛光机上加氧化铬膏进行抛光,再用浸蚀液(成分为:4gCuSO4·5H2O,盐酸和水各20mL)腐蚀1～3min,最后用水冲洗、酒精擦拭、吹干,以备金相显微镜观察微观组织特征。总体来讲,如图1所示,熔覆层的组织一般为树枝晶,在靠近冶金结合带的地方常常出现胞状晶区;在熔覆层与基体连接的地方,由于基体元素的渗入,熔覆层和基体形成牢固的冶金结合带(金相图中显示为极薄一层的白亮带);熔覆层上部是无明显方向性的细小枝晶和等轴晶。主要原因是:熔覆过程中,基体具有快速传热的急冷作用,当激光束离开熔池后,底层熔化合金即发生快速凝固生成枝晶。在熔覆层上部,虽然固液界面前沿温度