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送粉激光熔覆应用基础理论的研究

张庆茂

  本文在跟踪、检索国内外激光熔覆工艺、设备和相关理论发展现状的基础上,提出了未来激光熔覆发展、工业化应用的关键问题。通过对送粉式激光熔覆的基础理论、制约其发展的关键技术系统的研究,在应用基础理论、实验研究两方面取得了一定的研究进展。综合起来主要集中在以下两大方面:一、应用基础理论研究(1)首次计算了Pelletier提出的覆盖率。并利用覆盖率解释了工艺参数和熔覆层几何形貌的关系。(2)提出了单位时间、作用时间、单位长度稀释率和粉末有效利用系数的概念。利用能量和质量守恒建立了反映工艺结果和工艺参数之间关系的稀释率、粉末有效利用系数方程,给出了不同计算单元的计算方法,为今后激光熔覆的工艺控制变量的选择奠定了基础。(3)提出了单位质量熔覆材料和单位时间实际输入比能的概念,成功地利用金相检测的结果进行了计算,从理论上系统地解释了稀释率、粉末有效利用系数等随工艺参数的变化规律。同时为系统分析熔覆层组织的演变和性能的变化规律提供了理论依据。(4)提出了粉末粒子在激光束中运动的物理模型。依据该物理模型,建立了激光束与运动的粉末粒子、基体的作用效率方程。(5)根据能量和质量守恒,建立了描述熔覆层横截面积、基体熔化深度和表征稀释率的简洁的数学分析模型。利用已知的材料物理参数、工艺参数对模型进行了理论计算。结合实际检测的数据,对理论模型进行了修正,结果表明,理论计算值和实际检测结果反映的规律是一致的,客观地的反映了工艺结果与工艺参数和激光、材料参数之间的关系。为熔覆层质量的预测和控制变量的选择提供了理论依据。(6)提出了热搭接、冷搭接的概念,以及搭接率确定的理论依据。建立了多道搭接技术条件下熔覆层稀释率、粉末有效利用系数和激光热有效利用率的方程。在搭接过程中,熔覆材料的损失机制主要是烧损。二、实验研究在应用基础理论研究的基础上,采用自重法,在Q235和球墨铸铁(ADI)基体上分别采用柱形和矩形光斑,单运和搭接激光熔覆了镍基Ni60A和铁基F305合金粉末。同时,在原有合金粉末的基础上,通过添加稀土和激光重熔技术等手段改善熔覆层的组织和性能。在工艺研究的基础上,借助光学显微镜、扫描电镜、X射线仪、显微硬度计和快速磨损实验机等对熔覆层的合金元素分布。组织结构、显微硬度和磨损特性等进行了系统的研究。(1)系统研究了单道宽带激光熔覆层成分、组织结构、性能和工艺参数的关系。熔覆层组织存在组织的不均匀性。在激光参数恒定的条件下,随送粉速率的增加,熔覆层组织细化,柱状晶区域变窄,陶瓷相分布区域变宽;随扫描速度的增加,熔覆层组织细化,陶瓷相偏聚于结合界面附近,稀释率降低c随扫描速度和送速率的增加熔覆层的耐磨性增加。(二)跟踪观察和检测了同一工艺条件下,熔覆层不同层面组织和性能的变化规律.研究陶瓷相在熔覆层中的分布规律和对熔覆层组织、性能的影响。本实验条件下,熔覆层中硬质陶瓷相集中的层面耐磨性高。(3)成功地运用宽带激光熔覆工艺,实现了添加微量稀土元素Ce。稀土元素在熔覆层中的分布比较均匀。稀土元素具有细化组织,净化和强化作用,提高了熔覆层的表面质量和耐磨性。(4)利用优化的工艺参数对熔覆层进行激光重熔,重熔后的熔覆层组织较原工艺条件下的熔覆层组织更加均匀,但略有粗化,柱状晶减少,花朵状组织增多,有利于抑制裂纹的扩展。(5)搭接条件下,熔覆层组织和性能呈现出周期性变化的规律。显微组织的变化更加复杂化。……   
[关键词]:送粉式激光熔覆;分析模型;覆盖率;搭接;稀土;重熔
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2000年