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激光熔覆工艺中稀释度与气孔裂纹问题

来源:中科中美激光

  发布:johnny

关键词:激光熔覆工艺 气孔

2018-07-03

 稀释度是衡量激光熔覆工艺质量的一个重要参数,以定量描述涂层成分由于融化的具体材料混入涂层而引起的成分变化程度。

稀释率计算可以通过测量涂层横截面积的几何方法:

 

  稀释率=基体融化面积/(涂层面积+基体融化面积)   x100%

 

       当涂层厚度和功率密度一定时,稀释度随着激光能量密度增加而增加。能量密度越大,基体的融化区域越多,则涂层成分的变化就越大。而粉末涂层厚度减小时,涂层的稀释度增大;反之,粉末涂层厚度增大,则稀释度减小,因为粉末涂层增厚限制了基体融化深度的增加。研究表明,对于宽带送粉激光熔覆,在激光处理参数保持不变的条件下,稀释度随扫描速度和送粉速度的增大而变小。为保证高的涂层性能,除个别特殊情况外,一般都要求其稀释度尽可能低;在激光喷涂时,通常控制在5%左右;而对激光熔覆,其稀释度亦应小于10%,最好也在5%左右。实验中,ZKZM中科中美4KW高速熔覆激光器在液压支柱表面镀一层合金涂层,涂层厚度0.1mm,稀释度检测约为6%

气孔与裂纹的问题

激光熔覆技术实现产业化的重要障碍之一是熔覆层质量的不稳定性,而其缺陷主要是气孔、裂纹、变形和不平度;其中最棘手的问题是裂纹,而裂纹的产生和扩展又与气孔的存在有关。

裂纹产生的主要原因是熔覆层中由于快速加热和冷却而存在的残余应力。此外,裂纹的产生还受到熔覆过程中工艺参数、熔覆层和基体材料、熔覆层厚度等多种因素的影响。抑制裂纹生成的主要方法有:采用预热与缓冷以减少裂纹生成的可能性和松驰应力;设计梯度熔覆层,在基体材料与熔覆层之间选用过渡熔覆层以缓和应力、减少裂纹产生。

  气孔的产生是由于熔覆材料的激光融化过程中有气体存在,且在快速冷凝时来不及逸出而导致的(一般多是由于金属中的碳与氧反应或金属氧化物被碳还原所形成的反应气孔,也存在固定物质的挥发和湿气蒸发等非反应性气孔)。气孔不仅本身降低涂层性能,而且容易成为裂纹萌生和扩展的聚集点,故控制气孔也是防止熔覆层裂纹萌生和扩展的聚焦点,也是防止熔覆层裂纹的重要措施之一。控制气孔主要从两方面考虑:一是采取防范措施限制气体来源(如粉末在使用前烘干去湿、熔覆过程采用惰性气体保护熔池等);二是调整工艺参数,减缓熔池冷却结晶速度以利于气体逸出。