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激光熔覆的原理和工藝

一、激光熔覆的原理
激光溶覆是利用高能激光束輻照,通過迅速熔化、擴展和凝固,在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料,構成一種新的復合材料,以彌補基體所缺少的高性能。能充分發揮二者的優勢,克服彼此的不足。
可以根據工件的工況要求,熔覆各種(設計)成分的金屬或非金屬,制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。通過激光熔覆,可在低熔點材料上熔覆一層高熔點的合金,亦可使非相變材料(AI、Cu、Ni等)和非金屬材料的表面得到強化。

在工件表面制備覆層以改善表面性能的方法很多,在工業中應用較多的是堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等,與上述表面強化技術相比,激光熔覆具有下述優點:
(1)熔覆層晶粒細小,結構致密,因而硬度一般較高,耐磨、耐蝕等性能亦更為優異。
(2)熔覆層稀釋率低,由于激光作用時間短,基材的熔化量小,對熔覆層的沖淡率低(一般僅為5%-8%),因此可在熔覆層較薄的情況下,獲得所要求的成分與性能,節約昂貴的覆層材料。
(3)激光熔覆熱影響區小,工件變形小,熔覆成品率高。
(4)激光熔覆過程易實現自動化生產,覆層質量穩定,如在熔覆過程中熔覆厚度可實現連續調節,這在其他工藝中是難以實現的。
由于激光熔覆的上述優點,它在航空、航天乃至民用產品工業領域中都有較廣闊的應用前景,已成為當今材料領域研究和開發的熱點。
激光熔覆技術應用過程中的關鍵問題之一是熔覆層的開裂問題,尤其是大工件的熔覆層,裂縫幾乎難以避免,為此,研究者們除了改進設備,探索合適工藝,還在研制適合激光熔覆工藝特點的熔覆用合金粉末和其他熔覆材料。
二、激光熔覆工藝方法
激光熔覆工藝方法有兩種類型:
1、二步法(預置法)
該法是在激光熔覆處理前,先將熔覆材料置于工作表面,然后采用激光將其熔化,冷凝后形成熔覆層。預置熔覆材料的方式包括:
(1)預置涂覆層:通常是應用手工涂敷,為經濟、方便、它是用粘結劑將熔覆用粉末調成糊狀置于工件表面,干燥后再進行激光熔覆處理。但此法生產效率低,熔覆厚度不一致,不宜用于大批量生產。
(2)預置片:將熔覆材料的粉末加入少量粘結劑模壓成片,置于工件需熔覆部位,再進行激光處理。此法粉末利用率高,且質量穩定,適宜于一些深孔零件,如小口徑閥體,采用此法處理能獲得高質量涂層。
2、一步法(同步法)
這是在激光束輻照工件的同時向激光作用區送熔覆材料的工藝,它又有兩種方/法。
同步送粉法:使用專用噴射送粉裝置(見圖)將單種或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光掃描速度即可調整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對激光的吸收率大,熱效率高,可獲得比其他方法更厚的熔覆層,容易實現自動化。國外實際生產中采用較多。
同步送絲法:此法工藝原理雖與同步送粉法相同,但熔覆材料是預先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費材料,更易保證熔覆層的成分均勻性,尤其是當熔覆層是復合材料時,不會因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質量,且通過對絲材進行預熱的精細處理可提高熔覆速率。但是絲材表面光滑,對激光的反射較強,激光利用率相時較低;此外,線材制造過程較復雜,且品種規格少。

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