镍基合金在激光熔覆再制造中的应用研究综述
2021-08-17
来源:步旅网
第4期 2017年4月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 263 镍基合金在激光熔覆再制造中的应用研究综述 阿拉法特・买尔旦,鸟日开西・艾依提,金济涛 (新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047) 摘要:激光熔覆技术是一种先进的表面工程技术,与其他常用的表面工程技术相比,具有涂层结合性能好、热影响区 小、可控性高等独特优势,已成为了一种重要的再制造技术,并在矿山、冶金、化工、能源等领域关键零件的再制造中得到 了成功的应用。镍基合金粉末因具有很好的耐磨性、耐蚀性、抗热疲劳性等特点,是在再制造工程中应用十分广泛的表面 强化涂层材料。对激光熔覆再制造中利用镍基合金材料进行修复的重要工艺参数、材料、缺陷控制等方面的研究进展进 行了综述分析,并对今后的发展趋势进行了展望。 关键词:激光熔覆;再制造;镍基合金;表面工程 中图分类号:TH16;TH122文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2017)04—0263—03 A Review Of the Application of Nickel-Base Alloy in Laser Cladding Remanufacturing Alafate MAIERDAN,Wurikaixi AIYITI,JIN Ji—tao (School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Xinjiang Urumqi 830047,China) Abstract:Laser cladding is n kind ofadvanced su(ftlEe engineering technology,and become a kind of very important remanufacturingtechnology because it has some distinct dvantaages,such s agood bindingpe咖rm8, e ofcoating,small heat afected zone and high controllability comparedwith other surface engineeringtechnology.Nickel—base alloypowderis a kind fwiodeZy used¥Urfcea strengthened coating material in remanufacturing engineering because it’s abrsiave resistance,stain resistance,thermalfatigue resistance etc.Some important spectas,such s key aprocess,materila and efectds controlling,of the investigation oflasercladdingusingnickel-base cdloy were summar&ed andthe evdelopmentirendisprospected. Key Words:Laser Cladding;Remanufacturing;Nickel-Base Alloy;Surface Engineering 1引言 再制造技术是以废旧机械零部件作为对象,恢复废旧零部 件原始尺寸、并且恢复甚至提升其服役性能的材料成形技术的统 称,是再制造工程的核心fl1。在矿山,冶金,化工,能源等行业中有 很多关键零件因磨损、腐蚀等原因失效的零件可通过再制造技术 修复。与常用的电镀、热喷涂、堆焊等技术相比,激光熔覆因结合 (a)预置粉末 强度高,材料消耗少,热影响区小,涂层稀释率低,冷却速度快,组 织致密等特点,成为一种重要的再制造技术。 1.1激光熔覆的基本原理 激光熔覆能在普通金属基材上制备出商陛能的合金表面,且 不会影响基体性质,能节约贵重稀有金属材料,经济效益很高。其基 本原理是在移动激光束作用下,将金属或陶瓷粉末与基体表面迅速 熔化,依靠自激冷却形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的高 性能表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热等特性。按 熔覆材料的供给方式可分预置粉末和同步送粉方式,如图1所示。 来稿日期:2016—10-03 扫描方向 (b)同步送粉 图1激光熔覆原理 Fig.1 Principle of the laser Cladding 同步送粉激光熔覆操作灵活,稀释率低,送粉均匀,是目前 基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2015211C269) 作者简介:阿拉法特・买尔旦,(1989-),男,新疆伊犁人,硕士研究生,主要研究方向:激光熔覆再制造技术; 乌日开西・艾依提,(1972一),男,新疆喀什人,博士研究生,教授,主要研究方向:3D打印技术与再制造技术 264 阿拉法特・买尔旦等:镍基合金在激光熔覆再制造中的应用研究综述 第4期 激光熔覆主流方式。激光熔覆常用的激光器主要有CO:、半导体、 导致熔池深度减小,影响结合强度,导致涂层易剥落;保护气除防 光纤、碟片激光器等,老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低,维 止粉末倒流,保护汇聚镜片外还有提供隔氧环境防止氧化的作 护繁琐等问题已很少采用。 用。文献吨在不锈钢进行激光熔覆对不同工艺进行了研究。对熔覆 层进行横截面的观察,表明基材熔化体积与热能量的输入和送粉 1.2激光熔覆特点 热能量输入越大,熔池深度大,送粉率的增加使熔覆 激光是高能束热源,熔覆过程中由于移动热源直接作用于 率关系较大,熔覆体积与单因素扫描速度没有很大关系。文献 进行 局部,使熔覆过程的温度场具有动态时变、瞬时不均匀的特点,直 体积增大; 接影响熔覆质量。温度场对变形、应力、金相组织等方面的影响, 激光熔覆工艺实验时得出送粉率的增加时熔覆层宽度基本不变,实线箭头表示强烈影响,虚线箭头表示较弱影响,如图2所示。 图2激光熔覆多场关系 Fig.2 Laser Cladding Field Coupling 温度的动态变化造成了基体及涂层热应力的变化,导致变 形或裂纹,同时也导致了微观组织变化,也会因相变应力的产生 而造成变形和裂纹。可见温度是影响涂层质量的关键因素,这也 是所有激光加工的共性问题。 2激光熔覆工艺研究 影响激光熔覆质量的工艺参数主要有激光功率,送粉率,扫 描速度,载气量等。 2.1激光功率 激光功率是热输入的主要来源。功率高则基体吸收的热量 多,散热慢,熔池变大,涂层高度相对减小。激光要在保证充分熔 化基材与粉末形成冶金结合的同时,还要保证小的稀释率。文献闭 在研究激光功率对横截面表面平整度的影响时发现激光功率增 加表面平整度增加。文献 发现激光功率低时熔覆层有未熔化的 碳化钛,功率较大时碳化钛全部析出,但熔覆层成分不均匀。文献盼 对涂层进行微观分析,涂层表现出典型的包层树状结构,并出现 新相,其原因与激光陕速冷却有关。 2.2扫描速度 熔覆过程是由点(熔池)到线(熔覆线),线到面(涂层)的累 积过程,该过程是激光按照一定的扫描路径进行熔覆实现的。扫 描速度过快则加热时间短,基体吸收的能量少,散热快,熔深及熔 宽都会减小,同时也会影响微观组织,继而影响涂层与基体间的 结合强度,机械陛能等。文献 在研究(5-20)mm/s扫描速率时发 现高的扫描速度更能抵抗应力应变,成型质量比低扫描速度好。 文献【句发现扫描速度增加基体吸收激光能量减小,基体的温度变 化快,涂层的组织细化,硬度也有降低趋势。文献唧f究扫描速度 对涂层组织性能的影响,发现扫描速度增加,涂层组织细小均匀, 性能有较大的提升。 2.3送粉率和气流量 送粉率和气流量是控制粉末流出速度的重要参数。激光穿 透粉末后到达基体,粉末流量太大则激光到达基体的能量减少, 但高度增加。 3镍基合金材料的研究 3.1材料成分 镍基自熔性合金粉末是应用非常广泛的表面强化涂层材料之 一,具有很好的耐磨性、耐蚀性、抗热疲劳性,与铁基材料有很好的 相容性,在能源、采矿、冶金、石油化工等领域的易损零部件的修复 中得到了广泛的应用,也是在激光熔覆中使用的主要材料之一。 镍基合金的激光熔覆常使用镍基合金和其他增强相元素增 加某种性能,如WC,TiC等。Ma等在镍基合金中加入WC,结果 显示激光熔覆的WC变成均匀多边形,增强结合强度,涂层硬度 提高0oi。文献【l】叹寸镍基合金粉末加入不同量的SiC粉末,结果表明 添加SiC颗粒的Ni基合金涂层比单纯的Ni60合金涂层具有较 高的硬度、耐磨性和耐蚀性。文献 研究Ni基WC复合涂层的磨 损摩擦性能发现复合涂层比基体的磨损率大幅降低。用来提升耐 温性的元素有CT,W,Mo等;提升耐蚀性能的元素有Cu,Cr,Mo 等;提高耐磨性的元素有Cr,Mo,W等。 3.2粉末几何参数 粉末颗粒的几何尺寸、形状对涂层质量有影响。文献【,碓研 究管道输送气固二相流模型时,发现粒径不同,与管壁的作用也 不相同,在小直径时气固两相的变化速度规律,但增加到一定值 后因摩擦力变大会有周期性波动变化。文献嗍比较刨花加工制造 和的雾化制造粉末,发现粉末加工方式基本不影响涂层质量,颗 粒直径是重要的参数。文献 对粉末性质对熔覆流场进行研究发 现颗粒直径增大粉末汇聚焦距减小,汇聚浓度在一定粒径范围内 达到最大值,并对椭球状板状不规则多面体形状颗粒进行研究发 现粉末形状由非球形向球形转变时,粉末汇聚浓度逐渐上升。 4缺陷控制研究 裂纹、气孔等是激光熔覆中的常见缺陷,激光熔覆过程的温度 梯度大,从而产生的热应力在凝固过程中的非完全释放引起裂纹; 激光熔覆前若粉末未充分干燥,则涂层会产生气孔,这些缺陷将影 响涂层的性能。文 嘞攒 瞎覆Ni基合金的缺陷进行了分析,发 现缺陷主要有不良熔覆,层间结合不良,形状失真,气孔,宏微观裂 纹等。文献 恻N o_Fe合金进行激光熔覆时涂层发现裂纹,之 后对该基体包覆奥氏体不锈钢网,进行激光熔覆,结果表明不锈钢 网的部分熔化增加了粉末材料和基体的结合密度,裂缝的密度减 小,裂缝数量随不锈钢网直径的增加而减小。文南IcI1日用预置涂层激光 熔覆工艺预先加热基体的方法进行试验,结果表明,通过预热基体 可以减少裂纹,通过降低扫描速度可以减少气孔。 激光熔覆是个复杂的多场耦合过程,激光功率,扫描速度, 送粉率等多种因素共同的影响成形质量,文献[。91对Ni基材料激 No.4 Apr.20i7 机械设计与制造 [J].稀有金属材料与工程,2009,38(S1):325—328. 265 光熔覆进行了磁记忆无损检测分析,发现工艺参数间的变化都会 使疲劳损伤程度增加,且载荷越大,熔覆区域损伤越大。 (Qiu Xing-wu,Li gang,Ren xin.Influence of scanning speed on micmst— 5结论 ncrture nda properties of ni based laser cladding coating[J].Rare Metla Materials and Engineering.2009,38(S1):325—328.) 激光熔覆再制造技术具有涂层稀释度小、组织致密、涂层结 [8]Goodarzi,D.M.,J.Pekkarinen,A.Salminen,Effect of process parameters 合质量好、适合熔覆材料多等特点,应用前景十分广阔。从激光熔 in laser cladding on suhstrate melted areas nd athe substrate melted shape 覆再制造技术的发展来看,今后的研究方向主要集中在涂层的性 能控制与缺陷控制上。 lJj.Journal ofLaserApplications,2015,27(S2):¥29201-1一¥29201-9. [9]黄凤晓,江中浩,张健.激光熔覆工艺参数对单道熔覆层宏观尺寸的影 响[J].热加工工艺,2010,39(18):l19—121. (Huang Feng-xiao,Jiang Zhong-hao,Zhang Jian.Effeets of laser cladding (1)建立工艺参数数据库系统 涂层质量是靠选择合理的工艺参数决定的。通过对工艺参 数与涂层性能间的关系进行深入研究,建立完善的工艺数据库, parameters on maero-xlimensions of laser cladding layer l JJ.Hot Working 才能有效的实现对涂层精度、性能、微观组织等的准确控制,避免 缺陷的发生。 (2)在线监测与反馈及环境控制系统 熔覆过程是动态时变的过程。随着热源的移动,涂层的形 状、温度、组织都在实时发生改变。除了激光功率、扫描速度等关 键工艺因素的影响外,环境因素不容忽视。因此,需要建立在线监 测与反馈及环境控制系统,保持熔覆过程的稳定性,是实现控制 涂层的精度、微观组织的均匀性、避免缺陷等目标的基础。 (3)熔覆过程的数值模拟研究 熔覆过程是多场耦合的复杂过程,若单纯通过大量的实验 来研究各因素间的相互作用关系,会耗费大量的时间和经费。若 采用实验与数值模拟相结合的方式,不但可以显著节约人力、物 力和时间,而且能更加直观、全面地研究相关因素的变化过程,为 确定优化的工艺参数,提供有力的支持。 参考文献 [1]徐滨士,董世运,朱胜.再制造成形技术发展及展望EJ2.机械工程学报, 2012,48(15):96—105. (Xu Bin-shi,Dong Shi-yun,Zhu Sheng.Prospects and developing of re— manufacture forming technology[J]Journal of Mechanical Engineering, 2012,48(15):96-105.) [2]朱刚贤,张安峰,李涤尘.激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影 响[J].中国激光,2010,37(1):296—301. (Zhu Gang-xian,Zhang An-feng,Li Di-chen.Effect ofprocess parameters on surface smoothness in laser cladding[J].Chinese Journal of Lasers, 2010,37(1):296—301.) [3]贺长林,陈少克,周中河激光熔覆工艺对镍基碳化钛熔覆层组织的影 响[J].金属热处理,2014,39(7):69-69. (He Chang—lin,Chen Shao—ke,Zhou Zhong—he.Effect of laser cladding process on microstrueture of nickel—based titanium carbide layer[J]. Heat Treatment ofMetals,2014,39(7):69-69.) [4]G_Buza,VJan6,M.Svr&tOn the possible mechanisms of oprosity format— ion during laser melt injection(LMI)technology[C].Materilas Science Forum,6th Hungarian Conference on Materials Science,Siofok,Hunga- ry:Trans Tech Publications Ltd.,2008(589):79—84. [5]Chen J L,Li J,Song R.Effect of the scanning speed on microstnrctural evolution and wear behaviors of lsaer cladding NiCrBSi composite coat- ings[J].Optics&Laser Technoloyg,2015(72):86-99.. [6]赵兵,路远航,李章.低碳钢表面激光熔覆Ni60合金的工艺及性能[J]. 金属热处理,2014,39(7):219—219. (Zhao bin,Lu Yuan—hang,Li Zhang.Cladding parameters and properties of Ni60 laloy cladded on low carbon steel by laser[J].Heat Treatment of Metals,2014,39(7):219-219.) [7]邱星武,李刚,任鑫.扫描速度对激光熔覆Ni基涂层组织性能的影响 Technology,2010,39(18):119-121.) [10]刘武,毛杰勇,任勇.Ni60 A含量对激光再制造试件力学性能的影响 [J1].机械研究与应用,2014,27(1):54—56. (Liu Wu,Mao Jie-yong,Ren Yong.Influence of Ni60A on mechanical properties of specimens by laser remanufacturing[J].Mechanical Rese— rach and Application,2014,27(1):54—56.) [1 1]Ma Q,Li Y,Wang J.Homogenization of carbides in Ni60/WC composite coatings made by fiber laser remehing[J].Materials&Manufacturing Processes,2015:30. [12]戴晟,左敦稳,黎向锋.2738模具钢表面激光熔覆Ni基WC复合涂 层的摩擦磨攒陛能[J].吉林大学学报:工学版,2012,42(4):924—929. (Dai Cheng,Zuo Dun-wen,Li Xiang-feng.Friction and wear behavior 0f Ni—based WC composite coating on mould steel 2738 prepared by laser cladding[J].Journal of Jilin University:Eng and Tecbnol Ed, 2012,42(4):924—929.) [13]林金贤,林棋,娄晨.气固两相流管道流动阻力特性数值模拟[J].油 气储运,2014(1):32-41. (Lin Jin-xian,Lin Qi,Lou Chen.Numerical simulation of lfow drag ch— raacteristics of gsa-solid two-phase lfow in pipeline[J].Oil&Gas Stor- age and Transportation,2014(1):32—41.) l14』Pinkerton A J,Mahmood K.Direct lsaer deposition with different types of 316L steel particle:A comparative study of ifnal part properties[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture,2013,227(4):520—531. [15]刘吴,虞钢,何秀丽.粉末性质对同轴送粉激光熔覆中粉末流场的影 响规律[J].中国激光,2013,40(5):97—105. (Liu Hao,Yu Gang,He Xiu-li.E ct of powder properties on the convergence of powder stream in coaxial laser cladding[J].Chinese Journal ofLasers,2013,40(5):97—105.) [16]郭华锋,李志,熊永超.激光熔覆成形Nj基合金层的缺陷分析及控制 [J].热加工工艺,2008,37(19):126—129. (Guo Hua-feng,Li Zhi,Xiong Yong-chao.Analysis and control of ni- base alloy coating defect fomred by laser cladding[J].Hot Working Te- chnology,2008.37(19):126-129.) [17 J Wang F,Mao H,Zhang D.The crack control during lsaer cladding by adding the stainless steel net in tIle c0ating[J]Applied Surface Science, 2009,255(21):8846-8854. [18]Wang D,Tian z,Shen LPreparation and characterization of nanostruc— tured A1203—13wt.%TiO2 cermaic coatings by plsama spraying[J]. Chinese Journal of Rare Metla,2009,28(5):465—47O. [19]华亮,田威,廖文和.疲劳载荷作用下激光熔覆试件磁记忆试验研究 [J].机械设计与制造,2014(8):186—189. (Hua Liang,Tian Wei,Liao Wen-he.Experimentla study of laser cladd- ing specimen under fatigue load by magnetic methods[J].Machinery Design&Manufacture,2014(8):186—189.)