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      一文了解什么是激光熔覆技術及其特點和應用
      材料來源:機械工程師           錄入時間:2023/9/28 23:12:29

      激光熔覆技術是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料,經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層,從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的工藝方法。

      激光熔覆技術是一種經濟效益很高的新技術,它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質,降低成本,節約貴重稀有金屬材料。

      應用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器,主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器。

      激光熔覆技術的工藝特點

      激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現自動化控制,激光能量吸收率高,無內部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能,使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分布等優點。

      1、激光熔覆具有以下特點:

      (1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等。

      (2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合,通過對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控。

      (3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內。

      (4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金。

      (5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm。

      (6)能進行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比。

      (7)光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷。

      (8)工藝過程易于實現自動化。很適合油田常見易損件的磨損修復。

      2、激光熔覆與激光合金化的異同

      激光熔覆與激光合金化都是利用高能密度的激光束所產生的快速熔凝過程,在基材表面形成于基體相互融合的、具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者工藝過程相似,但卻有本質上的區別,主要區別如下:

      (1)激光熔覆過程中的覆層材料完全融化,而基體熔化層極薄,因而對熔覆層的成分影響極小,而激光合金化則是在基材的表面熔融復層內加入合金元素,目的是形成以基材為基的新的合金層。

      (2)激光熔覆實質上不是把基體表面層熔融金屬作為溶劑,而是將另行配置的合金粉末融化,使其成為熔覆層的主題合金,同時基體合金也有一薄層融化,與之形成冶金結合。激光熔覆技術制備新材料是極端條件下失效零部件的修復與再制造、金屬零部件直接制造的重要基礎,收到世界各國科學界和企業的高度重視。

      激光熔覆效果的評價

      評價激光熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。

      研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法以及熔覆層與基體之間的結合力等。

      激光熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:

      (1)激光熔覆技術在國內尚未完全實現產業化的主要原因是熔覆層質量的不穩定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s.由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異,可能在熔覆層中產生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。

      (2)光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。

      (3)激光熔覆層的開裂敏感性,仍然是困擾國內外研究者的一個難題,也是工程應用及產業化的障礙,雖然已經對裂紋的形成擴進行了研究,但控制方法方面還不成熟。

      激光熔覆技術的應用

      激光熔覆加工技術的適用范圍和應用領域非常廣泛,幾乎可以覆蓋整個機械制造業。

      目前已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基和鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。

      激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度,熱穩定性好,化學穩定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。

      下面是激光熔覆技術的幾處典型應用:

      1、礦山設備及其零部件的制造與再制造

      礦山煤機設備用量大、磨損快,由于其工作環境惡劣,零部件損壞速度比較快。激光制造與再制造的煤機設備零部件包括:三機一架。

      (1)采煤機:主機架、搖臂、齒輪、齒輪軸、各種襯套、鉸接架、油缸、油缸座、導向滑靴、鏈輪、銷軌輪、驅動輪、截齒等。

      (2)掘進機:油缸、支架、軸、各種襯套、截齒等。

      (3)刮板運輸機:中部溜槽、過渡槽、齒輪箱體、齒輪、齒輪軸、螺旋傘齒輪、軸類零件等。

      (4)液壓支架:油缸、底座和支架等的鉸接孔、各種襯套等。

      2、電力設備及其零部件的制造與再制造

      電力設備分布量大、不間斷運轉,其零部件的損壞機率高。汽輪機是火力發電的核心設備,由于高溫高熱特殊的工作條件,每年都需定期對損傷的機組零部件進行修復,如主軸軸徑、動葉片等。燃氣輪機由于其在高達1300℃的高溫條件下工作,經常會發生損傷。采用激光再制造技術將其缺陷全部修復完好,恢復其使用性能,費用僅為新機組價格的1/10。

      電機轉子軸激光熔覆

      3、石油化工設備及其零部件的制造與再制造

      現代的石化工業基本上采用都是連續大量生產模式,在生產過程中,機器長時間在惡劣的環境下工作,導致設備內元件出現損壞,腐蝕、磨損,其中經常會出問題的零部件包括閥門、泵、葉輪、大型轉子的軸頸、輪盤、軸套、軸瓦等,而且這些元件十分昂貴,涉及到的零部件種類也有很多,形狀大多數都很復雜,修復起來有一定的難度,但是因為激光熔覆技術的出現,這些問題就都不是問題了。

      激光熔覆石油鉆桿、鉆具等硬陶瓷涂層

      4、鐵路設備及其零部件的制造與再制造

      鐵路交通運輸隨社會經濟的增長快速發展,新造鐵路車輛需求量非常大,對主要零部件的數量和性能要求也在增加。再制造技術作為一種新的資源再利用技術,可以應用于車輛易磨損零件的再制造。而激光表面強化是再制造的核心技術和工藝手段,其中激光表面熔覆技術可以應用于再制造零件表面的修復和強化。

      5、其他機械行業設備關鍵零部件的再制造

      其它機械制造業的關鍵零部件的再制造,涉及的行業包括冶金、石化、礦山、化工、航空、汽車、船舶和機床等領域,針對這些領域中的精密設備、大型設備、貴重零部件磨損、沖蝕、腐蝕部位,使用激光熔覆加工技術進行修復和性能優化。

      激光熔覆的高耐磨性煉鋼連鑄輥

      轉自:金屬加工

      來源:機械工程師

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