同轴激光熔覆工艺条件分析.doc

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1、同轴激光熔覆工艺条件分析U.deOliveira,V.Ocelı´k,J.Th.M.DeHosson*DepartmentofAppliedPhysics,MaterialsScienceCentreandNetherlandsInstituteforMetalsResearch,UniversityofGroningen,Nijenborgh4,9747AGGroningen,TheNetherlandsReceived14March2004;acceptedinrevisedform25June2004

2、Availableonline13August2004摘要通过同轴激光熔覆使钢基体上形成密集的镍基涂层所使用的Nd:YAG两千瓦连续激是来自于理论和实验的角度的研究。理论分析集中在激光照射和粉末粒子通过简单的热转递模型到达基板。这种方法提供了准确预测激光功率分别对融化的粉末粒子和基板的要求。一份合适的关于涉及主要过程参数·方法的实验分析是基于对一个逐渐改变的单个过程参数的检查。主要工艺参数和个人激光轨道几何特征的相关性已被发现并进行了讨论。D2004ElsevierB.V.Allrightsreserved

3、.关键词：激光熔覆；Nd-YAG激光；加工；同轴1.简介激光熔覆技术允许沉积物在基材上形成厚厚的保护膜。这个进程可以描述为通过熔覆高能量激光照射热源的基板表面来添加一种材料。每一步形成的覆盖厚度通常是50微米到2毫米。一旦需要一个更厚的保护层，这一步骤可以再次实施。激光熔覆过程可有三种不同的方法执行。使用预先放置粉末，覆盖材料应用于浆料[1,2]的形式。这一过程通常是一个小型加工窗口，费时并且有时也难以适应复杂的几何形状。其次,覆盖材料可通过电解被递送到熔池。这个过程是很难控制的,往往导致高稀释率。最后,用

4、粉末注射的激光熔覆技术是一个很有吸引力的方法也本文的主题。在这个过程中，载气是用来在一个步骤中当激光扫掠基板表面形成一个适合单个覆盖厚度的熔池时在激光束下来形成一股粉末流。当单个的轨道连续地一个挨一个的出现时就可以形成一个完全的稠密层。这个过程需要的最低表面处理并且需解决复杂的几何应用问题。有两种送粉方式：从一个侧面或激光束同轴，见图1侧面熔覆技术已经广泛的在以前的作品中描述[1,3]。当粉末注射流从激光束离轴，基板运动方向的改变会导致完全不同的局部熔覆条件。当粉末流注入从激光束偏离,改变的基质导致完全不同

5、的运动方向当地层条件。例如,一个所谓的“bagainsthill”熔覆条件时发生在当粉末流来自于基质一动的一侧时。在这种情况下,覆盖粉末只是暂时的被困在溶液轨道和平坦的基板之间形成的角落里。这导致比所谓的“overhill”覆盖结构更高的粉末效率，当粉末是来自相对的一边。图1.同轴(左)和侧轴(右)激光熔覆装置在移动基板上的比较当粉末流与激光束同轴提供时，对在一个平面垂直于基板的激光束运动的所有方向是等价的。同轴激光熔覆过程对于覆盖层的指令是如此的独立。因此，有可能产生同样的独立于工件的运动方向的工作部分。

6、这种同轴激光熔覆技术的优势被应用于3D设计中零件的形成。激光熔覆技术的操作窗口是依据激光功率P,扫描速度S和送分率F.然而一些额外的工艺参数例如激光束斑点的大小，激光束能量的分配，数量和保护气体和运载气体的种类尺寸，速度，和送粉方向等，都有重要的作用。由于涉及的相互作用（激光束/粉末，激光束/基材，粉末流/熔池，粉末流/固体基板，等。）和物理现象（块和热的专递，液体流动，相位信息等。）一个完整的带有送粉的激光熔覆技术说明书是相当复杂的。虽然某些物理模型[6-8]中描述的熔覆特性的有用的个体加工参数的影响，实

7、验考试的窗口和工艺参数之间的复合特性和工艺参数统计关系搜索仍在探索必要新的涂料。从实际角度来看，这是适当的引入两个新的工艺参数，即参数P/S，它刻画了每单位长度的激光跟踪提供的能量，而参数F/S的对应的新的材料提供单位长度的激光跟踪。覆盖粒子别发射到激光束中的时间取决于主要由运载气体流量控制的速率Vp。因此通常以运载气体在喷嘴口出的速度作为粒子速率的最大值。单激光轨道可放射在相当宽泛的操作窗口中。一个完整的包覆层是由一个侧面并排单曲连续沉积。然而，如果要建立一个最佳的被覆层（良好结合的，厚，致密，无裂缝）单

8、曲应履行一定的几何特征，它可以在一个特定的加工窗口实现。在本文中，一对同轴激光熔覆过程的理论和实验研究，提出了旨在了解同轴包层之间的主要参数和个人激光激光轨道几何特征和理解的过程关系的基本概念。2.实验在我们的调查中，以平均颗粒大小为60Am的镍铬基合金粉19ESulzer-Metco，和60毫米直径的C45低合金钢棒为基质进行研究。这两个材料的化学成分如表1所示。研究的主要熔覆轨道参数激光的影响，我们采用了分级