【摘要】：為了克服純銅表面激光熔覆時熱量難以積聚的困難,得到冶金結(jié)合良好的Ni60熔覆層,采用預(yù)熱輔助脈沖激光熔覆的方法,在純銅表面進(jìn)行了Ni60合金粉末的熔覆實(shí)驗(yàn),并建立了純銅表面預(yù)熱輔助脈沖激光熔覆過程的3維瞬態(tài)熱彈塑性模型,對溫度場及殘余應(yīng)力進(jìn)行了仿真。預(yù)熱溫度達(dá)到573K時,Ni60熔覆層中裂痕完全消除;預(yù)熱溫度為673K時,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;預(yù)熱輔助脈沖激光熔覆得到的Ni60熔覆層平均硬度達(dá)到800HV0.2;常溫下,Ni60熔覆層與ASTM52100鋼相對耐磨性為4.45,摩擦系數(shù)約是銅和ASTM 52100鋼的57%。結(jié)果表明,隨著預(yù)熱溫度的升高,Ni60熔覆層中裂紋減少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆層有效地提高了表面硬度,減小了摩擦系數(shù)。通過預(yù)熱輔助脈沖激光熔覆技術(shù),在純銅表面制備得到無裂紋、無氣孔的Ni60熔覆層,可有效地提高銅基材的硬度與耐磨性。
【圖文】：

fNi60powderw(C)w(B)w(Si)w(Cr)w(Fe)w(Ni)0．007～0．0110．030～0．0400．035～0．0500．150～0．170≤0．05balance脈沖激光器，激光光斑半徑為0．6mm，激光脈寬為10ms，激光頻率為10Hz，激光平均功率為750W，峰值功率為7500W;激光光束掃描速率為5mm/s，送粉速率為0．46g/s，基材預(yù)熱溫度為573K或873K。采用同軸送粉的方法，使用氬氣將Ni60粉末從噴嘴吹入熔池內(nèi)，噴嘴距離熔池的距離為20mm。硬度檢測及磨擦磨損性能檢測采用的試樣通過多道熔覆制成，搭接率為33%。Fig.1Schematicgraphoflasercladdinginstruments圖2是根據(jù)上述工藝參量在銅表面得到的Ni60熔覆層試樣。圖2a是預(yù)熱溫度分別為293K，473K，673K，873K，1073K時得到的單道激光熔覆試樣;圖2b是預(yù)熱溫度為573K下的多道熔覆試樣，熔覆層厚度為2mm。Fig.2SamplesofNi60coatingdepositedonpurecopperbylasercladdinga—singletrackb—multi-track實(shí)驗(yàn)中得到的Ni60熔覆試樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)金相處理后，使用王水腐蝕30s～40s后，采用ZEISSAxioLab．A1型光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。熔覆層的硬度測量采用HVS-1000型維氏顯微硬度計(jì)，負(fù)載為200g，負(fù)載保持15s。熔覆層的室溫摩擦磨損性能測量采用BＲUKEＲUTM-TriboLab型摩擦實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試，采用點(diǎn)面接觸式往復(fù)摩擦的方法，上摩擦副為直徑為6．35mm的Si3N4陶瓷材料磨球，磨球與Ni60熔覆層進(jìn)行往復(fù)摩擦，加載負(fù)載45N，往復(fù)速率10mm/s，時間3h，總距離108m。使用ASTM52100鋼作為實(shí)驗(yàn)對比材料，測試實(shí)驗(yàn)均在293K(室溫)下進(jìn)行。采用精度為0．1mg的天平對每次試驗(yàn)的磨損量進(jìn)行稱重，計(jì)算相對磨損量，從而計(jì)算出熔覆層的耐磨性能。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文中對純銅表面預(yù)熱輔助脈沖激光熔覆Ni60合金粉末的過程進(jìn)行了有限元

熱溫度升高，熔池冷卻速率降低，晶粒的生長時間更長，因此晶粒尺寸更大。3．2預(yù)熱溫度對熔覆層尺寸和激光熔覆加工效率的影響圖9為不同預(yù)熱溫度下的熔池的寬度與深度仿真值，隨著預(yù)熱溫度的升高，熔池的深度和寬度增加，預(yù)熱溫度為873K時，熔覆層深度為單純采用激光熔覆深度的2倍左右。這是因?yàn)榛念A(yù)熱溫度提高后，熔覆區(qū)域溫度梯度下降，熱量擴(kuò)散速度減慢，使得熔池的尺寸變大，這就克服了銅的熱導(dǎo)率過大導(dǎo)致熱量難以積聚的困難。Fig.9Simulatedwidthanddepthofsinglecladunderdifferentpreheatedtemperatures圖10為實(shí)驗(yàn)得到的不同送粉速率vp下，熔覆層高度和寬度隨預(yù)熱溫度的變化曲線。從圖中可以看出，增加預(yù)熱溫度可以有效地提高熔覆層的寬度與高度，預(yù)熱溫度為873K時，，熔覆層深度為單純采用激光熔覆高度的2倍左右，與熔覆層深度的仿真結(jié)果一致。原因主要是預(yù)熱溫度升高后，熔池的尺寸變大，同時熔池存在的時間變長，因此在熔覆過程中能夠夠吸收熔化更多的粉末，從而使熔覆層的寬度與高度增加。在激光的掃描速率相同情況，本文中將熔覆層寬度與高度的乘積作為激光熔覆效率的標(biāo)準(zhǔn)，見下:Fig.10Measurementheightandwidthofsinglecladunderdifferentpowderratesandpreheatedtemperaturesη1η2=W1·H1W2·H2(3)式中，η1，η2分別為兩次熔覆的熔覆效率，W1和W2分別為兩次熔覆的熔覆層寬度，而H1和H2分別為兩次熔覆的熔覆層高度。在此定義下，根據(jù)圖10中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與不預(yù)熱相比，在預(yù)熱溫度分別為473K，673K，873K和1073K情況下，激光熔覆效率分別提升了0．6倍、2．2倍、3．1倍、3．6倍。因此感應(yīng)預(yù)熱有效地提升了脈沖激光熔覆的效率。3．3預(yù)熱溫度對熔覆層裂?
【作者單位】： 華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院激光加工國家工程研究中心;
【分類號】：TG174.4

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本文編號：2522947