【摘要】：激光表面加工技術(shù)近十年內(nèi)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用,激光送絲熔敷成形技術(shù)是激光表面加工技術(shù)的一種,由于其成形效率高、冷卻速度快、組織成形好、熱輸入變形小、生產(chǎn)過程無污染、制造柔性化程度高等優(yōu)勢廣泛應用于表面處理、增材制造等工業(yè)應用中。然而,盡管激光送絲熔敷成形技術(shù)有廣闊的發(fā)展前景,但相關(guān)研究在國內(nèi)起步晚,發(fā)展慢,尤其是相關(guān)熔敷成形設備開發(fā)、工藝研究經(jīng)驗、組織性能關(guān)系上均和國外有不少差距。在此基礎(chǔ)上,本文以激光送絲熔敷成形技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵點為核心進行深入研究,自主設計開發(fā)完成光內(nèi)同軸送絲激光熔敷頭的制造,搭建出適合于復雜激光送絲熔敷成形應用需求的兩套專用試驗平臺;采用316L不銹鋼焊絲以及Inconel 625焊絲兩種材料在316L不銹鋼基材上進行了激光送絲熔敷成形基礎(chǔ)試驗研究,探索316L不銹鋼表面強化、修復應用的可行性,針對成形層/件試樣進行工藝、形貌、組織、性能的多方面研究;最終總結(jié)試驗工藝窗口,基于激光送絲熔敷成形專用試驗平臺,采用激光送絲熔敷成形工藝在316L不銹鋼基材上制備強化以及修復應用成形層/件,為激光送絲熔敷成形技術(shù)的實際應用提供理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗。主要研究結(jié)論總結(jié)如下:(1)歸納了高質(zhì)量、高精度的激光送絲熔敷成形需求,以此為基準首先采用課題組原本具備的設備條件搭建了基于旁軸送絲的激光熔敷成形試驗平臺。其次,結(jié)合國內(nèi)外研究開發(fā)經(jīng)驗,總結(jié)了光內(nèi)同軸送絲技術(shù)的特點與研究近況,自主設計了基于四分光光路的光內(nèi)同軸送絲激光熔敷頭,通過光路分析、設備改造驗證了該激光頭滿足高精度、高效率、全方位的激光送絲熔敷成形需求。以此激光熔敷頭為基礎(chǔ),設計并搭建了基于同軸送絲的激光熔敷成形試驗平臺。(2)通過工藝優(yōu)化,采用316L不銹鋼焊絲在316L不銹鋼基材上制備了無氣孔、缺陷,均勻平整的成形層/件。當選用合適的工藝參數(shù)(較小的熱輸入和較大的送絲速度)時,多層單道成形件成形高度較高,表側(cè)面平整,層間高度均勻統(tǒng)一,微觀上主要表現(xiàn)為胞狀、網(wǎng)狀的均勻細小奧氏體晶粒組織。熔池凝固過程中,液態(tài)金屬凝固冷卻速度大,成形件呈現(xiàn)出全奧氏體凝固模式,受重結(jié)晶影響,成形件相組成主要為奧氏體,細小的鐵素體在奧氏體二次晶粒晶界析出。力學性能上,成形件中部顯微硬度均勻且較高,成形件沿熔敷方向拉伸強度達到669MPa,遠超過了基板,端口形貌韌窩均勻細小,證明其優(yōu)異的力學性能。(3)Inconel 625合金具有高強度、高抗腐蝕性的特點,與鐵基材料具有良好的互溶性,廣泛應用于鐵基材料的表面強化應用中。通過工藝優(yōu)化,采用Inconel 625焊絲在316L不銹鋼基材上制備了無缺陷的Inconel 625合金強化成形層/件,成形層試樣呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu),分別為成形層區(qū)、結(jié)合區(qū)以及基材區(qū)。其中,成形層區(qū)由底部少量胞狀晶、中部大量柱狀枝晶以及頂部少量等軸晶所組成,結(jié)合區(qū)沿著熔合線分布,按照組織成形不同可以進一步細分為胞狀晶區(qū)及半熔化區(qū)。其中,元素過渡主要發(fā)生在胞狀晶區(qū),而半熔化區(qū)中存在著大量析出的不同形狀的細小δ鐵素體以及少量類似空隙的細小缺陷,引起該區(qū)域硬度與塑性模量降低。此外,成形件的拉伸性能相比結(jié)合區(qū)更為優(yōu)異,而結(jié)合區(qū)的拉伸強度相比基材更好,尤其是在高溫條件下,基材區(qū)的拉伸性能遠遠差于成形件區(qū)與結(jié)合區(qū)。而在Na Cl及H2SO4兩種不同電解液條件下,成形件與結(jié)合區(qū)試樣均表現(xiàn)出了遠高于基材的優(yōu)異的抗腐蝕性能,證明了合金強化成形件優(yōu)異的性能以及與基材良好的冶金結(jié)合效果。(4)通過工藝優(yōu)化,采用碳化鈦(Ti C)粉末顆粒作為熔敷強化輔料,在316L不銹鋼基材上成功制備了Ti C+Inconel 625復合材料成形層。當采用較大熱輸入以及較小送絲速度時,添加的Ti C強化顆粒能夠充分的彌散并且均勻分布在熔池中,此時,Ti C顆粒仍然保持未熔化的顆粒狀,Laves相在附近邊界處富集。受異質(zhì)形核的影響,熔池中γ相奧氏體晶粒得到明顯的細化,晶粒形狀不再保持原有的二次枝晶形貌,生長方向不明顯。此外,Ti C+Inconel 625復合材料成形層的顯微硬度以及拉伸強度均明顯高于上一章純Inconel 625合金強化成形件,在Na Cl及H2SO4兩種不同電解液條件下同樣展現(xiàn)了出眾的抗腐蝕性能,證明了復合成形層更為優(yōu)異的性能。(5)采用基于同軸送絲的激光熔敷成形試驗平臺進行了激光熔敷成形技術(shù)應用試驗,采用316L不銹鋼焊絲分別完成了50層墻體成形件,40層彎曲墻體成形件,5×5塊體成形件的熔敷成形試驗,得到的成形件均結(jié)構(gòu)完整,表面光滑平整,微觀組織成形良好,完成了基于同材料的激光送絲熔敷成形修復應用試驗;采用Inconel 625焊絲完成了單層多道Inconel 625合金強化成形層的制備,得到的成形層表面光滑平整,與基材冶金結(jié)合良好,無明顯缺陷,完成了基于Inconel625的激光送絲熔敷成形強化應用試驗。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG665

【參考文獻】

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本文編號：2613806