激光熔覆是以高能量密度的激光為熱源在基體材料表面熔覆合金實(shí)現(xiàn)熔覆層與金屬基體冶金結(jié)合的技術(shù)。激光熔覆技術(shù)控制精度高、輸出功率恒定、沒有電弧接觸固熔池大小深度一致性好。并且激光熔覆具有效率高、熱輸入集中、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)是一種很有發(fā)展前景的金屬表面改性技術(shù)。但因其冷卻速度較快在熔覆層中易產(chǎn)生缺陷。熔覆層中的缺陷主要有裂紋、孔隙、固體夾雜、未熔合、形狀缺陷等�；趪�(guó)內(nèi)外對(duì)熔覆層中缺陷的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)熔覆層影響最大的是孔隙和裂紋。通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究者們發(fā)現(xiàn)了孔隙、裂紋的形成原因,并通過(guò)改變加工工藝和粉末類型成功的減少了孔隙、裂紋的產(chǎn)生。本文從激光熔覆層中孔隙、裂紋兩個(gè)缺陷出發(fā),歸納了孔隙的生成原因及擴(kuò)散方式,并從加工工藝、粉末材料出發(fā)總結(jié)了孔隙的抑制方法。其次說(shuō)明了裂紋的產(chǎn)生原因,描述了幾種影響裂紋產(chǎn)生的因素,總結(jié)了減少裂紋的加工工藝和一些輔助措施。最后指出了目前激光熔覆層缺陷研究中尚未解決的問(wèn)題并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：功能材料. 2020,51(06)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

鎖孔坍塌和氣泡形成的瞬態(tài)過(guò)程[20]

氣孔孔隙一般分為氫氣孔、氮?dú)饪缀鸵谎趸細(xì)饪�。氫氣孔是由于基體的汽化、孔的徑向生長(zhǎng)和熔化區(qū)的快速膨脹產(chǎn)生的[17]。Huang等[18]模擬了氫氣孔的生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)只要液態(tài)金屬中的氫含量高于界面處的氫含量氫就會(huì)保持從液態(tài)金屬擴(kuò)散到氣孔中驅(qū)動(dòng)氣孔生長(zhǎng)。增加界面處的氫含量以及減小氣孔的表面面積可以減緩氫擴(kuò)散到氣孔中,可抑制氣孔的生長(zhǎng)。氮?dú)饪椎漠a(chǎn)生是因?yàn)閲娮炜诘谋Ｗo(hù)氣體形態(tài)由層流變?yōu)槲闪魇箍諝鈹囘M(jìn)保護(hù)氣體中,氮?dú)庠谀虝r(shí)來(lái)不及外逸而殘存焊縫內(nèi)部。一氧化碳?xì)饪资窃谌鄹矔r(shí)碳與氧氣結(jié)合產(chǎn)生的。Mizuki等[19]通過(guò)對(duì)比灰鑄鐵和球墨鑄鐵發(fā)現(xiàn)碳含量對(duì)于CO氣孔的產(chǎn)生沒有太大的影響。通過(guò)SEM圖像和EDS映射圖像分析得出:CO氣孔的產(chǎn)生是基體中的Si、Mn與O發(fā)生反應(yīng)生成SiO2、MnO,C再與SiO2、MnO反應(yīng)生成CO氣孔。鎖孔是由于激光沖擊產(chǎn)生的熔池塌陷使熔池中的空氣或保護(hù)氣體無(wú)法溢出而形成的孔隙,一般發(fā)生在鋁合金的激光熔覆中。Pang等[20]通過(guò)數(shù)值模擬分析三維鎖孔的不穩(wěn)定性、熔池動(dòng)力學(xué)和孔隙形成規(guī)律,圖2顯示了在1.2 kW的激光功率和3.7 m/min的熔覆速度下鎖孔塌陷和氣泡形成的瞬態(tài)過(guò)程。由于鋁合金表面的激光熔覆具有更快的凝固速度和更長(zhǎng)的逃逸距離,氣體難以從熔池中逸出更容易被凝固界面捕獲產(chǎn)生鎖孔。

鎖孔的運(yùn)動(dòng)與小鎢顆粒的運(yùn)動(dòng)非常相似,Matsunawa[21]在熔池中放置了直徑為0.1～0.4 mm的小鎢顆粒,通過(guò)追蹤小鎢顆粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)觀察熔池中金屬的流動(dòng)。如圖3所示,許多大氣泡不能通過(guò)浮力上浮而是被液態(tài)金屬流夾帶并被截留在凝固壁上形成鎖孔。在鋁合金表面的激光熔覆中鎖孔后面的流體流動(dòng)越劇烈,深寬比越大,鎖孔越不穩(wěn)定,越容易坍塌形成氣泡 [22]。鎖孔的不穩(wěn)定性與鎖孔壁上的凸起行為密切相關(guān),反沖壓力、表面張力和流體流動(dòng)的沖擊壓力周期性地驅(qū)動(dòng)凸起向下使鎖孔塌陷并且導(dǎo)致在鎖孔的中心部分或尖端附近形成孔隙 [23]。在激光熔覆時(shí)若噴嘴移動(dòng)速度較快粉末會(huì)因未熔合而產(chǎn)生孔隙,特別是在靠近基體的熔覆層中。噴嘴的高速橫向移動(dòng)需要足夠的激光功率,以便完全熔化粉末并獲得致密的熔覆層[24]。Wu等[25]在低功率熔覆中發(fā)現(xiàn)多孔熔覆層與粉末的不完全熔化有關(guān),該熔覆層由松散結(jié)合的顆粒組成,這些顆粒熔合在一起形成互連孔隙。Tang等[26]通過(guò)仿真模型來(lái)預(yù)測(cè)未熔化材料的體積分?jǐn)?shù),模擬正確地預(yù)測(cè)了孔隙率變大的工藝條件以及孔隙率隨著工藝條件的變化而增加的速率。通過(guò)該模型可以預(yù)測(cè)不同材料的基體產(chǎn)生未熔合孔隙的工藝條件,該模型的預(yù)測(cè)縮小了實(shí)驗(yàn)的范圍減少了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。


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