1 緒論

眾所周知，TC4 鈦合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度、好的耐腐蝕性能和高低溫性能以及良好的生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在航空航天、石油化工、汽車、醫(yī)療和體育等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[1]。尤其是在對(duì)耐高溫性和推重比要求極高的國防航空武器裝備的研發(fā)和制造過程中，TC4 合金占有非常大的比重，發(fā)揮了重要的主導(dǎo)作用。隨著科學(xué)技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，TC4 合金良好的生物相容性也促進(jìn)了其在人體骨骼的制造材料中的廣泛應(yīng)用，德國開發(fā)的 TC4 合金脛骨和韓國制造的 TC4 合金義齒得到了廣泛推廣和應(yīng)用，市場(chǎng)占有量逐年增長[2]。 TC4 合金屬于 α+β 型鈦合金，雖然具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能和綜合機(jī)械性能，但是其存在耐磨性差、硬度低、摩擦系數(shù)大等缺點(diǎn)，使得 TC4 合金零件在惡劣的工作環(huán)境中極易出現(xiàn)表面擦傷和腐蝕，尤其在作為薄壁零件的加工材料時(shí)，極易出現(xiàn)斷裂和表面裂紋[3-5]。TC4 合金材料的缺點(diǎn)使其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性難以保障，因此嚴(yán)重限制了其在高強(qiáng)度零件和薄壁零件領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方法 

2.1  實(shí)驗(yàn)條件

進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)和激光自熔實(shí)驗(yàn)之前，首先將實(shí)驗(yàn)室空調(diào)和空氣濕度機(jī)打開，將空調(diào)溫度調(diào)至 25℃，濕度調(diào)至 60%rh。在此狀態(tài)下保持 2h。從實(shí)驗(yàn)開始至熔覆和自熔試樣完全冷卻，空調(diào)和濕度機(jī)要一直保持工作狀態(tài)。金相試樣制備設(shè)備是用來制作金相試樣包括切割、鑲嵌和拋光等工序，主要有金相切割機(jī)、磨拋機(jī)和金相試樣鑲嵌機(jī)；金相試樣分析設(shè)備主要是用來測(cè)試試樣的微觀硬度，觀察試樣微觀組織形態(tài)，，并對(duì)其作出相關(guān)分析，主要有 HVS-1000 型顯微硬度計(jì)、HR-150DT 洛氏硬度測(cè)試機(jī)和蔡司高級(jí)金相顯微鏡。金相試樣制備和分析設(shè)備圖片如圖
2.2 所示。

2.2  實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按設(shè)計(jì)好的路徑進(jìn)行激光編程，完成后在自教模式下進(jìn)行程序的模擬，確保無誤后對(duì)程序進(jìn)行保存。然后將粉末通過漏斗倒入送粉器內(nèi)，為了送粉器能夠精確送粉和提高工作效率，兩側(cè)送粉桶內(nèi)要保證加入相同質(zhì)量的粉末。最后調(diào)整好保護(hù)氣流量和送粉氣體流量，導(dǎo)入程序，按設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案控制不同的激光功率、掃描速度和送粉電壓進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)。熔覆層制備完成后，將試件在設(shè)定溫度下狀態(tài)下進(jìn)行完全冷卻。自熔修復(fù)實(shí)驗(yàn)前，用砂紙將 TC4 薄板表面打磨干凈，并用酒精溶液將試件表面清洗一遍進(jìn)行除油，完成后用清水清洗干凈。然后用 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液清洗薄板表面和斷裂處截面，除去表面部分的氧化物，最后將試件烘干封裝保存。清理完成的試件要在 24 小時(shí)之內(nèi)完成修復(fù)，超過 24 小時(shí)后由于表面會(huì)再次氧化，需要再次清理。 進(jìn)行自熔修復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將待修復(fù)的 TC4 合金薄板用橡皮泥固定在平整光滑的銅板上，激光頭與基體表面之間距離為 13mm，光斑直徑為 2.5mm，保護(hù)氣（Ar）氣壓為0.15MPa。實(shí)驗(yàn)完成后，將實(shí)驗(yàn)件在室溫狀態(tài)下進(jìn)行完全冷卻。

3  激光熔覆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 .. 12 

3.1  單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ............... 12
3.2  多道單層激光熔覆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ....... 17
3.3  不同掃描路徑對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響 .... 22
3.4  多層堆積激光熔覆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ............ 26
4  激光自熔修復(fù)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 .................. 41 
4.1  實(shí)驗(yàn)方案 .......................... 41 
4.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 ..................... 42
4.3  本章小結(jié) .............................. 44 
5  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復(fù)及兩種修復(fù)技術(shù)的綜合對(duì)比分析 ............. 45 
5.1  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復(fù) ............... 45
5.2  兩種修復(fù)效果的綜合對(duì)比分析 ................... 46
5.3  激光自熔修復(fù)和激光熔覆修復(fù)適用性分析 ....................... 49 
5.4  本章小結(jié) ................ 50 

5 斷裂鈦合金義齒支架的激光修復(fù)及兩種修復(fù)技術(shù)的綜合對(duì)比分析 

5.1  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復(fù)

進(jìn)行激光修復(fù)之前，首先將熔覆的 Ni60A 粉末進(jìn)行真空干燥處理。為防止斷裂處的雜質(zhì)和氧化的基體對(duì)修復(fù)效果的影響，先用細(xì)砂紙將截面處的毛刺打磨干凈，接著用無水乙醇清洗試件表面進(jìn)行除油。再用脫脂棉蘸取 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液擦拭支架斷裂處截面，將基體表面的氧化物清洗干凈。為了防止義齒支架在熔融過程中位置發(fā)生變化而導(dǎo)致修復(fù)精度降低，采用石膏牙模和紅蠟將支架固定牢固。 進(jìn)行激光修復(fù)時(shí)，選取工藝參數(shù)組合：激光功率 300W、掃描速度 2mm/s、送粉電壓 8V，保護(hù)氣和送粉氣載氣流量為 250 L/h，激光頭與基體表面之間距離為 13 mm，光斑直徑為 2.5 mm。 修復(fù)完成待支架完全冷卻后，用砂紙將修復(fù)得到的試樣表面打磨平整，用脫脂棉蘸取 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液將修復(fù)區(qū)擦拭干凈。

5.2  兩種修復(fù)效果的綜合對(duì)比分析

圖 5.2 中可以看出，激光自熔修復(fù)層表面比激光熔覆修復(fù)層表面要光滑平整，粗糙度低。因?yàn)榧す庾匀坌迯?fù)是利用高能激光熱量使零件基體熔融，斷裂處的基體重新熔融、相互擴(kuò)散并成為一個(gè)完整的熔池，修復(fù)完成后，熔池完全冷卻，得到的修復(fù)層表面比較平整，粗糙度低；進(jìn)行激光熔覆修復(fù)時(shí)，由于側(cè)向送粉系統(tǒng)中，激光熱量不能將粉末完全熔融，兩側(cè)的四根送粉管通入的粉末相互撞擊并產(chǎn)生飛濺，熔覆完成后，熔覆層表面會(huì)有一層未熔融的金屬顆粒，加大了熔覆層表面的粗糙度和不平整度。 從圖中我們看還可以看出，自熔修復(fù)層表面有一個(gè)明顯的凹陷區(qū)，而熔覆修復(fù)層表面會(huì)凸出一部分。主要是由于在進(jìn)行修復(fù)之前，對(duì)斷裂截面進(jìn)行了打磨處理，將斷裂處毛刺打磨掉，進(jìn)行自熔修復(fù)時(shí)，零件修復(fù)區(qū)基體完全熔融，相互擴(kuò)散重新成為一體，缺失的基體部分和熔池在高溫作用下液體氣化，導(dǎo)致修復(fù)表面出現(xiàn)凹陷；而進(jìn)行熔覆修復(fù)時(shí)，雖然同樣存在基體缺失和液體擴(kuò)散，但是修復(fù)過程中熔池內(nèi)通入了金屬粉末，熔融的粉末對(duì)上述缺失進(jìn)行了補(bǔ)充，得到的熔覆層表面會(huì)有一個(gè)明顯的突出部分。

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6 結(jié)論

本文通過輸出功率 3000W 的光纖激光器以及側(cè)向送粉系統(tǒng)對(duì)鈦合金材料的激光修復(fù)技術(shù)進(jìn)行探究。基體材料選擇 TC4 合金，熔覆粉末選擇 Ni60A，分別進(jìn)行激光熔覆和激光自熔實(shí)驗(yàn)。 采用單因素變量試驗(yàn)和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行激光熔覆單道、單層和多層堆積實(shí)驗(yàn)以及激光自熔試驗(yàn)，探索得出最優(yōu)的多道搭接率、Z 軸提升量、實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)對(duì)熔覆層尺寸的影響規(guī)律。 在進(jìn)行激光熔覆單層和多層堆積試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)掃描路徑和堆積方式的不同，分別探究四種不同掃描路徑對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響和三種不同堆積方式對(duì)多層熔覆層質(zhì)量的影響。采用激光熔覆和激光自熔兩種激光修復(fù)方法對(duì)斷裂的可摘除局部義齒鈦合金支架進(jìn)行修復(fù)，通過對(duì)修復(fù)區(qū)表面質(zhì)量和微觀組織分析，對(duì)兩種修復(fù)效果做綜合對(duì)比分析。得出的結(jié)論如下： （1）單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)中，通過單因素變量實(shí)驗(yàn)得到熔覆層幾何尺寸隨著工藝參數(shù)的變化規(guī)律：熔覆層寬度和高度隨激光功率的增大先增大后趨于不變；熔覆層高度、寬度和熔池深度均隨著掃描速度的增大而減小，隨著送粉電壓的增大先增大最后趨于平衡。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：128474