1 緒論

眾所周知，TC4 鈦合金具有高的比強度和比剛度、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，使其在航空航天、石油化工、汽車、醫(yī)療和體育等領域得到了非常廣泛的應用[1]。尤其是在對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)揮了重要的主導作用。隨著科學技術和醫(yī)療技術的發(fā)展，TC4 合金良好的生物相容性也促進了其在人體骨骼的制造材料中的廣泛應用，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用，市場占有量逐年增長[2]。 TC4 合金屬于 α+β 型鈦合金，雖然具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能和綜合機械性能，但是其存在耐磨性差、硬度低、摩擦系數大等缺點，使得 TC4 合金零件在惡劣的工作環(huán)境中極易出現表面擦傷和腐蝕，尤其在作為薄壁零件的加工材料時，極易出現斷裂和表面裂紋[3-5]。TC4 合金材料的缺點使其結構的穩(wěn)定性和安全性難以保障，因此嚴重限制了其在高強度零件和薄壁零件領域中的應用。

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2 實驗條件與實驗方法 

2.1  實驗條件

進行激光熔覆實驗和激光自熔實驗之前，首先將實驗室空調和空氣濕度機打開，將空調溫度調至 25℃，濕度調至 60%rh。在此狀態(tài)下保持 2h。從實驗開始至熔覆和自熔試樣完全冷卻，空調和濕度機要一直保持工作狀態(tài)。金相試樣制備設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、磨拋機和金相試樣鑲嵌機；金相試樣分析設備主要是用來測試試樣的微觀硬度，觀察試樣微觀組織形態(tài)，，并對其作出相關分析，主要有 HVS-1000 型顯微硬度計、HR-150DT 洛氏硬度測試機和蔡司高級金相顯微鏡。金相試樣制備和分析設備圖片如圖
2.2 所示。

2.2  實驗方法

進行激光熔覆實驗時，首先按設計好的路徑進行激光編程，完成后在自教模式下進行程序的模擬，確保無誤后對程序進行保存。然后將粉末通過漏斗倒入送粉器內，為了送粉器能夠精確送粉和提高工作效率，兩側送粉桶內要保證加入相同質量的粉末。最后調整好保護氣流量和送粉氣體流量，導入程序，按設計的實驗方案控制不同的激光功率、掃描速度和送粉電壓進行激光熔覆實驗。熔覆層制備完成后，將試件在設定溫度下狀態(tài)下進行完全冷卻。自熔修復實驗前，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 小時之內完成修復，超過 24 小時后由于表面會再次氧化，需要再次清理。 進行自熔修復實驗時，將待修復的 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，保護氣（Ar）氣壓為0.15MPa。實驗完成后，將實驗件在室溫狀態(tài)下進行完全冷卻。

3  激光熔覆實驗及結果分析 .. 12 

3.1  單道激光熔覆實驗及結果分析 ............... 12
3.2  多道單層激光熔覆實驗及結果分析 ....... 17
3.3  不同掃描路徑對熔覆層質量的影響 .... 22
3.4  多層堆積激光熔覆實驗及結果分析 ............ 26
4  激光自熔修復實驗及結果分析 .................. 41 
4.1  實驗方案 .......................... 41 
4.2  實驗結果及分析 ..................... 42
4.3  本章小結 .............................. 44 
5  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復及兩種修復技術的綜合對比分析 ............. 45 
5.1  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復 ............... 45
5.2  兩種修復效果的綜合對比分析 ................... 46
5.3  激光自熔修復和激光熔覆修復適用性分析 ....................... 49 
5.4  本章小結 ................ 50 

5 斷裂鈦合金義齒支架的激光修復及兩種修復技術的綜合對比分析 

5.1  斷裂鈦合金義齒支架的激光修復

進行激光修復之前，首先將熔覆的 Ni60A 粉末進行真空干燥處理。為防止斷裂處的雜質和氧化的基體對修復效果的影響，先用細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)生變化而導致修復精度降低，采用石膏牙模和紅蠟將支架固定牢固。 進行激光修復時，選取工藝參數組合：激光功率 300W、掃描速度 2mm/s、送粉電壓 8V，保護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。 修復完成待支架完全冷卻后，用砂紙將修復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區(qū)擦拭干凈。

5.2  兩種修復效果的綜合對比分析

圖 5.2 中可以看出，激光自熔修復層表面比激光熔覆修復層表面要光滑平整，粗糙度低。因為激光自熔修復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、相互擴散并成為一個完整的熔池，修復完成后，熔池完全冷卻，得到的修復層表面比較平整，粗糙度低；進行激光熔覆修復時，由于側向送粉系統(tǒng)中，激光熱量不能將粉末完全熔融，兩側的四根送粉管通入的粉末相互撞擊并產生飛濺，熔覆完成后，熔覆層表面會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，自熔修復層表面有一個明顯的凹陷區(qū)，而熔覆修復層表面會凸出一部分。主要是由于在進行修復之前，對斷裂截面進行了打磨處理，將斷裂處毛刺打磨掉，進行自熔修復時，零件修復區(qū)基體完全熔融，相互擴散重新成為一體，缺失的基體部分和熔池在高溫作用下液體氣化，導致修復表面出現凹陷；而進行熔覆修復時，雖然同樣存在基體缺失和液體擴散，但是修復過程中熔池內通入了金屬粉末，熔融的粉末對上述缺失進行了補充，得到的熔覆層表面會有一個明顯的突出部分。

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6 結論

本文通過輸出功率 3000W 的光纖激光器以及側向送粉系統(tǒng)對鈦合金材料的激光修復技術進行探究。基體材料選擇 TC4 合金，熔覆粉末選擇 Ni60A，分別進行激光熔覆和激光自熔實驗。 采用單因素變量試驗和正交試驗相結合的方法，進行激光熔覆單道、單層和多層堆積實驗以及激光自熔試驗，探索得出最優(yōu)的多道搭接率、Z 軸提升量、實驗工藝參數對熔覆層尺寸的影響規(guī)律。 在進行激光熔覆單層和多層堆積試驗時，根據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熔覆層質量的影響和三種不同堆積方式對多層熔覆層質量的影響。采用激光熔覆和激光自熔兩種激光修復方法對斷裂的可摘除局部義齒鈦合金支架進行修復，通過對修復區(qū)表面質量和微觀組織分析，對兩種修復效果做綜合對比分析。得出的結論如下： （1）單道激光熔覆實驗中，通過單因素變量實驗得到熔覆層幾何尺寸隨著工藝參數的變化規(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（略）

本文編號：128474