钛合金激光熔覆的特点及优势

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：激光熔覆技术可获得与基体冶金结合、稀释率低的表面熔覆层，对基体热影响较小，能进行局部熔覆。激光熔覆的加热速度可达1000℃/s以上。一台激光熔覆设备，通过调整工艺参数，可以在钛合金表面获得不同熔覆质量的熔覆层。2）钛合金激光熔覆时，在如此高的加热速度下，钛合金共析转变温度Ac1点上升100℃以上，因此激光熔覆时允许钛合金表面温度在熔化温度和相变点Acm之间变化，尽管过热度较大，仍不会发生过热或过烧现象。

激光熔覆（laser cladding）涉及物理、冶金、材料科学等多个领域，能够有效提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热等性能，可节省贵重的合金，受到国内外的普遍重视。激光熔覆的原理如图5-18所示。

激光熔覆技术可以追溯到20世纪70年代，包括Co基、Ni基、Fe基合金在金属表面熔覆后的组织结构与性能的研究。激光熔覆技术可获得与基体冶金结合、稀释率低的表面熔覆层，对基体热影响较小，能进行局部熔覆。从80年代开始，激光熔覆技术的研究领域进一步扩大和加深，包括熔覆层质量、组织和力学性能、合金选择、工艺性、热物理性能和计算机模拟等。

钛的密度低（4.5g/cm³），介于铝和铁之间，最大的优点是耐蚀性好，特别是在海水和海洋大气环境中耐蚀性极高，这使其应用于舰艇和水上飞机有很大的竞争优势；钛在各种浓度的硝酸、铬酸中都很稳定，温度升高反应也不快。钛耐蚀性的突出特点是不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，一般为均匀腐蚀。但高纯度钛的强度、硬度较低，随着纯度的升高强度和硬度下降，且钛的化学活性很活泼，极易受H、O、N的污染。

图5-18 激光熔覆的原理示意图

a）加工中照片 b）原理示意图

钛合金的疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，其比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料。钛合金的工作温度范围较宽，低温钛合金在-253℃还能保持良好的塑性，而耐热钛合金的工作温度可达550℃左右，其耐热性明显高于铝合金和镁合金。如果克服了550℃以上的氧化污染问题，其使用温度还可进一步提高。

钛合金激光熔覆是指在基材表面以不同的填料方式预置熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与钛合金表面薄层一起熔凝，在基材表面形成稀释率低、与基体成冶金结合的熔覆层，从而改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等性能的工艺方法。

钛合金激光熔覆技术与堆焊、热喷涂、等离子弧熔覆等其他熔覆技术相比，具有以下特点：

1）在钛合金激光熔覆过程中，激光束作用在钛合金表面上的功率密度高，作用时间极其短暂，加热速度和冷却速度快，熔覆效率高。激光熔覆的加热速度可达1000℃/s以上。一台激光熔覆设备，通过调整工艺参数，可以在钛合金表面获得不同熔覆质量的熔覆层。

2）钛合金激光熔覆时，在如此高的加热速度下，钛合金共析转变温度Ac₁点上升100℃以上，因此激光熔覆时允许钛合金表面温度在熔化温度和相变点A_cm之间变化，尽管过热度较大，仍不会发生过热或过烧现象。

3）激光束易于传输和导向，可以对复杂的钛合金零件表面进行熔覆，如深孔、沟槽表面及不通孔底部等部位进行熔覆。

4）激光加热速度快，奥氏体长大及碳原子和合金原子的扩散受到抑制，可获得细化和超细化的钛合金熔覆层。

5）激光的光斑面积小，钛合金本身的热容量足以使熔覆表面骤冷，冷却速度高达10⁴℃/s以上，不需要任何冷却介质，仅靠工件自身冷却即可保证马氏体的转变。而且急冷可抑制碳化物的析出，减少脆性相的影响，能获得隐晶马氏体组织。

6）激光熔覆过程中，钛合金表面会产生200～800MPa的残余压应力，大大提高了钛合金表面的疲劳强度。

7）激光熔覆的可控性能好，导向和能量传递方便快捷，与光传输数控系统结合，用计算机精确控制，可以实现高度自动化的对钛合金熔覆表面的三维柔性加工。

8）通过激光熔覆参数的合理控制和涂层粉末成分的设计，可以保证所设计的钛合金表面涂层性能满足要求，获得组织细小致密且与基体冶金结合的熔覆层。

9）热影响区小，畸变小，熔覆层稀释率低。

10）能进行选区熔覆，材料消耗少，熔覆污染性小。

钛合金激光熔覆的特点及优势

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