同軸激光熔覆工藝條件分析.doc

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1、同軸激光熔覆工藝條件分析U.deOliveira,V.Ocel?′k,J.Th.M.DeHosson*DepartmentofAppliedPhysics,MaterialsScienceCentreandNetherlandsInstituteforMetalsResearch,UniversityofGroningen,Nijenborgh4,9747AGGroningen,TheNetherlandsReceived14March2004;acceptedinrevisedform25June2004

2、Availableonline13August2004摘要通過同軸激光熔覆使鋼基體上形成密集的鎳基涂層所使用的Nd:YAG兩千瓦連續(xù)激是來自于理論和實驗的角度的研究。理論分析集中在激光照射和粉末粒子通過簡單的熱轉遞模型到達基板。這種方法提供了準確預測激光功率分別對融化的粉末粒子和基板的要求。一份合適的關于涉及主要過程參數·方法的實驗分析是基于對一個逐漸改變的單個過程參數的檢查。主要工藝參數和個人激光軌道幾何特征的相關性已被發(fā)現并進行了討論。D2004ElsevierB.V.Allrightsreserved

3、.關鍵詞：激光熔覆；Nd-YAG激光；加工；同軸1.簡介激光熔覆技術允許沉積物在基材上形成厚厚的保護膜。這個進程可以描述為通過熔覆高能量激光照射熱源的基板表面來添加一種材料。每一步形成的覆蓋厚度通常是50微米到2毫米。一旦需要一個更厚的保護層，這一步驟可以再次實施。激光熔覆過程可有三種不同的方法執(zhí)行。使用預先放置粉末，覆蓋材料應用于漿料[1,2]的形式。這一過程通常是一個小型加工窗口，費時并且有時也難以適應復雜的幾何形狀。其次,覆蓋材料可通過電解被遞送到熔池。這個過程是很難控制的,往往導致高稀釋率。最后,用

4、粉末注射的激光熔覆技術是一個很有吸引力的方法也本文的主題。在這個過程中，載氣是用來在一個步驟中當激光掃掠基板表面形成一個適合單個覆蓋厚度的熔池時在激光束下來形成一股粉末流。當單個的軌道連續(xù)地一個挨一個的出現時就可以形成一個完全的稠密層。這個過程需要的最低表面處理并且需解決復雜的幾何應用問題。有兩種送粉方式：從一個側面或激光束同軸，見圖1側面熔覆技術已經廣泛的在以前的作品中描述[1,3]。當粉末注射流從激光束離軸，基板運動方向的改變會導致完全不同的局部熔覆條件。當粉末流注入從激光束偏離,改變的基質導致完全不同

5、的運動方向當地層條件。例如,一個所謂的“bagainsthill”熔覆條件時發(fā)生在當粉末流來自于基質一動的一側時。在這種情況下,覆蓋粉末只是暫時的被困在溶液軌道和平坦的基板之間形成的角落里。這導致比所謂的“overhill”覆蓋結構更高的粉末效率，當粉末是來自相對的一邊。圖1.同軸(左)和側軸(右)激光熔覆裝置在移動基板上的比較當粉末流與激光束同軸提供時，對在一個平面垂直于基板的激光束運動的所有方向是等價的。同軸激光熔覆過程對于覆蓋層的指令是如此的獨立。因此，有可能產生同樣的獨立于工件的運動方向的工作部分。

6、這種同軸激光熔覆技術的優(yōu)勢被應用于3D設計中零件的形成。激光熔覆技術的操作窗口是依據激光功率P,掃描速度S和送分率F.然而一些額外的工藝參數例如激光束斑點的大小，激光束能量的分配，數量和保護氣體和運載氣體的種類尺寸，速度，和送粉方向等，都有重要的作用。由于涉及的相互作用（激光束/粉末，激光束/基材，粉末流/熔池，粉末流/固體基板，等。）和物理現象（塊和熱的專遞，液體流動，相位信息等。）一個完整的帶有送粉的激光熔覆技術說明書是相當復雜的。雖然某些物理模型[6-8]中描述的熔覆特性的有用的個體加工參數的影響，實

7、驗考試的窗口和工藝參數之間的復合特性和工藝參數統(tǒng)計關系搜索仍在探索必要新的涂料。從實際角度來看，這是適當的引入兩個新的工藝參數，即參數P/S，它刻畫了每單位長度的激光跟蹤提供的能量，而參數F/S的對應的新的材料提供單位長度的激光跟蹤。覆蓋粒子別發(fā)射到激光束中的時間取決于主要由運載氣體流量控制的速率Vp。因此通常以運載氣體在噴嘴口出的速度作為粒子速率的最大值。單激光軌道可放射在相當寬泛的操作窗口中。一個完整的包覆層是由一個側面并排單曲連續(xù)沉積。然而，如果要建立一個最佳的被覆層（良好結合的，厚，致密，無裂縫）單

8、曲應履行一定的幾何特征，它可以在一個特定的加工窗口實現。在本文中，一對同軸激光熔覆過程的理論和實驗研究，提出了旨在了解同軸包層之間的主要參數和個人激光激光軌道幾何特征和理解的過程關系的基本概念。2.實驗在我們的調查中，以平均顆粒大小為60Am的鎳鉻基合金粉19ESulzer-Metco，和60毫米直徑的C45低合金鋼棒為基質進行研究。這兩個材料的化學成分如表1所示。研究的主要熔覆軌道參數激光的影響，我們采用了分級