激光熔覆再制造技术的研究现状及其影响因素

　　一、工艺参数影响的研究

　　熔覆过程直接决定了再制造成形质量，是激光熔覆技术规模化产业化应用的核心因素。结合激光熔覆再制造在矿山液压支架立柱中的应用经验，发现再制造成品的质量控制一般涉及熔覆表面的宏观质量(无裂纹、砂眼等缺陷)、成形厚度、表面硬度分布等。影响激光熔覆成形质量的几个关键参数是激光功率、焦距、扫描线速度、重叠率和送粉率，其中重叠率与步距设置有关，送粉率与熔覆厚度直接相关，熔覆的有效热输入是这些参数综合的结果。

　　自激光熔覆技术工业化应用以来，研究人员对各种参数对性能和机理的影响做了大量的研究，可以全面涵盖激光熔覆技术应用中的关键影响因素和机理。通过分析国内外激光熔覆技术的研究现状，指出熔覆参数的类型包括工艺参数、工艺参数和质量参数。

　　按照这种分类方法，激光熔覆的再制造参数可以从激光光源、机床、待熔覆零件基体、粉末和送粉系统等方面细分为:

　　1、激光功率、焦距(光源)和光斑规格。

　　2、机床精度、转速、熔覆的步进控制(机床)。

　　3、零件的形状、尺寸和材料特性(零件矩阵)。

　　4、粉末成分、功能和物理性质(粒度分布、流动性、堆积密度、氧含量)。

　　5、送粉率。

　　6、保护气流大小。

　　这些参数的配合效果首先直接关系到熔覆产品的质量，熔覆层*直观的宏观表征如气孔、砂眼、裂纹，其次是熔覆尺寸、可测量的表面硬度、粗糙度和机械加工后的耐蚀性，以及稀释率、结合状况、内部组织结构和缺陷、截面硬度、热影响区大小等。通过取样检测包覆层。

　　技术人员以材料类型、熔覆功率和熔覆扫描速度为影响因素进行正交试验，研究对结合强度的影响。发现：

　　1、合金粉的种类对结合强度的影响*大

　　2、扫描速度，*小的是激光输出功率

　　45钢基体表面的激光熔覆层与基体的结合强度大于基体的应力强度。镍基熔覆层的剪切强度是母材的2到3倍，铁基熔覆层的剪切强度是母材的5倍以上。使用不同能量密度的高功率激光进行熔覆试验，并通过中性盐雾试验检验其耐蚀性。经分析发现，能量密度越高，熔覆层微观组织差异越大，耐蚀性越差。不同功率密度下，熔覆层中Cr的平均含量无明显差异，但随着激光熔覆能量密度的增加，Cr的分布变得更加不均匀，熔覆层的平均硬度越高，耐蚀性越差。

　　二、数值模拟技术

　　**制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计从经验判断转向定量分析。将数值模拟与人工智能技术相结合，可以用科学模拟代替大量的基本验证过程，不仅省时省力，而且解决了一些实际操作中难以进行的实验内容。不可否认，激光熔覆工艺参数的协同过程极其复杂，具有复杂的物理变化、化学变化和动态热处理特征。定量检测和分析熔池的瞬态温度场和成形应力场是很困难的。近年来，许多研究人员将计算机模拟应用于激光熔覆研究，大大简化了工艺验证过程，提高了创新技术的开发效率。分析了不同激光功率下的温度场，得到了距离熔覆层表面1mm处的温度-时间曲线，减少了实验量。

　　三、多技术研究

　　为了提高激光熔覆的成形质量，熔覆前预热、熔覆后热处理以及各种加工技术的耦合得到了广泛的研究和应用。激光熔覆后热处理能有效降低涂层的残余应力，提高涂层的力学性能。激光重熔利用激光作为热源快速熔化金属材料表面，然后自身快速冷却，在基体组织上获得重晶格层和淬火层的双层硬化结构。重新熔化的液相有助于组分的均匀渗透和扩散。研究人员发现激光重熔如同熔化焊接，显微组织接近连续铸造。枝晶骨架的生长受到限制，晶粒尺寸减小到原来的1/10左右，枝晶从基部到顶部逐渐等轴化。指出形核速率、温度梯度和凝固时间对晶粒尺寸和晶粒生长方向起决定性作用。