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基于激光熔覆的金属零件快速成形组织与性能

工艺研究

基于激光熔覆的金属零件快速成形组织与性能

宋建丽1,2,邓琦林1,陈畅源1,胡德金1

(11上海交通大学机械与动力学院,上海 200030;

21太原科技大学材料分院,山西太原 030024)

摘要:采用同步送粉法进行了镍基合金N i25、N i60和316L不锈钢多层激光熔覆成形试验,对不同材料的成形组织与性能进行了表征。结果表明,成形零件组织细小、致密,无缺陷,层与层之间为冶金结合;快速凝固枝晶沿最大温度梯度方向呈外延方式择优生长。力学性能测试表明,316L不锈钢零件抗拉强度达680MPa,伸长率超过40%,达到或超过铸造和冷、热轧退火零件的性能,能够满足实际使用要求。

关键词:激光熔覆快速成形;外延生长;组织与性能

中图分类号:TG14211;TG174144 文献标识码:A 文章编号:025426051(2005)0820048204 M i crostructure and Properti es of M et a l Co m ponen ts by La ser C l add i n g

Rap i d Form i n g

S ONG J ian2li1,2,DENG Q i2lin1,CHE N Chang2yuan1,HU De2jin1

(11School of Mechanical and Power Engineering,Shanghai J iaot ong University,Shanghai200030,China;

21School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science&Technol ogy,

Taiyuan Shanxi030024,China)

Abstract:Multi2layers laser cladding f or m ing experi m ents of N i25,N i60nickel2based all oys and316L stainless steel were carried out with synchr onous metal2powder delivering method.M icr ostructure and p r operties of different materials were characterized.The results show that the m icr ostructure of the deposited components is fine,compact and free of de2 fects,interfaces bet w een layers p resent a metallurgical bonding.The rap id s olidified dendrites gr ow p referentially al ong the directi on of maxi m um te mperature gradient.Mechanical p r operties test indicates that the tensile strength of316L stainless steel reaches680MPa,and the el ongati on sur passes40%,which has reached or sur passed those of the casting and cold r oll2annealing or hot r oll2annealing materials.Theref ore,the require ment of p ractical app licati ons can be satis2 fied.

Key words:laser cladding rap id for m ing;ep itaxial gr owth;m icr ostructure and p r operties

表5 A l

2

O3陶瓷涂层及A l2O3/T i O2陶瓷涂

层片腐蚀前后的相组成(质量分数,%)

Table5 The pha se co m ponen t of A l2O3and A l2O3+13%T i O2

co m posite ceram i c coa ti n g before and after corrosi on(wt%)

物相

γ2

A l2O3

α2

A l2O3

β2

Na A l11O17

金红石型

氧化钛

锐钛矿型

氧化钛

A l2O3腐蚀前542422

陶瓷涂层腐蚀后522820

A l2O3/Ti O2腐蚀前53132185

陶瓷涂层腐蚀后52152094

的α2A l

2

O3及47%的β2A l2O3转变为γ2A l2O3。

(2)采用A l

2

O3+13%Ti O2混合粉喷涂制备A l2O3/Ti O2复合陶瓷涂层,喷涂过程中A l2O3与Ti O2

不发生反应,没有新相A l

2

Ti O5形成,但在喷涂过程中

有39%的Ti O

2

由金红石晶型转变为锐钛矿晶型,从而

加速了A l

2

O3晶型的转变。

(3)在5%沸腾的HCl溶液内,A l

2O3陶瓷涂层

中的γ2A l

2

O3、β2A l2O3先于α2A l2O3被腐蚀,两者的腐

蚀速度相当。在A l

2

O3+13%Ti O2涂层内,除γ2

A l2O3,β2A l2O3被腐蚀外,具有金红石及锐钛矿晶型的

Ti O2也同时被腐蚀。

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作者简介:宋建丽(1970.05—),女,山西人,博士生,副教授,主要从事激光加工和材料成形技术研究,发表论文10余篇。联系电话:021*********,136******** E 2mail:s ongjianli@sjtu .edu .cn

基金项目:国家自然科学基金项目(50375096)收稿日期:2004212201

1 引言

激光熔覆快速成形技术是20世纪90年代初兴起的一种先进的快速原型制造技术。该技术将激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合,通过喷嘴将金属粉末同步输送至高能激光束形成的熔池中,使被熔覆粉末熔化并快速凝固,与基体形成冶金结合,从而利用分层增材制造方法,逐层沉积出三维近终形零件,如图1所示。由于该技术可直接制造全密度金属零件,从20世纪90年代中期开始,它就成为快速成形领域内竞相发展的方向和研究热点,受到国内外学者

的关注[1~6]

。由于激光熔覆快速成形加工中极高的能量密度及其激冷激热的特点,该技术成形的金属零件具有优良的组织和综合力学性能,在航空航天、武器制造和复杂零件成形与修复等领域具有广阔的应用前景。本文对激光熔覆快速成形镍基合金和316L 不锈钢的组织和性能进行了研究,得到了无缺陷的全密度金属零件

图1 激光熔覆快速成形示意图

Fig 11 Sche matic of laser cladding rap id f or m ing method

2 试验材料与方法

211 试验材料与参数

分别选取N i25(化学成分为012C 、315Si 、810Fe 、115B 、余量N i,质量百分数,下同),N i60镍基自熔性合金粉末(化学成分为018C 、410Si 、1510Fe 、410B 、1515Cr 、310W 、余量N i )和316L 不锈钢粉末(化学成分为:<0103C 、1610~1810Cr 、210~310Mo 、1210~1410N i 、余量Fe )为熔覆材料,基体材料分别为1Cr18N i9,2Cr12和45钢。试验前对粉末进行真空烘干,去除粉末中的水分,再用砂纸将基材表面的锈迹除去,并用丙酮清洗干净。

熔覆层形貌、结合强度、稀释率等主要取决于送粉速度、扫描速度和功率密度等工艺参数,在单层激光熔覆的基础上对工艺参数进行优化。因此,激光熔覆快速成形试验采用激光功率(112~116)k W ,送粉速度(65~75)r/m in,扫描速度(80~150)mm /m in,光斑直径<2~<4mm ,搭接率30%~50%,层厚增量(013~015)mm 。

212 试验装置与方法

激光熔覆快速成形装置由HJ 23k W 横流CO 2激光器、宽带自动送粉器和数控工作台三部分组成。采用SI N UMER I K 802C 数控系统控制工作台X 、Y 方向的移动及激光头Z 轴的运动,进行多层激光熔覆成形试验。将沉积好的零件用线切割沿垂直于扫描方向和平行于基板上表面切开,经打磨、抛光、腐蚀后在KEY 2ENCE 型三维数字显微镜下观察组织,在SCL130型材料拉伸试验机上测试材料抗拉强度和伸长率,并观察拉伸断口。

3 组织与性能

激光熔覆成形组织主要由熔覆时熔池局部的凝固状态,即粉末熔化和凝固的速度以及固/液界面前沿的连续推进决定,也即取决于熔覆系统的传热和传质过程。通常,激光熔覆增材制造过程中采用的激光功率

密度相当高,加工过程的冷却速率也达到(103~104

)K/s,导致熔覆层存在极大的温度梯度以及堆积零件

所固有的细小组织和优良的力学性能。

图2所示为激光熔覆成形N i25镍基自熔性合金金相组织。不同的组织预示着不同的凝固状态,熔覆组织取决于熔池前沿的凝固速度R 和温度梯度G 。在激光熔覆成形时,熔覆层通过基体来散热,由于激光能量密度极高,熔覆层和基体间形成较大的温度梯度,胞枝状树枝晶沿热流的负方向呈外延方式生长,长的树枝晶基本垂直于固液界面,见图2a 。组织特征还和形

核率N 0与过冷度ΔT 相关[7,8]

,随着固/液界面的推进、热的累积和传质的进行,熔覆层温度越来越高,先前层的部分晶粒重熔,形成新的晶核,落入熔池顶部未熔化的金属粉末也成为新的形核核心,枝晶变短,通过基体和熔覆层的热传导变得愈加困难,外延生长的优势逐渐减弱,零件通过周围环境及熔覆层散热,N 0增加,ΔT 减小,树枝晶向等轴晶转变,如图2b 、c 所示。 图3为激光熔覆快速成形N i60合金金相组织,由图3可见,该组织主要由非常细小胞枝状树枝晶和枝

晶共晶组成,分析可知,主要由γ2N i 、γ和γ′相固溶体

及Cr B 、N i 3B 等硼化物相和多元共晶组成[9]

。组织致密,枝晶间距为(10~30)μm ,组织形成机理和形貌类

图2 激光熔覆快速成形N i25镍基合金组织

(a )底层组织 (b )中部组织 (c )上部组织

Fig 12 M icr ostructure of laser cladding rap id for m ing N i25nickel based all oy

(a )bott om

part (b )m iddle part (c )upper part

图3 N i60激光熔覆成形组织

Fig 13 M icr ostructure of laser cladding N i60all oy

似于N i25熔覆成形组织。

316L 不锈钢激光熔覆成形组织由长短不一的柱状树枝晶组成。由于激光熔覆成形过程中熔覆层始终与基体相接触,熔覆层沿垂直于界面方向形成很大的正的温度梯度,形成典型外延生长的柱状树枝晶组织。柱状晶的生长方向为与最大温度梯度方向最接近的择优取向。各层组织之间以冶金方式结合,从而保证了枝晶生长的连续性,如图4a 所示。图4b 为平行于基板方向枝晶的横截面组织,该组织为典型的蜂窝状结构。由图4b 可以看出,柱状晶间距在(8~20)μm 之间,横截面组织均匀、细小致密,无气孔和裂纹等缺陷。

316L 不锈钢试件熔覆成形后,制取标准试样进行

抗拉强度试验。结果表明,激光熔覆快速成形316L 不锈钢试样抗拉强度和伸长率达到或超过铸造和冷、热

轧退火零件的性能,可以满足使用要求[3,4]

,结果如表1所示。图5为拉伸试样的断口SE M 形貌,断口上均匀的塑性韧窝也表明成形材料具有良好的塑性。

4 结论

(1)基于激光熔覆快速成型技术,采用同步输送金属粉末的方法和优化的工艺参数用熔覆材料N i25、N i60合金和316不锈钢粉末在基材

1Cr18N i9、2Cr13和45钢上进行激光熔覆快速成形,获得了组织细小、致密,无缺陷的全密度金属零件。

图4 多层激光熔覆成形316L 不锈钢组织

(a )外延生长柱状晶 (b )枝晶横截面

Fig 14 M icr ostructure of multi 2layer laser cladding

316L stainless steel

(a )ep itaxial gr ow columnar dendrites (b )cr oss secti on of dendrites

表1 316L 不锈钢激光熔覆成形和传统铸、锻件力学性能比较

Table 1 M echan i ca l properti es co m par ison of l a ser cl add i n g for m i n g 316L st a i n less steel

and ca sti n g and forg i n g ma ter i a ls

材料

制备方法σ012/MPa

σb /MPa

δ(%)

316L 不

锈钢

激光熔覆

61068041铸造26255255热轧退火17048040冷轧退火

310

620

39

(2)该技术成形零件性能优良,相当于轧制退火零件的性能,可大大缩短零件制造周期,降低生产成本,能够满足实际使用要求。

板材厚度对铜合金冷轧薄板表面起皮的影响

苏娟华1,2,董企铭1,刘 平1,李贺军2,任风章1

(1.河南科技大学材料学院,河南 洛阳 471003;21西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072)

摘要:引线框架Cu2Fe2P合金薄板在精轧后表面产生起皮,经微观分析表明起皮破坏处有较大的Fe颗粒存在,且精轧前Fe颗粒周围已有裂纹。利用有限元数值分析法研究了不同板厚对Fe颗粒周围的应力分布的影响。结果表明,板厚较薄时,Fe颗粒和铜基体界面处存在明显的应力集中,应力集中将精轧前Fe颗粒周围的裂纹扩展,从而发生Cu2Fe2P表面起皮破坏。

关键词:Cu2Fe2P合金;板材厚度;应力集中;表面起皮

中图分类号:TG14611;TB115 文献标识码:A 文章编号:025426051(2005)0820051205 Effect of Sheet Th i ckness on Surface Peeli n g i n Cu2Fe2P L ead Fram e A lloy S U Juan2hua1,2,DONG Q i2m ing1,L I U Ping1,L I He2jun2,RE N Feng2zhang1

(1.College of Materials Science and Engineering,He′nan University of Science and Technol ogy,Luoyang He′nan

471003,China;2.College of Materials Science and Engineering,North western Polytechnical University,

Xi′an Shaanxi710072,China)

Abstract:Surface peeling occurred on the lead fra me Cu2Fe2P all oy after finish r olling.By means of m icr ostructure analy2 sis it was found that there were s ome larger Fe particles under the da maged surface of sheet,and s ome m icr ocracks exis2 ted ar ound the Fe particles bef ore finish r olling.The effect of sheet thickness on the stress ar ound Fe particles in Cu2Fe2 P all oy was investigated using finite ele ment digital analysis method.The results show that the stress concentrati on be2 t w een the Fe particles and Cu matrix is the main fact or t o result in the m icr ocracks and surface da mage.The s maller the thickness of sheet,the larger the stress concentrati on at the interface bet w een matrix and Fe particles,which will bring a2 bout the surface peeling of lead fra me Cu2Fe2P all oy.

Key words:Cu2Fe2P all oy;sheet thickness;stress concentrati on;surface

peeling

图5 316L不锈钢激光熔覆成形拉伸断口SE M形貌Fig15 SE M mor phol ogy of the tensile fracture of

laser cladding316L stainless steel

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