激光熔覆工艺参数和材料等因素对熔层裂纹关系影
响的探讨与思考
摘要：激光熔覆中裂纹是影响熔层质量的关键因素，本文就激光熔覆中裂纹产生的原因主要是应力方面进行分析，从而从激光工艺参数、材料等方面进行考虑消除裂纹，希望对以后的裂纹控制有所帮助。
关键词：应力；裂纹；工艺参数；材料
Research on the Effect of Laser Cladding Process Parameters and Materials to the Crack Melt Layer Relationship Factors Abstract：The crack is key factors of laser cladding layer’s quality ,this paper mainly analysis the effect of stress to the crack, thus from laser process parameters and materials to consider eliminating crack and offer advices to the later research. Key words: stress; crack; process parameters; materials
1引言
众所周知，激光熔覆过程中由于各种应力包括热应力、组织应力和约束应力等，以及温度梯度和熔池对流传质等的影响都会导致熔覆层出现裂纹等不良因素，这些不良因素严重的妨碍了激光熔覆技术对实验对象质量的可靠性和性能优良性的应用，为此我们必须想办法消除这些裂纹。而在大多数情况下，裂纹的出现和消除极大程度上取决于激光熔覆工艺参数的选取以及材料选取等其他因素的影响，因此我们对这一参数进行一一分析并总结得出了解决裂纹的办法。
。本文综合国内外研究成果，分析了激光熔覆的影响因素，认为热应力、组织应力和约束应力足产生激光熔覆裂纹的主要因素。并从激光工艺和材料选择两个方面剖析了产生熔覆裂纹的内在原因，从激光功率、扫描速度、光斑大小和材料等方面探讨了消除激光熔覆裂纹的方法。
2激光熔覆裂纹产生的机制
我们知道裂纹出现的原因主要是各种应力的影响，包括热应力、组织
应力和约束应力[1]
，以及温度梯度和
熔池对流
[2]
等。下面主要就应力的影
响做以下介绍：
①热应力。热应力分为两种:一种是在同种材料内部,当材料受热后,由材料的温度梯度造成的。另一种是由于基材和熔覆材料的热膨胀系数不同,从而使各层之间的热膨胀率和收缩率不一致而产生拉伸或者压缩应力。 ②组织应力。组织应力是由于金属材料受热熔化发生相变各元素之间相互结合形成各种组织而产生的。 ③约束应力。约束应力也是由两方面原因造成的:一是由于熔覆过程很快,熔池温度过高,熔池中已经熔化的部分材料受热膨胀,但受到周围材料的约束即受到压应力作用。另一方面是由于扫描光束移开后,被扫描区域迅速冷却,而熔覆区域因材料的整体性不能自由收缩导致较大拉应力的作用。
事实上，在激光熔覆过程中，上述因素可以单独作用，也可以交互作用产生裂纹。它们都是促使裂纹产生的主要因素。在了解了裂纹产生的原因时，我们可以根据它来源的即应力方面原因一一进行分析，对应的找出消除熔层裂纹的方法。
3 消除激光熔覆裂纹的方法
3.1 激光功率参数对熔层裂纹的影响
3.1.1 激光功率的影响
在激光熔覆过程中，激光输出功率的选取往往是非常重要的，因为它直接影响了熔覆层和熔池之间的热量关系的变化。经过对大量文献的查看，研究发现激光功率在满足加工要求的前提下，适当的增大功率对熔层裂纹的消除有很好的效果
[3]
，但增大功率
的同时也会直接增大稀释率反而又会降低实验的最终效果，这是一对矛盾的关系，因此我们只有根据实验的具体情况来对功率进行具体的分析选取。但目前好像由于没有定量的数据分析，很难找出最佳的实验效果，所以我觉得应该在条件允许的情况下研究说明一下，找出到底什么情况下两者会达到最佳的效果! 3.1.2 扫描速度的影响 扫描速度的影响，即在单位时间内光速移动的位移，这也对裂纹的控制有直接的影响。研究发现，在满足实验要求条件下适当的减小扫描速度可以消除裂
[4]
。因为，裂纹对扫描速
度的变化较敏感, 主要是指加快扫描速度即增大了温度梯度, 热应力随之增加。但通过对其他文献的查阅发现减小扫描速度会使熔层表面平整程度下降，这一对矛盾关系很值得我们以后进一步找出最佳工艺参数进行思考。
3.1.3 光斑大小的影响
即光斑大小及形状，即考虑到激光束温度分布的不均匀, 应适当增大光斑大小, 采用宽带激光熔覆或改变光束模式, 如采用多模的激光光束式, 使能量为“多峰值分布” , 这样热量分布较均匀, 降低裂纹敏感性。所以满足实验条件下适当增大光斑的大小对实验有好处
[5]
。但另外值得注意的
是光斑大小对制件轮廓的尺寸精度有很大影响,如果提高制件的轮廓精度，则要求光斑越小越好。
3.2 材料等其他参数的影响
其他参数包括：熔层材料；熔层粉末；送粉量；基体形状；涂层厚度等等。
3.2.1 熔层材料的影响
由于不同材料具有不同的物理性能,比如说热膨胀系数、比热容、导热
率,互溶度等等。这其中对激光熔覆影响最大的是热膨胀系数。熔覆材料和基体的热膨胀系数差异是激光熔覆后产生热应力的主要原因,而热应力则是导致熔覆层开裂的重要因素。因此,在选取激光熔覆材料时,一方面要针对熔覆后所要达到的熔覆层性能选择:另一方面还要根据熔覆材料与基体材
料热膨胀系数进行考虑，一般要求基体的热膨胀系数略大于熔层材料的热膨胀系数
[6]
，即要尽量减小拉应力。
3.2.2 其他参数的影响
熔覆粉末，主要是讲粉末颗粒的大小，研究发现粉末颗粒大的话，相比之下需要更多能量把它完全熔掉，
但由于激光熔覆是快速融化快速凝固的原因作用时间非常之短，这样的话会造成有些大颗粒的粉末未完全溶解，而在熔池中由于一些原因的影响会产生残余应力造成裂纹的产生
[7]
。
送粉量，主要是说送粉的的多少，研究发现单位时间内的粉末多的话，会造成粉末不被完全的熔化掉，即一些粉末未被熔化就进入了熔层进行混合，结果也会产生裂纹
[8]
。
基体形状，主要是讲基体的形状规则与否，在允许的条件下需保证基
体必须是规则且表面需打磨的非常光滑平整。特许情况下，也就是基体形状不能改变且是不平整的情况就使用实时光束变换进行熔覆否则也会产生
裂纹[9]
。
涂层厚度，明显的就是预涂粉末
的厚度，在满足实验要求的前提下，涂层厚度理论上是越薄越好，这和激光熔覆时传热有关系，否则就会出现厚层熔覆时的裂纹
[10]。
4 激光熔覆中裂纹消除的参数各方面因素综合分析
通过以上的分析我们可以大概用一个式子来表示激光加工过程中工艺参数对熔层裂纹的影响的关系式：
E=P/DV
[11]
E为激光能量密度，P为激光功率，D为光斑大小，V为扫描速度
以上的式子可以方便的知道激光各工艺参数之间的关系，并通过调整，在其他条件都满足的情况下找出最佳的工艺参数，使得熔覆层既没有裂纹的出现，也保证了最佳的实验效果。
再综合国内外研究成果,我们从
材料等参数选择方面剖析了消除熔覆裂纹的方法包括：热处理、韧性合金化元素和超声震动三方面。热处理,主
要是对基体进行预热和缓热处理这样对激光熔覆中热应力和温度梯度的减少有很大好处
[12]
。方法有：采用激光加工专用电阻保温炉；采用遥感红外线辐照的方式对工件进行加热；采用火焰喷枪加热和保温棉裹覆增加热容的方法对工件进行加热。韧性合金化元素,主要是说向熔覆材料中添加增韧、增塑元素的方法,来控制裂纹的产生
[13]
。而这种元素的加入得视具体基体和熔层材料之间的关系进行操作。超声震动，主要是说用超声波在熔池中的空化及搅拌作用使正在长大的枝晶网破碎形成均匀分布的小晶核,致使硬质相和温度梯度分布均匀化,减少熔池含气量,从而减少裂纹的产生
[14]
。另外也可以采用二次扫描，引入过渡层等方法也可以消除裂纹的产生
[15]
。还有从激光设备方面来讲，国产激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置都尚未充分达到大范围工业生产应用的水平。国产激光设备的大功率光束稳定性一般在5 %以内,这样的功率偏差对激光熔覆试样性能的一致性有影响。为此我认为在充分认识和理解激光器制作原理的基础知识后，如果能想出一种方法使激
光输出功率能提高一些，哪怕只有1%的提高那也能大大使激光更快的投放到工业生产中来，所以这方面也很值得我们去研究。
另外，我们可以看出粉末材料的选取对不同基体的熔覆效果也是不一样的，所以在针对不同行业中如何选取最好的熔覆粉末也显的至关重要。以下是几种常用的粉末材料，比如：熔覆材料中
[16]
单质元素以及包含该
种元素的化合物B 、C 、Ni 、Si 、B4C 、Cr3C2 等，自熔性合金粉末Fe 基粉末、Co 基粉末、Ni 基粉末，陶瓷TiC 、BN 、SiC 、TiB 、TiB2 等，金属间化合物Ti3Al 、TiAl 、Ti5Si3 等，氧化物Al2O3、Zr2O3、R2O3(R 为稀土元素)，生物涂层含羟基磷灰石（HA ）、CP 涂层等，复合粉末NiCrBSi 、CoCrWB 、NiCrFeBSi 混合粉末等。
由此可见，在激光熔覆过程中队熔层材料的研究也是一门重点还是一门难点，如果能在激光熔覆中找出一种性能非常好且能普遍适用的材料意义将非常重大，所以这方面也值得研究。
另外再结合对其他文献的查阅
[17]
，我们得出激光工艺参数中，在满
足实验要求的前提下适当提高减小扫描速度对裂纹消除有很大的帮助，但
对熔层表面平整程度的控制效果却不好，这是一个值得解决的问题。对送粉熔覆来说我们得出在满足实验要求的情况下，减少送粉量对裂纹产生和表面平整程度的影响也是明显的，因此我们可以通过多次对比实验找出最佳的送粉量进行试验。还有增加的激光功率去能对消除裂纹有很好的作用，但对熔层的表面平整程度以及稀释率的作用却是相反的，为此我想在此基础上如果能找出最佳的实验数据对整个激光熔覆工艺来说是有很大利益的，这也可以进一步促进激光在工业中的应用。
5 总结
激光熔覆技术是一门博大精深的学科，其中的每一个细节都将会对实验结果造成一定的影响，并且现阶段的话无论是国外还是国内对激光熔覆加工技术的研究都不是很全面深入，其中包括对熔池的研究，对应力、对裂纹的研究还包括对对流传质的研究等等。在未来激光熔覆方向上会加大力度探寻新的方法，针对激光熔覆中应力对裂纹的影响以及熔覆过程中熔池对流传质的情况，或许可采用化学中学过的同位素元素标记法对元素的热变及结合情况进行跟踪，充分把握其分布以及与其他元素的结合情况，从而对应力的了解更深入，对消除裂纹有所帮
助，还有采用CCD高速摄像机进行同步观测把握熔池中对流传质的关系，可以更深入详细充分的认识到激光熔覆中对流传质对熔覆层结合以及元素的分布的影响。
参考文献
[1] 石世宏,等.激光熔覆工艺与粉末对覆层开裂行为的影响[J].激光杂
志,1998,19(3):46-48.
[2],[6],[7]王新林,漆海滨.厚层激光熔覆层裂纹控制的综合实验研究与理论分析，南华大学学报(理工版).2010,15(3):36-40.
[3],[8]朱刚贤,张安峰,李涤尘.激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响[J].中国激光, 2010,37(1):296-301.
[4] WU WANLIANG and LIU YONG, YANG DEZHUANG. Microstructure of TiC dendrites reinforced titanium matrix composite layer by laser cladding [J]. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS 22, 2003, 1169 – 1171.
[9] Yu J un , Chen Jing , Tan Hua et al . . Effect of process parameters
in t he laser rapid forming on deposition layer [ J ] . Chinese J .
Lasers , 2007 , 34(7) : 1014～1018.
[10]李嘉宁,陈传忠.激光熔覆技术在航空领域中的研究现状[J]. New Technologies of Special Machining特种加工新技术, 2010,5(1):51-54.
[11]邹小斌, 尹登科, 谷建军.关于激光熔覆裂纹问题的研究[J]. 激光杂
志 ,2010,31(5):44-45.
[12]陈志坤,刘敏，曾德长，马文有.激光熔覆裂纹的产生原因及消除方法探究[J]. 激光杂志,2009,30(1):55-57.
[13]徐志刚,张宗林.合金表面预处理状态对激光熔覆裂纹敏感行为的影响[J].激光与光电子学进展，1996,12(3):125-129.
[14]Zhang Da - wei ,Lei T C ,Zhang Ji -
ge ,et al . The effects of heat treatment on microstructure and erosion properties of laser surface - clad Ni- base allo〔J〕. Surface and Coatings Technology ,1999 ,115 :176 -183.
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。 最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，
熔模铸造工艺流程
模料 制熔模用模料为日本牌号：K512模料 模料主要性能： 灰分≤0.025% 铁含量灰分的10% ≤0.0025% 熔点83℃-88℃（环球法）60℃±1℃ 针入度100GM（25℃）3.5-5.0DMM 450GM（25℃）14.0-18.0DMM 收缩率0.9%-1.1% 比重0.94-0.99g/cm3 颜色新蜡——兰色、深黄色 旧蜡——绿色、棕色 蜡（模）料处理 工艺参数： 除水桶搅拌时温度110-120℃ 搅拌时间8-12小时 静置时温度100-110℃ 静置时间6-8小时 静置桶静置温度70-85℃ 静置时间8-12小时 保温箱温度48-52℃ 时间8-24小时 二、操作程序 1、从脱蜡釜泄出的旧蜡用泵或手工送到除水桶中，先在105-110℃下置6-8小时沉淀，将水分泄掉。
2、蜡料在110-120℃下搅拌8-12小时，去除水份。 3、将脱完水的蜡料送到70-85℃的静置桶中保温静置桶中保温静置8-12小时。 4、也可将少量新蜡加入静置桶中，静置后清洁的蜡料用手工灌到保温箱蜡缸中，保温温度48-52℃，保温时间8-24小时后用于制蜡模。 5、或把静置桶中的回收蜡料输入到气动蜡模压注机的蜡桶中，保温后压制浇道。 三、操用要点 1、严格按回收工艺进行蜡料处理。 2、除水桶、静置桶均应及时排水、排污。 3、往蜡缸灌蜡时，蜡应慢没缸壁流入，防止蜡液中进入空气的灰尘。 4、蜡缸灌满后应及时盖住，避免灰尘等杂物落入。 5、经常检查每一个桶温，防止温度过高现象发生。 6、作业场地要保持清洁。 7、防止蜡液飞溅。 8、严禁焰火，慎防火灾。 压制蜡（熔）模 一、工艺参数 室温20-24℃压射蜡温50-55℃ 压射压力0.2-0.5Mpa 保压时间10-20S 冷却水温度15±3℃ 二、操作程序 1、从保温槽中取出蜡缸，装在双工位液压蜡模压注机上，使用前应去除蜡料中空气及 硬蜡。 2、将模具放在压注机工作台面上定位，检查模具所有芯子位置是否正确，模具注蜡口 与压注机射蜡嘴是否对正。 3、检查模具开合是否顺利。 4、打开模具，喷薄薄一层分型剂。 5、按照技术规定调整压注机时间循环，包括压射压力、压射温度、保压时间、冷却时 间等。
攀枝花学院本科课程设计（论文）铸钢齿轮熔模铸造工艺设计 学生姓名唐洪 学生学号： 201011102062 院（系）：材料工程学院 年级专业： 10级材料成型及控制工程指导教师：范兴平博士 助理指导教师：范兴平讲师 二〇一三年十一月
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
摘要 熔模铸造在我国具有悠久的历史。它是一种少切削或无切削的铸造工艺，铸造行业中的一项优异的工艺技术，是一种无分型面的特种铸造方法。熔模铸造是用一种易形成模样的材质如石蜡等做成零件的模型，然后在表面涂一层耐火材料和型砂形成一个模壳，经过脱蜡后对壳进行焙烧使壳具有一定的强度，然后进行浇注，经冷却落砂后生产出产品。本课程设计主要是对齿轮的熔模铸造进行了设计，对齿轮的材料进行了分析，和在铸造中遇到的一系列问题，并一一进行处理。在模料的选择中进行了分析并列举了制模的操作步骤等。 关键字：熔模铸造，齿轮，工艺设计
目录 摘要 (Ⅰ) 1.零件分析 (1) 1.1齿轮的形状分析 (1) 1.2 齿轮材质分析 (1) 2.选择基准面………………………………………………………………………… 3.制模工部设计……………………………………………………………………… 3.1模料选择……………………………………………………………………………3.2制模设备与工艺…………………………………………………………………… 3.2.1制模设备……………………………………………………………………… 3.2.2蜡膏制备……………………………………………………………………… 3.2.3制模工艺……………………………………………………………………… 3.2.4压型制造……………………………………………………………………… 3.3蜡模修整……………………………………………………………………………… 4.制壳工部设计………………………………………………………………………… 4.1 耐火材料选择……………………………………………………………………… 4.2涂料的配置及操作程序…………………………………………………………… 4.3 制壳……………………………………………………………………………… 4.4 脱蜡和型壳焙烧………………………………………………………………… 5.熔炼工部设计………………………………………………………………………… 5.1 熔炼操作步骤……………………………………………………………………… 6.浇注工部设计…………………………………………………………………………… 7.落纱清理及质检工部设计……………………………………………………………… 8.铸件表面处理方案的选择……………………………………………………………… 9.结束语…………………………………………………………………………………… 10.参考文献…………………………………………………………………………………
第五章 激光延寿技术 5.1激光熔覆表面处理技术 2、熔覆层的气孔和裂纹问题 熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H 。 同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。 这些H 溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出。 从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间。第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等。图2（a ，b ）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5％，10％合金。 HO H O H +→)(2汽2 CO M C O M y x +→+
图2 掺杂5％，10％合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测 3、激光熔覆工艺参数与优化 脉冲激光可调参数较多，包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等，这些参数并不是孤立存在的，它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂，因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量，以获得满意的处理效果。 1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响 对工件表面进行激光溶覆处理后，表面粗糙度通常较大，因此在实际使用之前，往往需对工件表面进行磨抛处理，这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究，例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al 2O 3,采用单道熔覆。 1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响 脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。 脉冲频率与激光扫描)%(560)(323C O B WO Ni a +++) %(1060)(323C O B WO Ni b +++
高速激光熔覆的加工成本是多少 高速激光熔覆近两年在金属表面处理行业博得很多的关注，相较传统表面处理工艺，高速激光熔覆技术从原理到应用有着诸多显著的优势。要想深入了解高速激光熔覆，那么激光熔覆是必然绕不开的话题。激光熔覆工艺已不算新鲜，与常见的电镀、热喷涂、堆焊、等离子焊等表面处理工艺类似，激光熔覆历经近15年的发展，设备技术及工业应用已经比较成熟。高速激光熔覆是在原有激光熔覆基础上发展而来，与普通激光熔覆相比具有熔覆加工效率高，熔覆表层平整以及熔覆成本低等优势。高速激光熔覆一经推出就刷新了人们对传统激光熔覆的认知，高速激光熔覆集成了电镀及热喷涂二者的优点，是最先进的绿色环保金属表面处理技术。 很多金属表面处理行业大型国企或领头企业纷纷开始引入该项技术，实现生产力的提高以及利润的提升。而对于一些还在观望的中小型企业甚至是个企，普遍关心的问题是高速激光熔覆工艺的生产成本问题，下面就这个问题做详细的介绍。以当前高速激光熔覆已广泛应用的煤矿液压支架行业为例，我们来计算高速熔覆修复一个平方面积的加工成本。 以目前市场占有率最多的中科中美6000高速激光熔覆设备为例，该台设备在客户现场实测加工修复液压支架时，熔覆层单边0.65mm厚度（简单抛磨后剩0.35mm)，实际效率为0.8㎡/h。 高速激光熔覆设备生产加工成本主要包括电费、易损件、气体、人员工资以及材料粉末的消耗成本这几大块。 （1）电费消耗。以中科中美ZKZM-6000为例，全套（机床+水冷+除尘+激光器）耗电功率约为34KW，这样以单平方加工需要电能为42.5KWh,按照工业用电1元每度，则单平方熔覆加工耗电费用约为42.5元。 （2）易损件消耗。普通激光熔覆工作时需要定期更换保护镜片。中科中美高速激光熔覆目前所有易损件质保期内免费赠送，因此该项费用可忽略。 （3）气体费用。高速激光熔覆设备在加工过程中需要使用氮气或氩气作为送粉气和保护气，在保证合适气压情况下，单平方米的熔覆加工使用的氮气消耗约为20元。 （4）人员工资。以城市平均工资6000元起算，月工作22天，每天工作8小时，以0.8㎡/h效率计算，高速熔覆单位面积人员费用为42元。 （5）金属粉末费用。中科中美6000W设备采用中心送粉技术，粉末利用率可达90%，以金属表面修复比较常见金属粉末来算，粉末单价约为70元/kg，则熔覆1个平米面积的金属粉末费用约为400元。 从上述几大费用来看，ZKZM-6000W高速激光熔覆设备加工1个平方米的面积，其费用约为505元。其中金属粉末成本占了整个消耗费用近80%。而普通激光熔覆因为其效率
熔模铸造工艺流程 模具制造 制溶模及浇注系 统 模料处理 模组焊接 模组清洗 上涂料及撒砂 涂料制备 重
复 型壳干燥(硬化 多 次 脱蜡 型壳焙烧 浇注 熔炼 切 割 浇 口 抛 光 或 机
工 钝化 修整焊补 热处理 最后清砂 喷丸或喷砂 磨内
口 震 动 脱 壳 模料 制熔模用模料为日本牌号：K512模料 模料主要性能： 灰分≤0.025% 铁含量灰分的10% ≤0.0025% 熔点 83℃-88℃（环球法）60℃±1℃ 针入度 100GM（25℃）3.5-5.0DMM 450GM（25℃）14.0-18.0DMM 收缩率 0.9%-1.1% 比重 0.94-0.99g/cm3 颜色新蜡——兰色、深黄色 旧蜡——绿色、棕色
蜡（模）料处理 工艺参数： 除水桶搅拌时温度 110-120℃ 搅拌时间 8-12小时 静置时温度 100-110℃ 静置时间 6-8小时 静置桶静置温度 70-85℃ 静置时间 8-12小时 保温箱温度 48-52℃ 时间 8-24小时 二、操作程序 1、从脱蜡釜泄出的旧蜡用泵或手工送到除水桶中，先在105-110℃下置6-8小时沉淀，将水分泄掉。 2、蜡料在110-120℃下搅拌8-12小时，去除水份。 3、将脱完水的蜡料送到70-85℃的静置桶中保温静置桶中保温静置8-12小时。 4、也可将少量新蜡加入静置桶中，静置后清洁的蜡料用手工灌到保温箱蜡缸中，保温温度48-52℃，保温时间8-24小时后用于制蜡模。
5、或把静置桶中的回收蜡料输入到气动蜡模压注机的蜡桶中，保温后压制浇道。 三、操用要点 1、严格按回收工艺进行蜡料处理。 2、除水桶、静置桶均应及时排水、排污。 3、往蜡缸灌蜡时，蜡应慢没缸壁流入，防止蜡液中进入空气的灰尘。 4、蜡缸灌满后应及时盖住，避免灰尘等杂物落入。 5、经常检查每一个桶温，防止温度过高现象发生。 6、作业场地要保持清洁。 7、防止蜡液飞溅。 8、严禁焰火，慎防火灾。 压制蜡（熔）模 一、工艺参数 室温20-24℃压射蜡温50-55℃ 压射压力0.2-0.5Mpa 保压时间10-20S 冷却水温度15±3℃ 二、操作程序
在很长一段时间内，传统的工业制造加工或者再修复，需要通过电镀技术，这一技术虽然曾一度在金属表面防护、装饰加工等方面发挥了很大的作用，但长期以来带来的污染问题让许多制造企业头疼不已，因此为减少污染，新的激光熔覆技术受到人们的欢迎。 激光表面熔覆具有能量密度高，熔覆质量致密，结合强度高，熔覆层组织的稀释率低、热影响区小等特点。激光表面熔覆为非接触式加工且输入热量可控，采用的规范激光修复方法可以解决其它焊接方法造成焊接残余应力和开裂倾向。因此可以先采用机械加工的方法去除牌坊表面的腐蚀层和磨损的疲劳层，然后选取耐腐蚀性和耐磨性都优于基材的粉末，采用激光熔覆的方法对牌坊进行修复，这样既避免了多次去除材料给牌坊造成的强度下降的缺陷，又避免了堆焊造成的因应力集中导致的变形问题，而且提高了牌坊的耐腐性和耐磨性。 激光熔覆技术是使用激光将金属粉末直接熔融，逐层沉积成型。激光熔覆技术完成的熔覆涂层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，属于先进环保的再制造加工技术，在工业再制造领域极大地减少企业的后续机加工成本，能有效延长产品使用周期，在钢铁行业轧机牌坊修复中大受欢迎。
现场激光修复案例分析 1、修复加工方法 因为轧机机架体积及重量大，附属管路等多，拆卸、安装、运输繁杂，另外有大修时间限制。轧机牌坊材质是ZG25，设计使用寿命年限为40年，牌坊工作面腐蚀失效深度1~2.5mm。通过现场勘察及使用工况的调研，综上因素，在考虑满足使用要求的前提下，确定针对轧机牌坊现场修复方法为： 通过在线机械加工，去除牌坊失效工作面（四块衬板下面及两个轧机轴承座底面）表面腐蚀疲劳层，上半面腐蚀较轻，下半面较严重，平均铣去大约2或3mm的深度，为激光熔覆前基体表面处理做准备。在通过机械加工去除材料，清除牌坊表面腐蚀层过程中，要保证恢复失效工作面（和安装面）的垂直度、平面度及粗糙度要求。再通过激光熔覆技术将特殊耐腐蚀材料熔覆到前面加工的基体表面，彻底改变了牌坊表面的特性。预计熔覆涂层寿命在十年以上，避免了对牌坊表面频繁的机加工修复带来的危害，彻底解决轧机牌坊磨损腐蚀的难题。 另外对各工作面原有螺栓孔的处理方法是：清理各螺栓孔，清除断折的螺杆，损伤螺纹
一、激光熔覆的原理 激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。 可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料 （AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。 在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具 有下述优点： （1 ）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能 亦更为优异。 （2 ）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的 成分与性能，节约昂贵的覆层材料。 （3 ）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。 （4 ）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。 由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。 激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，
尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材 料。 二、激光熔覆工艺方法 激光熔覆工艺方法有两种类型： 1、二步法（预置法） 该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括： （1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。但此法生产效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生产。 （2 ）预置片：将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片，置于工件需熔覆部位，再进行激光处理。此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此法处理能获得高质量涂层。 2、一步法（同步法） 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺， 它又有两种方/法。 同步送粉法：使用专用喷射送粉装置（见图）将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的熔覆层，容易 实现自动化。国外实际生产中采用较多。 同步送丝法：此法工艺原理虽与同步送粉法相同，但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料，更易保证熔覆层的成分均匀性，尤其是当熔覆层是复合材料时，不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量，且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。但是丝材表面光滑，对激光的反射较强，激光利用率相时较低；此外，线材制造过程较 复杂，且品种规格少。
激光熔覆技术分析与展望 作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化， 作者：张庆茂 激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、
第一章绪论 1 熔模铸造是一种近净成形工艺。 2. 随着技术的发展，熔模铸造已可以生产更大、更精、更薄、更强的产品。 更大更薄：最大轮廓尺寸可达1.8m，而最小壁厚却不到2mm，最大铸件重接近1000kg； 更精：一般线性尺寸公差为CT4~CT6级，特殊线性尺寸公差高的可达CT3级； 表面粗糙度值也越来越小，可达到Ra0.8um，甚至Ra0.4um； 更强：钛合金精铸技术使生产复杂钛合金铸件成为可能，特别是铸造大型复杂钛合金铸件可替代很对零件的组装件，大大减轻产品的重量又提高了产 品的强度。 3. 影响熔模铸件尺寸精度的因素归纳起来分为四个方面：铸件结构形状、大小 压型和生产工艺。 4. 熔模制造的应用实例：定向凝固和单晶叶片、工业涡轮叶片、前机匣、主屏 蔽罩、传动机匣、显示器框架。 第二章制模材料及工艺 1. 用于熔模铸造的制模材料应在下述性能方面满足一定的要求：熔点、热稳定性、流动性、收缩率、强度和塑形、焊接性、涂挂性、灰分。 2. 熔模制造工艺 影响熔模质量的主要参数有：压注时模料温度、压注压力对熔模尺寸的影响、充型时间（即充型速度）对熔模尺寸的影响、保压时间对熔模尺寸的影响、取模时间对熔模尺寸的影响、压型温度对熔模尺寸的影响。 第三章制壳材料及其基础知识 1. 熔模铸造的铸型目前普遍采用的是多层材料制成的型壳。 2. 型壳最本质的特点是具有整体的、无分型面、发气性低的、光洁的型腔表 面。 3. 对型壳性能的要求： （1）强度 强度是型壳最重要、最基本的性能。在脱蜡、焙烧和浇注时，型壳将会受到各种应力的作用，若强度不够，型壳就会发生变形、裂纹或破碎。 随着铸件冷凝成型后，则要求型壳有良好的退让性，也就是残留强度主要低，以免阻碍铸件收缩和便于脱壳清理。此外，型壳还应具有高的表面强度，以免因液体金属流的冲刷作用或搬运型壳时，内外表面酥松、脱落。 型壳的常温强度，主要是根据粘结物对颗粒材料的附着力和粘结物本身的内聚力以及型壳的宏观结构而定。 对同一种粘结剂而言，型壳的强度随粘结剂与耐火材料的配比、耐火材料的粒度以及型壳的干燥硬化程度而变。不同的粘结剂型壳的强度也不同。 型壳的高温强度，除了与影响常温强度的因素有关外，在加热过程中强度发生变化主要与粘结剂和耐火材料的性质及其组成有关。 （2）透气性 透气性是指气体透过型壁的能力。 虽然型壳时焙烧后浇注的，但因型腔中及型壁空隙中充满着空气，或残
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120296206 激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响 朱刚贤 张安峰 李涤尘 (西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,陕西西安710049) 摘要 为了获得平整的熔覆层表面质量,对316L 不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度、平宽比(表面平整度与单层熔覆宽度比值)及平高比(表面平整度与单层熔覆高度的比值)的影响进行了实验研究。分析了单层熔覆宽度、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系,并进行了单层熔覆宽度、单层熔覆高度及表面平整度的测试。实验结果表明,随激光功率增大、送粉量增大及扫描速度的减低,熔覆层表面的平整程度降低;随载气流量增大,熔覆层表面的平整程度先增加后降低。 关键词 激光技术;激光熔覆;成形质量;工艺参数;表面平整度 中图分类号 TN249;T G 39 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0296 Ef f ect of P r oces s P a r a met e rs on S u rf ace S m oot h nes s i n L as e r Cl a ddi n g Zhu Gangxian Zhang Anf eng Li Dichen (St a te Key L abor a tor y f or Ma n uf act u ri ng S yste ms Engi neeri ng ,Xi ′a n J i aotong U niversit y , Xi ′a n ,S ha a nxi 710049,Chi n a ) Abs t r act To obtain the smooth surface quality of cladding layer ,the effects of p rocess parameters on surface smoothness and the ratios of the width and height of cladding layer to surface smoothness were studied by experiments in laser cladding.The relationships of the height and width of cladding layer with center distance and overlapping ratio were analyzed ,and the height ,width and surface smoothness of cladding layer were tested.The experimental results indicate that the degree of surface smoothness decreases with the increase of laser power and powder mass flow rate and the reducing of t raverse speed ;the degree of surface smoothness firstly increased then decreased with the growth of carrier gas flow rates. Key wor ds laser technique ;laser cladding ;forming quality ;p rocess parameters ;surface smoothness 收稿日期:2009202209;收到修改稿日期:2009203227 基金项目:国家973计划(2007CB707704)、国家自然科学基金(50675171)和长江学者和创新团队发展计划 (PCSIR T0646)资助课题。 作者简介:朱刚贤(1980—),男,博士研究生,主要从事复杂构件的高能束控形控性制造方面的研究。E 2mail :gxzhu2005@https://www.doczj.com/doc/a24839706.html, 导师简介:李涤尘(1964—),男,博士,教授,主要从事快速成形制造、生物制造和复合材料成形等方面的研究。E 2mail :dcli @https://www.doczj.com/doc/a24839706.html, (通信联系人) 1 引 言 激光熔覆技术是利用高能激光束为热源,以预 置或同步供给方式在基材表面添加金属粉末(丝)使之具有优异的耐磨、耐蚀及耐热等性能的表面改性技术。在激光熔覆过程中,激光、粉末材料及基体间相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化2凝固冶金过程,这就导致熔覆层的成形质量很难得到准确控制。提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的 热点和追求的直接目标,而加工工艺参数(如激光功 率、扫描速度、送粉量及载气流量等)对熔覆层成形质量起决定性作用,在已有的研究中主要关注的是送粉量、激光功率、扫描速度、保护气流量等加工参数对熔覆层成形宽度、高度的影响规律,也有研究搭接率对表面成形质量的影响[1～7],而熔覆层的表面平整度作为衡量熔覆层成形质量的一个重要指标,目前尚缺乏系统的研究。本文在扫描路径一定的条
高速激光熔覆相关技术参数介绍 高速激光熔覆是一种快速激光表面处理技术，主要涉及技术参数分为两个方面，一是激光熔覆过程中，设备的调试设置参数，称为加工参数；二是熔覆完成后，对熔覆效果质量的测评衡量参数，称为检测参数。 加工参数主要包括激光功率、光斑形状、光斑尺寸、加工距离、搭接率、熔覆速度、送粉方式、保护气气压共8项关键参数。 （1）激光功率，激光器单位时间内输出的能量。高速激光熔覆一般用KW级激光器，如ZKZM-2KW和ZKZM-4KW在市场上推广应用较多，可满足大部分的领域使用需求。 （2）光斑形状，常见的光斑形状分圆形和矩形两种，用户根据加工对象特点选择使用。 （3）光斑尺寸，光斑尺寸主要影响光功率密度，即单位面积的光能量大小，同等功率条件下，光斑尺寸越小，光功率密度越大，高功率密度光斑适宜熔覆高熔点的金属粉末。 （4）加工距离，指激光出光口距基体表面的距离。加工距离过远，金属粉末容易发散，粉末利用率低；加工距离近，激光熔覆头受激光辐射表面温度过高，严重造成粉末堵塞。 （5）搭接率，搭接率是影响熔覆层表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆层表面粗糙度降低。但搭接部分的均匀性很难得到保证。每道熔覆层之间相互搭接区域的深度与每道熔覆层正中的深度有所不同，从而影响了整个熔覆层。高速熔覆的搭接率高达70%-80%(普通熔覆的搭接率为30%-50%)。 （6）熔覆速度，熔覆线速度和熔覆面积速率均可表示熔覆速度大小。中科中美高速激光熔覆实测线速度为30m/min-100m/min，在熔覆厚度0.2-0.5mm时，熔覆效率每小时0.7-1.2平方米。 （7）送粉方式，高速激光熔覆送粉方式主要有环形送粉和中心送粉两种方式，中心送粉较环形送粉粉末利用率高，但设计难度较大，光束需呈环形围绕送粉管一周，目前市场上环形送粉应用较多。 （8）保护气气压，保护气压力大小加工时可调。保护气一般使用氮气或氩气，主要用于送粉以及在激光熔覆熔池周围形成保护区域，减少氧化。
浙江工贸职业技术学院 单元教学设计 2016 —2017 学年第二学期 课程名称：3D打印工艺实践 授课班级： 任课教师：金露凡 所在院（系）：材料工程系
单元教学设计基本框架 第一部分：组织教学和阐述本部分知识的总体概况（时间：2分钟） 1、回顾激光熔覆成型（LCF）技术的基本原理、过程 2、总述本次课学习 激光熔覆工艺对于熔覆成型的质量起到至关重要的作用。学会激光熔覆工艺第二部分：学习新内容 【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）教学内容：激光熔覆工艺流程及工艺参数 教学目的：了解激光熔覆成型过程中主要的工艺流程及工艺参数 掌握激光熔覆工艺参数的调节方法 掌握工艺参数的优化方法以及不同工艺参数对熔覆结果的影响 【步骤二】新知识的引入（时间：20分钟）激光熔覆技术兴于 20 世纪 70 年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理( 渗氮、渗碳、渗金属) 、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素。 激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。 同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较
熔 模 铸 造 工 艺 流 程 料 模料 主 要 性 能： 灰 分 ≤0.025% 铁含量 灰分的10% ≤0.0025% 熔 点 83℃-88℃（环球法）60℃±1℃ 针入度 100GM （25℃）3.5-5.0DMM 450GM （25℃）14.0-18.0DMM 收缩率 0.9%-1.1% 比 重 0.94-0.99g/cm 3 颜 色 新蜡——兰色、深黄色 旧蜡——绿色、棕色 蜡（模）料处理 工艺参数： 除水桶 搅拌时温度 110-120℃ 搅拌时间 8-12小时 静置时温度 100-110℃ 静置时间 6-8小时 静置桶 静置温度 70-85℃ 静置时间 8-12小时 保温箱 温 度 48-52℃ 时 间 8-24小时 二、操作程序
1、从脱蜡釜泄出的旧蜡用泵或手工送到除水桶中，先在105-110℃下置6-8小时沉淀，将水分泄掉。 2、蜡料在110-120℃下搅拌8-12小时，去除水份。 3、将脱完水的蜡料送到70-85℃的静置桶中保温静置桶中保温静置8-12小时。 4、也可将少量新蜡加入静置桶中，静置后清洁的蜡料用手工灌到保温箱蜡缸中，保温温度 48-52℃，保温时间8-24小时后用于制蜡模。 5、或把静置桶中的回收蜡料输入到气动蜡模压注机的蜡桶中，保温后压制浇道。 三、操用要点 1、严格按回收工艺进行蜡料处理。 2、除水桶、静置桶均应及时排水、排污。 3、往蜡缸灌蜡时，蜡应慢没缸壁流入，防止蜡液中进入空气的灰尘。 4、蜡缸灌满后应及时盖住，避免灰尘等杂物落入。 5、经常检查每一个桶温，防止温度过高现象发生。 6、作业场地要保持清洁。 7、防止蜡液飞溅。 8、严禁焰火，慎防火灾。 压制蜡（熔）模 一、工艺参数 室温20-24℃压射蜡温50-55℃ 压射压力0.2-0.5Mpa 保压时间10-20S 冷却水温度15±3℃ 二、操作程序 1、从保温槽中取出蜡缸，装在双工位液压蜡模压注机上，使用前应去除蜡料中空气及硬 蜡。 2、将模具放在压注机工作台面上定位，检查模具所有芯子位置是否正确，模具注蜡口与压 注机射蜡嘴是否对正。 3、检查模具开合是否顺利。 4、打开模具，喷薄薄一层分型剂。 5、按照技术规定调整压注机时间循环，包括压射压力、压射温度、保压时间、冷却时间 等。 6、每次循环完毕，抽出芯子，打开模具，小心取出蜡模，按要求放入冷却水中或存放盘 中。注意有下列缺陷的蜡模应报废： A因模料中卷入空气，蜡模局部有鼓起的；B蜡模任何部位有缺角的； C蜡模有变形不能简单修复的；D尺寸不符合规定的。 7、清除模具上残留的模料，注意只能用竹刀，不可用金属刀片清除残留模料，防止模具型腔 及分型面受损。 8、合上模具，进行下次压制蜡模。 每班下班或模具使用完毕，应用软布或棉棒清理模具，使用螺钉紧固好模具。 9、如发现模具有损伤或不正常，应立即报告领班，由领班处理。
综述激光熔覆材料的若干问题 李春彦1 张 松1,2 康煜平1 刘常升2 (1沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳 110023)(东北大学,沈阳 110004) 提要:综合评述了激光熔覆材料的设计原则、体系分类,提出了激光熔覆材料应用中存在的主要问题及解决途径,并指出了熔覆材料的发展趋势。 关键词:激光熔覆,材料体系,复合涂层 Comment on material system for laser cladding Li Chunyan1 Zhang Song1,2 Kang Y uping1 Liu ChangSheng2 (1S chool of M aterials Science and Engineering,Shenyang Univers ity of Technology,Shenyang110023) Abstract:This paper describes the rul es of design,material system of the las er cladding materials.The main probl ems and the solutions of the laser cladding materials application are pres ented.The development tendency of cl adding materials is pointed out. Key words:laser cl adding material system,compos ite coatings 1 引言 激光熔覆技术是指在被涂覆基体表面上,以不同的添料方式放置选择的涂层材料,经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化,快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工艺方法〔1～9〕。它是一种经济效益较高的表面改性技术,可以在低性能廉价钢材上制备出高性能的合金表面,以降低材料成本,节约贵重稀有金属材料〔10～12〕。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,是一种对裂纹敏感的工艺。在考察熔覆材料、扫描速度、激光功率、离焦量和基材等因素对裂纹敏感性的影响时,发现熔覆材料的影响排在首位。激光熔覆技术从七十年代中期发展至今〔13〕,选择涂层材料仍是个关键的问题。覆层材料的选择是否适当,将直接影响到激光熔覆层的使用性能及激光熔覆工艺。为此本文将对激光熔覆材料的研究进展情况做一综合评述。 2 激光熔覆材料设计的一般原则 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的状况来选配〔14〕。对于一定工作环境,对于某一基体而言,存在一最佳涂层合金〔15～17〕。目前,对于涂层材料及基体材料的许多物理性质无法知道,因此如何去度量涂层材料与基材是否具有良好的匹配关系,成为激光熔覆技术的一个重点。另外,在设计时,不能一味地追求涂层材料的使用性能,还要考虑涂层材料是否具有良好的涂覆工艺性,尤其是与基材在热膨胀系数、熔点等热物理性质上是否具有良好的匹配关系。 2.1 激光熔覆材料与基材热膨胀系数的匹配 激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的热膨胀系数的差异〔15,18,19〕,所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在热膨胀系数上的匹配,考虑涂层与基材的热膨胀系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能,特别是抗开裂性能的影响。目前,大多数研究都是根据激光熔覆层与基材热膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为,为防止涂层开裂和剥落,涂层和基材的热膨胀系数应满足同一性原则,即二者应尽可能地接近〔20,21〕,考虑到激光熔覆的工艺特点,基材和涂层的加热和冷却过程不同步,熔覆层的热膨胀系数在一定范围内越小,熔覆层对开裂越不敏感。为此,文献〔19〕给出了激光熔覆层材料与基材热膨胀系数的匹配原则,即二者的相关参数应满足下式: σ2(1-γ)/(E·ΔT)<Δα<σ1(1-γ)/(E·ΔT)式中σ1、σ2分别为熔覆层与基材的抗拉强度;Δα为二者的热膨胀系数之差;ΔT是熔覆温度与室温的差值; E、γ分别为熔覆层的弹性模量和泊松比。 从上式可以看出,熔覆层的热膨胀系数并不是越小越好,而是需有一定的范围。超出上述的范围,易在基材表面形成残余拉应力,甚至造成涂层和基材开裂。 吴新跃等选择了Fe基、Co基、Ni基三个系列十几种牌号的合金粉末,对34CrN i3M o合金调质钢进行了对比实验,结果选定了一种Co基合金粉末。而Ni基合金及其它一些热喷涂不易发生裂纹的合金,反而在激光熔覆实验中不适用,作者认为这是所选择的合金粉末与基体的热膨胀系数之间的匹配性引起的〔15〕。2.2 激光熔覆材料与基材熔点的匹配 2001年12月8日收稿
激光熔覆工艺参数和材料等因素对熔层裂纹关系影 响的探讨与思考 摘要：激光熔覆中裂纹是影响熔层质量的关键因素，本文就激光熔覆中裂纹产生的原因主要是应力方面进行分析，从而从激光工艺参数、材料等方面进行考虑消除裂纹，希望对以后的裂纹控制有所帮助。 关键词：应力；裂纹；工艺参数；材料 Research on the Effect of Laser Cladding Process Parameters and Materials to the Crack Melt Layer Relationship Factors Abstract：The crack is key factors of laser cladding layer’s quality ,this paper mainly analysis the effect of stress to the crack, thus from laser process parameters and materials to consider eliminating crack and offer advices to the later research. Key words: stress; crack; process parameters; materials 1引言 众所周知，激光熔覆过程中由于各种应力包括热应力、组织应力和约束应力等，以及温度梯度和熔池对流传质等的影响都会导致熔覆层出现裂纹等不良因素，这些不良因素严重的妨碍了激光熔覆技术对实验对象质量的可靠性和性能优良性的应用，为此我们必须想办法消除这些裂纹。而在大多数情况下，裂纹的出现和消除极大程度上取决于激光熔覆工艺参数的选取以及材料选取等其他因素的影响，因此我们对这一参数进行一一分析并总结得出了解决裂纹的办法。 。本文综合国内外研究成果，分析了激光熔覆的影响因素，认为热应力、组织应力和约束应力足产生激光熔覆裂纹的主要因素。并从激光工艺和材料选择两个方面剖析了产生熔覆裂纹的内在原因，从激光功率、扫描速度、光斑大小和材料等方面探讨了消除激光熔覆裂纹的方法。 2激光熔覆裂纹产生的机制 我们知道裂纹出现的原因主要是各种应力的影响，包括热应力、组织