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北大工学院获突破:激光熔覆工艺现状及前景分析

2013-11-12 08:50
络遇
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  近日,北大工学院包头研究院研发了一项具有国家领先水平的技术———激光熔覆,这项技术可以将受损机械零部件重新利用,既节约、又环保。

  据了解,经激光熔覆技术处理后的产品,加了耐磨层,比新产品的硬度和耐磨性更强,使用时间更长,修覆成本比购买新产品便宜70%以上,能够有效降低企业成本。

  自2012年10月,北大工学院包头研究院“落地”后,该院激光应用技术研究所也于2013年1月5日挂牌成立,这标志着激光应用高新技术在包头启航。今年7月,为了实现技术转化,北京大学投入500万元注册成立了包头北大工道激光有限公司。同时,青山区政府先后投入68万元对北大工学院包头研究院给予资金支持,并无偿提供办公用房和科研场所。

        激光熔覆工艺发展现状及前景分析

        激光熔覆( 亦称激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料,经高能密度激光束辐照加热,使之和基体表面熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶金结合的表面涂层的工艺过程。激光熔覆具有如下优点:1) 激光束的能量密度高, 加热速度快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;2) 控制激光的输入能量,可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2%-8%),从而保持了原熔覆材料的优异性能;3) 激光熔覆涂层与基材之间结合牢固(冶金结合),且熔覆涂层组织细小。这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。大面积激光熔覆工艺方法主要有两种:多道搭接和多层叠加,即从横向和纵向两个方向进行的加工处理。多层叠即先在基体上进行第一次熔覆,然后在熔覆后的涂层上进行二次粉末预置,待粉末干燥后进行第二次熔覆,按此方式继而完成多层熔覆,不同层可以预置不同的粉末,从而达到不同的预期效果。

  1.1 激光熔覆材料体系

  (1) 自熔性合金粉末:可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金,其主要特点是含有硼和硅,具有自脱氧和造渣能力, 即自熔性。自熔合金的硬度与合金含硼量和含碳量有关,随硼、碳含量的增加而提高,这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。

  (2) 碳化物复合粉末体系:由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成,主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料,具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系适应于低温(<560℃)的工作条件,而(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系适用于高温工作环境。此外,(Co、Ni)/WC复合粉还可与自熔性合金粉末一起使用。

  (3) 氧化物陶瓷粉末:具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能,主要分为氧化铝和氧化锆两个系列, 而后者比前者具有更低的热导率和更好的抗热震性能,因而广泛用作热障涂层材料。

  1.2 激光熔覆工艺种类

  激光熔覆的工艺可以分为两种:一种是激光处理前供给添加材料,即粉末预置法;另一种是激光处理过程中同步供给添加材料,即同步送粉法。粉末预置激光熔覆是将材料事先放置于基体材料表面的熔覆部位,然后采用激光束辐射扫描熔化,熔覆材料可以采用粉末、丝材或板材的形式加入,其中,以粉末的形式最为常用。绝大多数研究采用粉末预置方式。预置涂层式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、预置涂层材料、预热、激光熔化、后热处理。同步送粉式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和激光熔覆同时完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入,有时也会采用线材和板材的形式进行同步送料。对于熔覆面积比较大的零件可采用同步送粉法。此种方法送粉量可以调节,同步送粉器可以连续工作,因而熔覆效率高,适用于实际生产中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、送料激光熔化、后热处理。

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