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光纤激光器如何改进熔覆及增材制造

2016-09-23 09:24
木中君
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  众所周知,熔覆可以改善金属零件的抗磨损和抗腐蚀性。虽然传统的电弧焊和基于激光的方法是经济上可行的工艺,并能带来不错的性能,但在熔覆过程中仍然有可能形成碳化物晶粒,从而会影响熔覆层的机械强度和寿命。本文介绍了一种新的自动化的激光工艺,能避免碳化物晶粒的形成,并探讨了新一代光纤激光器如何让该工艺不受背反射的影响。

  传统激光熔覆的特点

  简单地说,熔覆材料以粉末或丝状的形式被引入到零部件的表面,随后用激光器来选择性地将这种材料和基材溶化到非常小的深度,以融合这两种材料。

  相比电弧焊和热喷涂方法,激光熔覆具有几个优势。具体来说,对热量进行精准而有限的应用,可以将零部件的热变形控制在最小比例甚至不会产生热变形,从而免去了后续处理中再加工的需要。同时,激光熔覆也会让沉积材料和基体材料产生很少的混合(稀释),在熔覆层和基材之间产生真正牢固的冶金结合。

  然而,几位研究人员注意到,有时候在激光熔覆过程中发生的材料快速冷却,会产生结合缺陷,并在熔覆层中产生一些孔隙,从而导致晶粒或其他异质显微结构的形成。这些结构的特殊性质高度依赖于精确的激光工艺参数与采用的熔覆材料,他们还观察到裂缝、孔隙和各种柱状和带状晶粒结构的存在。每一个这样的结构都会影响熔覆层的寿命和有效性。例如,熔覆层裂纹会为腐蚀提供温床,甚至可能会贯通熔覆层直至基体。晶粒或其他微观结构会影响熔覆层的机械性能,并且已经被证明在某些情况下会降低熔覆层的抗拉强度。

  优化熔覆工艺

  对各种工艺参数的影响进行了研究,如激光功率、激光光束扫描速度、送料速度和熔覆材料的精确配方。通过适当地控制这些因素,可以将不良的熔覆微观结构的形成降至最低甚至避免这些瑕疵。具体地说,可以通过以下方法来创建高性能的熔覆系统,包括精确地模拟熔覆过程、优化熔覆材料,并在之后仔细控制熔覆工艺流程以重现计算结果。

  K?thener Spezialdichtungen GmbH(KSD,德国Kleinwülknitz)开发了一种“激光材料快速制造系统(Rapid Laser Materials Manufacturing,R:LM2)”。该系统由三个主要功能元件组成,即混料系统、迷你熔化炉和沉积控制系统(图1)。

图1:KSD的“激光材料快速制造系统”的主要功能元件示意图

  混料系统包含几种不同的熔覆粉末以及配备了材料模拟软件的计算机。迷你熔化炉包括光纤激光器和密封处理室,而后者包含光学聚焦元件、送粉喷嘴、运动系统、高温测量仪及过程监控摄像机。沉积控制系统配置了运行着CAD/CAM软件和有限元方法(FEM)模拟软件的计算机。

  R:LM2 通过对一组有限的金属粉末进行各种组合后来创建不同的熔覆层。为了根据给定的应用来选出合适的配方,需要将客户的要求输入到该系统中,包括熔覆层所需的机械性能和化学性能(如耐腐蚀性)。然后,材料模拟程序使用相图来计算出能满足性能要求的熔覆材料的最佳组合。

  然后,沉积控制系统中的FEM模拟软件接收到这个配方,并确定好熔覆工艺参数,包括送粉速度、激光功率、气体成分、需要的工艺温度,以获得最佳效果。在密封处理室中,金属粉末通过喷嘴被喷涂到工件上,然后用激光熔化。熔覆区域的具体形状由喷嘴和激光光束的运动轨迹来确定,主要是通过沉积控制系统中的CAD/CAM软件来控制。沉积控制系统通过过程摄像机来监控熔覆区域的尺寸和位置,并用高温测量仪来监控温度,必要的时候调整参数以获得预期的效果。R:LM2系统还能严密控制密封处理室中的气体。这对于实现均匀、重现性好的熔覆是至关重要的。

  相比传统的激光熔覆,用R:LM2 系统打造的熔覆展现出非常精细的碳化物晶粒结构。这些涂层都不含孔隙或裂缝,并且可以达到 68 HRC的硬度级别。此外,该系统还有望显著降低熔覆成本,因为最常见的传统熔覆材料都很昂贵,例如镍合金、碳化钨和因科镍合金(Inconel)。而R:LM2 所具有的复杂模拟和精准沉积能力,使其在使用成本较低的有色合金组合时也能让熔覆层在抗腐蚀和耐磨性等方面实现同样的效果。另外,该系统大大减少了复杂零部件的加工周期。

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