激光熔覆状态及表面成形
钛合金表面激光熔覆过程中,影响激光熔覆层质量的工艺因素很多,如激光功率P、光斑尺寸(光束直径D或面积S)、光腔输出时光束构型和聚焦方式、工件移动速度或激光扫描速度V、激光扫描多道搭接系数a,以及不同境料方式确定的涂层材料添加参量(如预置厚度d或送粉量g)等。激光熔覆层质量主要靠调整三个参数来实现,即激光功率P、激光束直径D和扫描速度V。
(1)激光比能与稀释率
激光熔覆参数不是独立地影响熔覆层宏观和徽观质量,而是相互影响的。为说明三者的综合作用,提出了激光比能的概念,比能E8=P/(DV),即单位面积的辐照能量,需将功率密度和扫描速度等因素综合在一起考虑。
稀释率是评定激光熔覆层表面品质和合金过渡的主要依据之一,其定义为涂层材料和熔化的熔覆基材的混合引起的涂层合金的成分变化。它可以用面积法或成分法计算。用面积法计算的稀释率又称几何稀释率,定义式为r=Sl/(Sl+S2=)x100%,式中r为稀释率,s1为基材熔化面积,s2为熔覆层面积。也可简化为r=h/
(H+h)X100%,式中h为基材材料的熔深,H为熔覆层深度。比能研究表明,比能减小有利子降低稀释率,同时它与粉末层厚度也有着不同的依赖关系。
在激光功率一定的条件下,所形成的激光熔覆层稀释率随光斑宽度增大而减小;当扫描速度和光斑宽度一定时,熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。同样,随着扫描速度的增加,基材的熔化深度下降,基材材料对熔覆层的稀释率下降,一般认为在10%以下为宜。但稀释率并不是越小越好,稀释率太小形成不了良好的结合界面。
多道熔搜中搭接率也是影响熔覆层表面粗糙度的重要因素。随着捂接率的提高,熔覆层表面粗糙度降低,但搭接部分的表面均匀性很难得到保证。熔覆道之间相互搭接区域的深度与熔覆道正中的深度有所不同,从而影响了整个熔覆层深度的均匀性。残余拉应力会盛加,使局部总应力值迅速增大,提升了熔覆层裂纹敏感性。预热和回火能显著降低激光熔覆层中产生裂纹的倾向。
钛合金表面激光熔覆的目的是提高钛合金的耐热性、耐蚀性及耐磨性等特性。因此,激光熔覆层的质量至关重要,宏观质量与徽观质量都需要获得较好的试验指标。良好的激光熔覆层具有光滑平整的表面形貌,且没有明显表面微裂纹产生。可通过观察钛合金激光熔覆层的表面形貌初步确定较为合理的工艺参数。