同轴送粉激光熔覆件质量影响因素

### 同轴送粉激光熔覆件质量影响因素 #### 引言 同轴送粉激光熔覆技术作为快速成型领域的重要分支，以其独特的技术优势（如：短周期、低成本、高灵活性及优异的性能）在模具制造行业中展现出巨大的应用潜力。自1976年激光熔覆技术获得专利以来，众多科研人员对此技术展开了深入的研究，并取得了显著成果。例如，Rolls Royce公司在1981年成功将激光熔覆技术应用于喷气发动机叶片的钴基合金熔覆；Atwood等人则利用钢、镍基超耐热合金及钛等材料精准制造出了符合精度与性能要求的金属部件。此外，Fraunhofer Production Technology研究所开发的一套集成铣削功能的激光熔覆成型系统显著提升了零部件的精度和表面光洁度，使得成形件的致密度可达100%。然而，在实际应用中，如何有效控制熔覆件表面的微裂纹成为关键技术难题之一，这直接关系到合金能否成功实现激光快速成型制造。 #### 同轴送粉激光熔覆成形的工艺过程 同轴送粉激光熔覆技术结合了快速成型制造技术和激光表面强化技术的优势。其成型原理与其他快速成型技术类似，即先由计算机生成零件的CAD模型，然后将该模型直接或通过STL文件格式分层处理，形成分层文件。基于这些分层文件设计扫描路径，并生成用于驱动激光工作头或工作台运动的数控程序。在激光工作头或工作台移动的同时，金属粉末通过同轴送粉系统聚焦到激光束形成的熔池中。激光束相对于金属基体进行平面扫描运动，从而在基体上熔覆出具有一定高度和宽度的连续金属带。每完成一层扫描后，工作台会下降一定高度，继续熔覆下一层，直至形成所需的金属零件。同轴送粉的特点在于粉末流和激光光斑沿同一轴线输入，这确保了无论基体在垂直于光斑的平面上如何移动，其效果均保持一致，从而克服了因激光束和材料引入不对称性而产生的扫描方向限制。 #### 激光能量吸收表达式和稀释率表达式 为了更深入地理解熔覆过程中激光能量的利用效率和熔覆材料的稀释情况，研究者们建立了粉末对激光能量吸收的数学模型以及稀释率的计算公式。粉末对激光能量的吸收主要取决于粉末颗粒的尺寸、形状以及材料的光学性质等因素。吸收表达式的建立有助于优化粉末粒度分布、调整激光功率和扫描速度等工艺参数，以提高熔覆效率和质量。 稀释率则是指熔覆层中基体材料所占的比例，它直接影响到熔覆层的化学成分和性能。稀释率表达式的建立对于预测熔覆层性能、避免熔覆缺陷具有重要意义。通过调整送粉速率、激光功率等参数，可以有效地控制熔覆层的稀释率，进而改善熔覆件的整体质量。 #### 材料特性和工艺参数对熔覆件质量的影响 **材料特性**：熔覆材料的物理化学性质（如熔点、热膨胀系数、导热系数等）直接影响着熔覆过程的稳定性和熔覆层的性能。例如，材料的熔点越高，所需的激光功率也越大；而材料的热膨胀系数和基体之间的差异，则会导致熔覆层产生较大的热应力，从而增加开裂的风险。 **工艺参数**：合理的工艺参数选择对于保证熔覆件的质量至关重要。主要包括但不限于激光功率、扫描速度、送粉速率等。例如，激光功率过低会导致熔覆层无法充分熔化，而过高则可能引起飞溅或气孔等问题；合适的扫描速度可以确保熔覆层的均匀性，避免出现未熔合或过度熔化的情况；送粉速率则直接关系到熔覆层的厚度和成分。 #### 结论与展望 同轴送粉激光熔覆技术的发展面临着诸多挑战，包括如何更好地控制熔覆件表面的微裂纹、提高熔覆层的致密度以及优化材料特性和工艺参数以提升整体质量等。未来的研究应当着重于以下几个方面： 1. **材料特性的优化**：开发新型合金材料，提高熔覆层的耐磨性和耐蚀性； 2. **工艺参数的精确控制**：利用先进的传感器技术和智能控制系统，实时监测并调整激光功率、扫描速度等关键参数； 3. **数值模拟技术的应用**：借助有限元分析等数值模拟手段，预测熔覆过程中的温度场、应力场变化，为优化工艺提供理论依据； 4. **表面处理技术的发展**：探索有效的表面处理方法，进一步改善熔覆层的微观结构和表面质量。 通过对同轴送粉激光熔覆技术的深入研究，不仅可以为该领域的技术进步提供理论支持，而且能够推动激光熔覆技术在更多工业领域的广泛应用。