先進(jìn)材料-激光熔覆

1、,1 激光原理與特點(diǎn),1.1 激光的產(chǎn)生 激光最初被譯作“萊塞”，即英語“Laser”，是“Light amplification by stimulated emission of radiation”(意為“輻射的受激發(fā)射光放大”)的縮寫。后來在20世紀(jì)60年代初期，由錢學(xué)森建議，把光受激發(fā)射器改稱為“激光”或“激光器”。,,,世界上第一臺(tái)紅寶石激光器由美國科學(xué)家梅曼于1960年發(fā)明成功，隨后各種激光器不斷涌現(xiàn)

2、，我國科學(xué)家王之江也于1961年在長(zhǎng)春光機(jī)所研究成功我國第一臺(tái)激光器。 激光器作為20世紀(jì)四大發(fā)明之一，它為人們科學(xué)研究、生產(chǎn)提供一個(gè)新的方法，也給人類的生活提供了很大方便，特別在是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，激光加工技術(shù)在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)上不可缺少的一種方法。,,,1.1.1光的自發(fā)輻射 由于電子在原子外層的不同分布，具有不同的內(nèi)部能量，從而形成所謂的能級(jí)。若原子處于內(nèi)部能量最低的

3、狀態(tài)，則稱原子處于基態(tài)。其他比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都稱激發(fā)態(tài)。在熱平衡情況下，絕大多數(shù)原子都處于基態(tài)。處于基態(tài)的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。,,,1.1.2 光的受激吸收 當(dāng)原子受到外來的能量為hν21的光子作用(激勵(lì))下，處于低能級(jí)E1上的原子由于吸收一個(gè)能量為hν21的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí)E2上去，這種過程稱為光的受激吸收。,,,1.1.3 光的受激輻射 當(dāng)

4、原子受到外來的能量為hν的光子作用(激勵(lì))時(shí)，處在高能級(jí)E2上的原子也會(huì)在能量為hν的光子誘發(fā)下，從高能級(jí)E2躍遷到低能級(jí)E1，這時(shí)原子發(fā)射一個(gè)與外來光子一模一樣的光子，這種過程稱為光的受激輻射。,,1.2 激光工作原理,1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，高能級(jí)上的粒子數(shù)總是小于低能級(jí)的粒子數(shù)。 由于外界能源的激勵(lì)(光泵或放電激勵(lì))，破壞了熱平衡，有可能使得處于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)n2大大

5、增加，達(dá)到n2>n1。 這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,,,一般可把原子從低能級(jí)n1激勵(lì)到高能級(jí)n2以使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程稱為泵浦(或抽運(yùn))。 泵浦裝置實(shí)質(zhì)上是激光器的外來能源，提供光能、電能、熱能、化學(xué)反應(yīng)能或原子核能等。激光泵浦裝置的作用，是通過適當(dāng)?shù)姆绞?，將一定的能量傳送到工作物質(zhì)，使其中的發(fā)光原子(或分子、離子)躍遷到激發(fā)態(tài)上，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。,,,2. 諧振腔

6、 光學(xué)諧振腔裝有兩面反射鏡，分置在工作物質(zhì)的兩端并與光的行進(jìn)方向嚴(yán)格垂直。反射鏡對(duì)光有一定的透過率，便于激光輸出；但又有一定的反射率，便于進(jìn)行正反饋。由于兩反射鏡嚴(yán)格平行，使在兩鏡間(即諧振腔內(nèi))往返振蕩的光有高度的平行性，因而激光有好的方向性。,,,,全反射鏡,部分反射鏡,,,3. 激光振蕩 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，一旦發(fā)生受激發(fā)射，由于在激光工作物質(zhì)的兩端裝上反射鏡，

7、光就在反射鏡間多次來回反射。于是在反射鏡之間光強(qiáng)度增大，有效地產(chǎn)生受激發(fā)射，形成急劇的放大。若事先使一端的反射鏡稍微透光，則放大后的一部分激光就能輸出到腔外。,,,4. 激光放大 處于激活狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，當(dāng)有一束能量為E= hν21=E2-E1的入射光子通過該激活物質(zhì)，這時(shí)光的受激輻射過程將超過受激吸收過程，而使受激輻射占主導(dǎo)地位。 在這種情況下，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)

8、輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。其實(shí)，這樣一段激活物質(zhì)就是一個(gè)放大器。,,1.3 激光特性,激光器具有與普通光源很不相同的特性，一般稱為激光的四性：方向性好、單色性好、相干性好以及高亮度。激光的這些特性不是彼此獨(dú)立的，它們相互之間有聯(lián)系。實(shí)際上，正是由于激光的受激輻射本質(zhì)決定了它是一個(gè)相干光源，因此其單色性和方向性好，能量集中。,,1.4 激光加工基本設(shè)備的組成,激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系

9、統(tǒng)等四大部分。(1) 激光器：是激光加工的核心設(shè)備，它是把電能轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生激光束。(2) 激光器電源：為激光器提供電能以及實(shí)現(xiàn)激光器和機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)控制。(3) 光學(xué)系統(tǒng)：主要包括聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。(4) 機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、數(shù)控工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)等。,,1.5激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展情況,1、激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1960年: 梅曼（T.MAIMAN) 第一臺(tái)紅寶石激光器;1961年: 德諾凡(俄) 第一臺(tái)氣體激光器

10、(He-Ne);1962年: 第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器;1964年: 帕特爾(C.Patel) 第一臺(tái)CO2激光器;1965年: 貝爾實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)YAG激光器;1971年: 第一臺(tái)商用1kW的CO2激光器;1971~1980年: 開展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術(shù)的研究與開發(fā)。,,2、工業(yè)激光器的市場(chǎng)分布激光器制造商：美國：PRC PRAMA德國：HAAS TRU

11、MPF ROFIN-SINAR英國：LUMONICS日本：川崎重工 東芝 中國：武漢華工激光、武漢金石凱、沈陽大陸、武漢團(tuán)結(jié),,3、激光加工特點(diǎn),（1）激光加工不需要工具，無工具損耗、更換等問題（2）工件無受力變形，易保證加工精度（3）幾乎能加工所有的金屬和非金屬材料（4）加工速度快，效率高，熱影響區(qū)?。?）能進(jìn)行精細(xì)加工（6）能夠透過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)等進(jìn)行加工,,各種

12、加工方法的應(yīng)用比例,激光加工技術(shù)應(yīng)用,,激光加工技術(shù)在汽車中的應(yīng)用,返回,,1.6 激光熔覆技術(shù),1.激光熔覆(Laser Cladding)技術(shù)亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。,2.激光熔覆技術(shù)與堆焊、噴涂、電鍍和氣相

13、沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)。,,激光熔敷的優(yōu)點(diǎn)：,熔敷層稀釋率低，且可精確控制，覆層的成分與性能主要取決于熔敷材料的成分。激光束的能量密度高，作用時(shí)間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均可降至最小程度。 激光熔敷層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，性能更優(yōu)。 激光熔敷層的尺寸大小和位置可以精確控制。對(duì)環(huán)境無污染、無輻射、低噪音，勞動(dòng)條件得到較大改善。,,激光熔覆與

14、類似方法的比較,,,,,3.激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。,同步送料法指在激光束照射基材的同時(shí)，將待熔覆的材料送入激光熔池，經(jīng)熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過程。,,船用尾軸套激光熔覆修復(fù)，選用耐腐蝕的合金粉末恢復(fù)工件原尺寸。激光熔覆后，表面無缺陷，變形量≤0.05mm。,,5.評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的主要指標(biāo)為：熔覆層厚度、寬度、形狀系數(shù)(寬度／厚度)、稀釋率、硬度及其沿深度分布、基板的熱影響區(qū)深度及變形程

15、度等。,熔覆層的截面示意圖,,,6.激光熔覆層的寬度主要決定于光斑直徑；而激光熔覆層的厚度與送粉量、掃描速度、功率密度等參數(shù)密切相關(guān)。,7.常用激光熔覆材料包括鎳基、鐵基、鈷基、銅基自熔合金、以及上述合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)，顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。 常用的基材包括鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金和鈦合金等。 材料的形式可以是粉末、絲材或者板材。,,鑄鐵·大型軋輥

16、·激光合金化,轉(zhuǎn)子·激光熔覆,汽輪機(jī)葉片·激光熔覆,電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸修復(fù)·激光熔覆,,1.7 激光熔覆層的基本性能,激光熔覆層的主要性能高硬度高耐磨性高耐蝕性抗高溫氧化性能抗蠕變性能激光熔覆層的性能主要取決于熔覆材料的特性激光熔覆工藝參數(shù)基體材料,,激光熔覆層的硬度,,激光熔覆層的耐磨性,,1.8 激光熔覆的凝固過程,激光熔覆是一種典型的快速凝固過程,,激光熔覆的主要影響因素

17、 熔覆過程穩(wěn)定性– 工藝參數(shù)的穩(wěn)定性 –單道熔覆尺寸(寬度與高度) –熔覆道的幾何形狀(月牙形) –多道搭接形成熔覆面(搭接率) 主要影響因素： ?溫度積累和散熱條件的變化 ?轉(zhuǎn)彎處熔覆實(shí)際速度的變化(加速度和減速度) ?

18、熔池幾何形狀的變化 ?熔覆頭高度的相對(duì)變化,,利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點(diǎn)，瞬間將被加工件表面微熔，同時(shí)使零件表面預(yù)置或與激光束同步自動(dòng)送置的合金粉末完全熔化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，恢復(fù)幾何尺寸和表面強(qiáng)化等特點(diǎn)。,,,齒輪損傷狀態(tài) 修復(fù)后齒輪局部,軸修復(fù)前狀態(tài) 激光熔覆過程中,,不銹鋼軸頸.激光熔覆,大型曲

19、軸.激光熔覆,鑄鐵.大型軋輥.激光熔覆,,汽輪機(jī)葉片及轉(zhuǎn)子·激光熔覆,電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸修復(fù)·激光熔覆,汽輪機(jī)葉片·激光熔覆,鋁合金活塞·激光熔覆,,▼激光熔覆——航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)　　(熔覆層寬度: 2mm, 熔覆層高度: 1mm),▼激光熔覆——曲軸花鍵槽修復(fù) (材料: 18Cr2Ni4W,　　熔覆層寬度: 4mm, 熔覆層高度: 0.5mm,▼激光熔覆——線材軋輥修復(fù)　　(基體材料: 低合金

20、高強(qiáng)鋼, 熔覆層高度: 8mm),,1.9 激光熔覆技術(shù)在機(jī)械、石化行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例,機(jī)器設(shè)備由于長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下工作，容易導(dǎo)致零部件的腐蝕、磨損。典型的易失效零部件包括葉輪、大型轉(zhuǎn)子的軸頸、輪盤、軸套、軸瓦等，其中許多零件價(jià)格昂貴，涉及的零部件品種很多，形狀復(fù)雜，工況差異較大。還有大型火力發(fā)電機(jī)組的大型轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉片與靜葉片都是需要進(jìn)行強(qiáng)化或者修復(fù)。,采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，不需要預(yù)熱工件，就可以恢復(fù)軸頸的尺寸，而且后續(xù)加工量小，不

21、產(chǎn)生冶金裂紋，硬度可以達(dá)到HRC60 以上。,大型轉(zhuǎn)子與輪盤,,武漢大族激光再制造技術(shù)有限公司,軸類零件的激光熔覆與修復(fù)工藝,(1）預(yù)處理工序：包括工件表面除油、除銹→ 噴砂清理（進(jìn)一步清理）→熔覆前處理（將需要激光熔覆的區(qū)域清洗干凈，將存在明顯缺陷的區(qū)域整平）；（2）質(zhì)量檢驗(yàn)工序：采用磁粉探傷、X射線探傷、熒光探傷或者顯示劑探傷法對(duì)清洗干凈的表面進(jìn)行探傷，確定有無明顯的缺陷區(qū)域存在。（3）激光熔覆：采用合金粉末進(jìn)行激光熔覆，不需要

22、預(yù)熱，不產(chǎn)生冶金裂紋，硬度最高可以達(dá)到HRC63。（4）后續(xù)加工處理：包括激光熔覆區(qū)域的拋磨修整與后處理；必要時(shí)噴耐磨涂層。（5）質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收：檢驗(yàn)方法同步驟2，確認(rèn)激光熔覆處理后零件表面無各種缺 陷，即可進(jìn)行驗(yàn)收。經(jīng)過上述處理工序，可以將軸類零件復(fù)舊如新。,,大型齒輪的激光淬火/熔覆 激光淬火齒輪與齒圈，熱注入量小，齒輪或者齒圈的熱變形小，不降低齒輪的精度，不破壞齒面的表面粗糙度。采用激光熔覆技術(shù)可以直接對(duì)斷齒等情況進(jìn)行修

23、復(fù)。,,,大型齒輪的激光淬火與修復(fù)工藝 （1）工藝流程: 將大型齒輪裝夾到激光加工機(jī)床上，清洗齒輪齒面的油污和銹斑；在需要激光加工的齒面及軸頸部分噴涂吸光涂料，再用激光加工程序?qū)X面（齒頂、齒根等）進(jìn)行淬火處理。（2）淬火工藝參數(shù)：激光淬火后齒面的硬度范圍可以控制在HRC35— 45之間；淬硬層深度為0.4- 0.6mm；激光功率2.0- 3.5kw；淬火掃描速度為10 – 50 mm/s。根據(jù)齒輪齒面、齒根和齒頂對(duì)材料表面的不同

24、硬度要求，采用數(shù)控系統(tǒng)分段分區(qū)改變工藝參數(shù)，獲得相應(yīng)的激光淬硬層。激光淬火后不用回火處理，齒面的表面粗糙度基本不變。 （3）激光熔覆工藝指標(biāo)：激光熔覆的單層厚度根據(jù)需要可以在 0.2 – 2.5 mm 之間調(diào)節(jié)。激光熔覆層的硬度可以根據(jù)工件的需求在HRC25 – 60之間調(diào)節(jié)。對(duì)大型鋼齒輪而言，在無預(yù)熱條件下可直接熔覆，熔覆層均勻、連續(xù)，無裂紋、氣孔等冶金缺陷。,,渦輪盤激光熔覆與修復(fù),煙機(jī)的關(guān)鍵易損件主要有輪盤與葉片，采用合適的激光

25、熔覆工藝先將渦輪盤及側(cè)壁上明顯存在的溝槽添平，并且焊補(bǔ)輪盤及側(cè)壁上所有蝕孔與裂紋，然后采用激光熔覆將與基材性能相當(dāng)?shù)暮辖鸱勰?duì)輪盤進(jìn)行激光熔覆處理。不需打底層，也不需預(yù)熱，就可直接獲得高硬度的合金層。,,,渦輪葉片的激光熔覆與修復(fù)工藝 （1）預(yù)處理工序：基本工序與前相同；（2）需要補(bǔ)焊的缺陷檢測(cè)：通過肉眼觀察和實(shí)驗(yàn)儀器檢測(cè)，探測(cè)需要進(jìn)行修復(fù)的區(qū)域，包括磨損區(qū)域、裂紋區(qū)域等，并記錄所需要修復(fù)的位置； （3）激光熔覆：激光修復(fù)葉片

26、分為兩類：一類是顯微裂紋的修補(bǔ)，另一類是磨損葉片頂端的接長(zhǎng)。（4）后續(xù)加工：對(duì)修復(fù)好的葉片進(jìn)行磨加工、拋光修整，使外觀尺寸達(dá)到圖紙要求。         （5）質(zhì)量檢測(cè)：對(duì)修復(fù)好的渦輪盤進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，確認(rèn)所有修復(fù)部位質(zhì)量達(dá)到要求。（6）精整處理：對(duì)檢驗(yàn)后的渦輪盤進(jìn)行表面噴涂涂層等精整處理。,,激光熔覆技術(shù)的評(píng)述與展望,激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉