【摘要】：激光表面加工技术近十年内在工业生产中得到广泛的应用,激光送丝熔敷成形技术是激光表面加工技术的一种,由于其成形效率高、冷却速度快、组织成形好、热输入变形小、生产过程无污染、制造柔性化程度高等优势广泛应用于表面处理、增材制造等工业应用中。然而,尽管激光送丝熔敷成形技术有广阔的发展前景,但相关研究在国内起步晚,发展慢,尤其是相关熔敷成形设备开发、工艺研究经验、组织性能关系上均和国外有不少差距。在此基础上,本文以激光送丝熔敷成形技术发展关键点为核心进行深入研究,自主设计开发完成光内同轴送丝激光熔敷头的制造,搭建出适合于复杂激光送丝熔敷成形应用需求的两套专用试验平台;采用316L不锈钢焊丝以及Inconel 625焊丝两种材料在316L不锈钢基材上进行了激光送丝熔敷成形基础试验研究,探索316L不锈钢表面强化、修复应用的可行性,针对成形层/件试样进行工艺、形貌、组织、性能的多方面研究;最终总结试验工艺窗口,基于激光送丝熔敷成形专用试验平台,采用激光送丝熔敷成形工艺在316L不锈钢基材上制备强化以及修复应用成形层/件,为激光送丝熔敷成形技术的实际应用提供理论基础和工程经验。主要研究结论总结如下:(1)归纳了高质量、高精度的激光送丝熔敷成形需求,以此为基准首先采用课题组原本具备的设备条件搭建了基于旁轴送丝的激光熔敷成形试验平台。其次,结合国内外研究开发经验,总结了光内同轴送丝技术的特点与研究近况,自主设计了基于四分光光路的光内同轴送丝激光熔敷头,通过光路分析、设备改造验证了该激光头满足高精度、高效率、全方位的激光送丝熔敷成形需求。以此激光熔敷头为基础,设计并搭建了基于同轴送丝的激光熔敷成形试验平台。(2)通过工艺优化,采用316L不锈钢焊丝在316L不锈钢基材上制备了无气孔、缺陷,均匀平整的成形层/件。当选用合适的工艺参数(较小的热输入和较大的送丝速度)时,多层单道成形件成形高度较高,表侧面平整,层间高度均匀统一,微观上主要表现为胞状、网状的均匀细小奥氏体晶粒组织。熔池凝固过程中,液态金属凝固冷却速度大,成形件呈现出全奥氏体凝固模式,受重结晶影响,成形件相组成主要为奥氏体,细小的铁素体在奥氏体二次晶粒晶界析出。力学性能上,成形件中部显微硬度均匀且较高,成形件沿熔敷方向拉伸强度达到669MPa,远超过了基板,端口形貌韧窝均匀细小,证明其优异的力学性能。(3)Inconel 625合金具有高强度、高抗腐蚀性的特点,与铁基材料具有良好的互溶性,广泛应用于铁基材料的表面强化应用中。通过工艺优化,采用Inconel 625焊丝在316L不锈钢基材上制备了无缺陷的Inconel 625合金强化成形层/件,成形层试样呈现出明显的分区微观组织结构,分别为成形层区、结合区以及基材区。其中,成形层区由底部少量胞状晶、中部大量柱状枝晶以及顶部少量等轴晶所组成,结合区沿着熔合线分布,按照组织成形不同可以进一步细分为胞状晶区及半熔化区。其中,元素过渡主要发生在胞状晶区,而半熔化区中存在着大量析出的不同形状的细小δ铁素体以及少量类似空隙的细小缺陷,引起该区域硬度与塑性模量降低。此外,成形件的拉伸性能相比结合区更为优异,而结合区的拉伸强度相比基材更好,尤其是在高温条件下,基材区的拉伸性能远远差于成形件区与结合区。而在Na Cl及H2SO4两种不同电解液条件下,成形件与结合区试样均表现出了远高于基材的优异的抗腐蚀性能,证明了合金强化成形件优异的性能以及与基材良好的冶金结合效果。(4)通过工艺优化,采用碳化钛(Ti C)粉末颗粒作为熔敷强化辅料,在316L不锈钢基材上成功制备了Ti C+Inconel 625复合材料成形层。当采用较大热输入以及较小送丝速度时,添加的Ti C强化颗粒能够充分的弥散并且均匀分布在熔池中,此时,Ti C颗粒仍然保持未熔化的颗粒状,Laves相在附近边界处富集。受异质形核的影响,熔池中γ相奥氏体晶粒得到明显的细化,晶粒形状不再保持原有的二次枝晶形貌,生长方向不明显。此外,Ti C+Inconel 625复合材料成形层的显微硬度以及拉伸强度均明显高于上一章纯Inconel 625合金强化成形件,在Na Cl及H2SO4两种不同电解液条件下同样展现了出众的抗腐蚀性能,证明了复合成形层更为优异的性能。(5)采用基于同轴送丝的激光熔敷成形试验平台进行了激光熔敷成形技术应用试验,采用316L不锈钢焊丝分别完成了50层墙体成形件,40层弯曲墙体成形件,5×5块体成形件的熔敷成形试验,得到的成形件均结构完整,表面光滑平整,微观组织成形良好,完成了基于同材料的激光送丝熔敷成形修复应用试验;采用Inconel 625焊丝完成了单层多道Inconel 625合金强化成形层的制备,得到的成形层表面光滑平整,与基材冶金结合良好,无明显缺陷,完成了基于Inconel625的激光送丝熔敷成形强化应用试验。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665
【参考文献】
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