激光熔覆层中孔隙、裂纹缺陷的形成机制及抑制方法研究进展

发布时间：2021-07-09 15:48

　　激光熔覆是以高能量密度的激光为热源在基体材料表面熔覆合金实现熔覆层与金属基体冶金结合的技术。激光熔覆技术控制精度高、输出功率恒定、没有电弧接触固熔池大小深度一致性好。并且激光熔覆具有效率高、热输入集中、热影响区小等特点是一种很有发展前景的金属表面改性技术。但因其冷却速度较快在熔覆层中易产生缺陷。熔覆层中的缺陷主要有裂纹、孔隙、固体夹杂、未熔合、形状缺陷等。基于国内外对熔覆层中缺陷的研究发现对熔覆层影响最大的是孔隙和裂纹。通过模拟和实验研究者们发现了孔隙、裂纹的形成原因,并通过改变加工工艺和粉末类型成功的减少了孔隙、裂纹的产生。本文从激光熔覆层中孔隙、裂纹两个缺陷出发,归纳了孔隙的生成原因及扩散方式,并从加工工艺、粉末材料出发总结了孔隙的抑制方法。其次说明了裂纹的产生原因,描述了几种影响裂纹产生的因素,总结了减少裂纹的加工工艺和一些辅助措施。最后指出了目前激光熔覆层缺陷研究中尚未解决的问题并对其未来发展方向进行了展望。 

【文章来源】：功能材料. 2020,51(06)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

锁孔坍塌和气泡形成的瞬态过程[20]

气孔孔隙一般分为氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。氢气孔是由于基体的汽化、孔的径向生长和熔化区的快速膨胀产生的[17]。Huang等[18]模拟了氢气孔的生长,发现只要液态金属中的氢含量高于界面处的氢含量氢就会保持从液态金属扩散到气孔中驱动气孔生长。增加界面处的氢含量以及减小气孔的表面面积可以减缓氢扩散到气孔中,可抑制气孔的生长。氮气孔的产生是因为喷嘴口的保护气体形态由层流变为紊流使空气搅进保护气体中,氮气在凝固时来不及外逸而残存焊缝内部。一氧化碳气孔是在熔覆时碳与氧气结合产生的。Mizuki等[19]通过对比灰铸铁和球墨铸铁发现碳含量对于CO气孔的产生没有太大的影响。通过SEM图像和EDS映射图像分析得出:CO气孔的产生是基体中的Si、Mn与O发生反应生成SiO2、MnO,C再与SiO2、MnO反应生成CO气孔。锁孔是由于激光冲击产生的熔池塌陷使熔池中的空气或保护气体无法溢出而形成的孔隙,一般发生在铝合金的激光熔覆中。Pang等[20]通过数值模拟分析三维锁孔的不稳定性、熔池动力学和孔隙形成规律,图2显示了在1.2 kW的激光功率和3.7 m/min的熔覆速度下锁孔塌陷和气泡形成的瞬态过程。由于铝合金表面的激光熔覆具有更快的凝固速度和更长的逃逸距离,气体难以从熔池中逸出更容易被凝固界面捕获产生锁孔。

锁孔的运动与小钨颗粒的运动非常相似,Matsunawa[21]在熔池中放置了直径为0.1～0.4 mm的小钨颗粒,通过追踪小钨颗粒的运动来观察熔池中金属的流动。如图3所示,许多大气泡不能通过浮力上浮而是被液态金属流夹带并被截留在凝固壁上形成锁孔。在铝合金表面的激光熔覆中锁孔后面的流体流动越剧烈,深宽比越大,锁孔越不稳定,越容易坍塌形成气泡 [22]。锁孔的不稳定性与锁孔壁上的凸起行为密切相关,反冲压力、表面张力和流体流动的冲击压力周期性地驱动凸起向下使锁孔塌陷并且导致在锁孔的中心部分或尖端附近形成孔隙 [23]。在激光熔覆时若喷嘴移动速度较快粉末会因未熔合而产生孔隙,特别是在靠近基体的熔覆层中。喷嘴的高速横向移动需要足够的激光功率,以便完全熔化粉末并获得致密的熔覆层[24]。Wu等[25]在低功率熔覆中发现多孔熔覆层与粉末的不完全熔化有关,该熔覆层由松散结合的颗粒组成,这些颗粒熔合在一起形成互连孔隙。Tang等[26]通过仿真模型来预测未熔化材料的体积分数,模拟正确地预测了孔隙率变大的工艺条件以及孔隙率随着工艺条件的变化而增加的速率。通过该模型可以预测不同材料的基体产生未熔合孔隙的工艺条件,该模型的预测缩小了实验的范围减少了实验的次数。


本文编号：3274034