基于钛合金（TC4）材料的激光修复技术研究

发布时间：2016-10-02 06:58

1 绪论

众所周知，TC4 钛合金具有高的比强度和比刚度、好的耐腐蚀性能和高低温性能以及良好的生物相容性等诸多优点，使其在航空航天、石油化工、汽车、医疗和体育等领域得到了非常广泛的应用[1]。尤其是在对耐高温性和推重比要求极高的国防航空武器装备的研发和制造过程中，TC4 合金占有非常大的比重，发挥了重要的主导作用。随着科学技术和医疗技术的发展，TC4 合金良好的生物相容性也促进了其在人体骨骼的制造材料中的广泛应用，德国开发的 TC4 合金胫骨和韩国制造的 TC4 合金义齿得到了广泛推广和应用，市场占有量逐年增长[2]。 TC4 合金属于 α+β 型钛合金，虽然具有良好的热稳定性、焊接性能和综合机械性能，但是其存在耐磨性差、硬度低、摩擦系数大等缺点，使得 TC4 合金零件在恶劣的工作环境中极易出现表面擦伤和腐蚀，尤其在作为薄壁零件的加工材料时，极易出现断裂和表面裂纹[3-5]。TC4 合金材料的缺点使其结构的稳定性和安全性难以保障，因此严重限制了其在高强度零件和薄壁零件领域中的应用。

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2 实验条件与实验方法 

2.1  实验条件

进行激光熔覆实验和激光自熔实验之前，首先将实验室空调和空气湿度机打开，将空调温度调至 25℃，湿度调至 60%rh。在此状态下保持 2h。从实验开始至熔覆和自熔试样完全冷却，空调和湿度机要一直保持工作状态。金相试样制备设备是用来制作金相试样包括切割、镶嵌和抛光等工序，主要有金相切割机、磨抛机和金相试样镶嵌机；金相试样分析设备主要是用来测试试样的微观硬度，观察试样微观组织形态，，并对其作出相关分析，主要有 HVS-1000 型显微硬度计、HR-150DT 洛氏硬度测试机和蔡司高级金相显微镜。金相试样制备和分析设备图片如图
2.2 所示。

2.2  实验方法

进行激光熔覆实验时，首先按设计好的路径进行激光编程，完成后在自教模式下进行程序的模拟，确保无误后对程序进行保存。然后将粉末通过漏斗倒入送粉器内，为了送粉器能够精确送粉和提高工作效率，两侧送粉桶内要保证加入相同质量的粉末。最后调整好保护气流量和送粉气体流量，导入程序，按设计的实验方案控制不同的激光功率、扫描速度和送粉电压进行激光熔覆实验。熔覆层制备完成后，将试件在设定温度下状态下进行完全冷却。自熔修复实验前，用砂纸将 TC4 薄板表面打磨干净，并用酒精溶液将试件表面清洗一遍进行除油，完成后用清水清洗干净。然后用 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液清洗薄板表面和断裂处截面，除去表面部分的氧化物，最后将试件烘干封装保存。清理完成的试件要在 24 小时之内完成修复，超过 24 小时后由于表面会再次氧化，需要再次清理。 进行自熔修复实验时，将待修复的 TC4 合金薄板用橡皮泥固定在平整光滑的铜板上，激光头与基体表面之间距离为 13mm，光斑直径为 2.5mm，保护气（Ar）气压为0.15MPa。实验完成后，将实验件在室温状态下进行完全冷却。

3  激光熔覆实验及结果分析 .. 12 

3.1  单道激光熔覆实验及结果分析 ............... 12
3.2  多道单层激光熔覆实验及结果分析 ....... 17
3.3  不同扫描路径对熔覆层质量的影响 .... 22
3.4  多层堆积激光熔覆实验及结果分析 ............ 26
4  激光自熔修复实验及结果分析 .................. 41 
4.1  实验方案 .......................... 41 
4.2  实验结果及分析 ..................... 42
4.3  本章小结 .............................. 44 
5  断裂钛合金义齿支架的激光修复及两种修复技术的综合对比分析 ............. 45 
5.1  断裂钛合金义齿支架的激光修复 ............... 45
5.2  两种修复效果的综合对比分析 ................... 46
5.3  激光自熔修复和激光熔覆修复适用性分析 ....................... 49 
5.4  本章小结 ................ 50 

5 断裂钛合金义齿支架的激光修复及两种修复技术的综合对比分析 

5.1  断裂钛合金义齿支架的激光修复

进行激光修复之前，首先将熔覆的 Ni60A 粉末进行真空干燥处理。为防止断裂处的杂质和氧化的基体对修复效果的影响，先用细砂纸将截面处的毛刺打磨干净，接着用无水乙醇清洗试件表面进行除油。再用脱脂棉蘸取 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液擦拭支架断裂处截面，将基体表面的氧化物清洗干净。为了防止义齿支架在熔融过程中位置发生变化而导致修复精度降低，采用石膏牙模和红蜡将支架固定牢固。 进行激光修复时，选取工艺参数组合：激光功率 300W、扫描速度 2mm/s、送粉电压 8V，保护气和送粉气载气流量为 250 L/h，激光头与基体表面之间距离为 13 mm，光斑直径为 2.5 mm。 修复完成待支架完全冷却后，用砂纸将修复得到的试样表面打磨平整，用脱脂棉蘸取 4%HF 溶液和 30%HNO3溶液的混合液将修复区擦拭干净。

5.2  两种修复效果的综合对比分析

图 5.2 中可以看出，激光自熔修复层表面比激光熔覆修复层表面要光滑平整，粗糙度低。因为激光自熔修复是利用高能激光热量使零件基体熔融，断裂处的基体重新熔融、相互扩散并成为一个完整的熔池，修复完成后，熔池完全冷却，得到的修复层表面比较平整，粗糙度低；进行激光熔覆修复时，由于侧向送粉系统中，激光热量不能将粉末完全熔融，两侧的四根送粉管通入的粉末相互撞击并产生飞溅，熔覆完成后，熔覆层表面会有一层未熔融的金属颗粒，加大了熔覆层表面的粗糙度和不平整度。 从图中我们看还可以看出，自熔修复层表面有一个明显的凹陷区，而熔覆修复层表面会凸出一部分。主要是由于在进行修复之前，对断裂截面进行了打磨处理，将断裂处毛刺打磨掉，进行自熔修复时，零件修复区基体完全熔融，相互扩散重新成为一体，缺失的基体部分和熔池在高温作用下液体气化，导致修复表面出现凹陷；而进行熔覆修复时，虽然同样存在基体缺失和液体扩散，但是修复过程中熔池内通入了金属粉末，熔融的粉末对上述缺失进行了补充，得到的熔覆层表面会有一个明显的突出部分。

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6 结论

本文通过输出功率 3000W 的光纤激光器以及侧向送粉系统对钛合金材料的激光修复技术进行探究。基体材料选择 TC4 合金，熔覆粉末选择 Ni60A，分别进行激光熔覆和激光自熔实验。 采用单因素变量试验和正交试验相结合的方法，进行激光熔覆单道、单层和多层堆积实验以及激光自熔试验，探索得出最优的多道搭接率、Z 轴提升量、实验工艺参数对熔覆层尺寸的影响规律。 在进行激光熔覆单层和多层堆积试验时，根据扫描路径和堆积方式的不同，分别探究四种不同扫描路径对熔覆层质量的影响和三种不同堆积方式对多层熔覆层质量的影响。采用激光熔覆和激光自熔两种激光修复方法对断裂的可摘除局部义齿钛合金支架进行修复，通过对修复区表面质量和微观组织分析，对两种修复效果做综合对比分析。得出的结论如下： （1）单道激光熔覆实验中，通过单因素变量实验得到熔覆层几何尺寸随着工艺参数的变化规律：熔覆层宽度和高度随激光功率的增大先增大后趋于不变；熔覆层高度、宽度和熔池深度均随着扫描速度的增大而减小，随着送粉电压的增大先增大最后趋于平衡。

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参考文献（略）

本文编号：128474