金属材料快速凝固激光加工与成形

金属材料快速凝固激光加工与成形

杨博,蒋国强

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摘要：近年来，社会进步迅速，在金属材料加工工艺中，焊接技术是常应用的一种技术，主要是把两块不完整的金属进行加工以后，产生完整的工艺品。但是由于焊接工艺具有多样化的特点，所以不同的焊接工艺，有不同的技术要点。为了推动金属材料焊接质量提升，得到更高的材料实用效率，就应该高度的重视焊接环节产生的各种缺陷问题，运用科学的措施加以控制，防范材料焊接时产生严重的缺陷现象。

关键词：金属材料；快速凝固；激光加工；成形

引言

利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。例如枝晶及组织细化、低偏析或无偏析、准晶、溶质元素高度过饱和固溶等，并且还能获得具有物理性能、化学性能或力学性能的表面材料。此外，在利用激光将材料表面快速熔化的过程中，向熔池内添加合金元素，还能获得许多零件基材，并且这些零件基材的成分、组织及性能都完全不同，是特种表面冶金涂层材料，具有细小、均匀等特点。

快速凝固激光加工的过程十分迅速、灵活，且易于自动化、热影响区小，因此利用该技术将金属材料表面改性的应用基础与研究都得到了迅速发展。并且，以快速凝固理论作为研究基础，在其发展之上演变而来的激光表面合化金技术与激光表面工程技术也成为了现代表面工程的新技术之一，这两种技术都能将特征先进涂层材料与优质零件进行设计合成。近年来，随着快速原型制造技术的发展，快速凝固激光材料的加工基本原理不断发展，两者相结合之后使高性能金属零件激光添加技术也得到迅速发展。高性能金属零件激光添加技术成为了激光技术、材料学科、材料加工工程等学科的重点研究对象。该技术是将材料设计、材料合成与近净形复杂金属零件快速成形相结合的制造技术，具有先进性、知识化、数字化等特点。

1将钛合金快速凝固的激光熔覆技术

在金属材料中，钛合金的优点十分多，例如密度低、耐蚀性高、生物兼容性好、比强度高等，而航天、航空、兵器、船舶等领域又十分需要这种材料，因此钛合金得到了广泛应用。但是钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易粘着、摩擦系数高、高温高速摩擦易燃等。但是同时，钛合金在这些领域大多是作为摩擦磨损运动副零部件，不能让其自身的缺点影响到应用效果。而想要使钛合金的耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦系数降低，达到完美摩擦磨损运动副零部件的效果，就必须采用先进的表面工程技术改变钛合金表面缺点。最经济灵活的方式是将钛合金零件基材与牢固的冶金结合，形成具有高温耐磨、耐腐蚀、阻燃性强的特殊材料。

利用激光表面所含的合金化与激光熔覆技术结合耐磨材料表面改性层，可以将钛合金的耐磨性能大幅提高。此外，将快速凝固激光表面合金化技术与激光熔覆技术相结合，利用难熔金属化合物能增强钛合金表面的高温耐磨涂层，并且达到快速凝固效果。此种方法还可以应用于TC4、BT9、TA15等钛合金采研制出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金属间化合物耐磨涂层新材料。在上述的涂层组织中，都是金属间化合物，它们的硬度较高，并且温度与硬度关系反常，有金属键与共价键共存现象。经过研究，发现这些金属间化合物在室温条件或高温条件下，摩擦系数、磨料磨损率、滑动磨损率及微动磨损率都非常低，并且其耐磨性还能继续提高，甚至达到钛合金基材的100至700倍，而其摩擦系数可降低整整一半。这些研究为作为摩擦副机械零部件的钛合金应用提供了新的方法。

2优化措施分析

2.1激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层

许多重要的高温运动副在高温氧化、热腐蚀等恶劣环境条件下，在航空航天、石化、电力等国防及工业设备领域受到强烈的摩擦磨损。新材料具有优异的高温耐磨性能、低摩擦系数、优异的高温抗氧化性能，为进一步发展耐高温腐蚀性、良好的摩擦学兼容性和高品质的涂层修复技术，近几年发展了快速凝固技术激光服装，作为合成材料和高品质涂层修复技术的手段，开展了"先进、耐磨、耐腐蚀的多功能新材料涂层及激光涂层快速固化新技术"的研究。

近几年来，利用过渡金属硅化物独特的物理化学性质，提出了一种新的研究领域，即根据高温、耐磨、耐腐蚀的工况及性能要求，开发出多功能难熔金属硅化物合金涂层。过渡金属硅化物，如Ti5Si3/Ni3Ti2Si，Cr3Si/Cr2Ni3Si，Mo2Ni3Si/NiSi，Ti2Ni3Si/NiTi等具有优异的耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、摩擦系数低、摩擦学性能好等特点，可作为多功能耐磨、耐腐蚀涂层材料。优选出优质的激光镀膜新工艺。5～15金属硅化物的高温耐磨损耐腐蚀涂层，如 Mo2Ni3Si/NiSi，Ti5Si3/Ni3Ti2Si等具有独特的抗粘连性能，例如“异常载荷特性”（材料磨损量不随试验负荷增加），“异常温度特性”（材料磨损量随温度升高而降低），“2 b无金属附着”

2.2小面相液固界面结构与生长机制

对TiC-MC硬质合金的液-固界面结构、生长形态及生长机理进行了研究，并以 Jackson因子5-8为代表的TiC-MC硬质合金的表征为研究重点。在高温耐磨复合涂层中， TiC增强金属和金属间化合物在不同凝固冷却速率下的凝固形态、抗液界面组织以及 TiC小表面的凝固机理102-105K/s，均表现为丰富的小平面相形态，从亚快速凝固条件下的三维枝晶分枝网络到快速凝固条件下的“小行星瓣”和“小枝晶群径向辐射”（见图2），发现 tic的生长有很大差异，无论凝固速度和凝固形式如何变化，晶体的生长界面或表面都具有典型的扁平特征。研究发现，对于典型的小平面表面小晶体（如 TiC晶体），生长阶段密度随凝固速度的增加而明显增加，而液相界面的晶面和阻液界面的晶面之间的结晶关系，液相界面的结构和阶梯式横向生长机制的基本特征，不随凝固速度和凝固条件的变化，这是经典多面晶体凝固理论的著名结论，对于原子间结合力强、熔点高的多面难熔碳化物晶体，随着低温的升高，界面结构由平滑变粗糙，生长机制由液相界面转变为连续界面，但这种转变并不常见。

2.3高性能金属零件激光快速成形

高效金属近净成形复杂零件激光快速成形技术是以快速原型开发（rp pe）为基础，不需任何工具，由数值计算机系统驱动，采用离散 CAD金属模型切割数据，采用激光镀快速凝固技术，通过金属层沉积实现快速凝固层材料。适应性强，反应迅速，应用广泛。本发明不需备料，不需专用模具及锻造设备，切削量少，生产周期短，成本低，材料利用率高。

从2017年开始，，高温合金与金属化合物相结合，成为国内最早、也是国际为数不多的全面掌握该技术的科研单位之一。以工业纯钛、TC4、BT20、BT2等多种钛合金复合模为对象，进行激光快速成形。用此项技术进行了大规模生产，并利用此项技术进行了试验性生产--模拟发动机用钛合金板以及用镍基高温合金盘形件径向快速冻结试样生成定向微波结构。把握多性能零件快速激光成形的关键技术，采用钛合金与 TiAl混合激光成形、梯度材料Tcata15/BT22制备 Ti/TA15、TA15/TiAl和 Ti/TA15/TiAl

结语

随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也越来越高。利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。快速凝固激光加工成形技术是利用金属快速凝固效应进行新材料制备的新型技术，也可以进行高性能金属材料的直接成形。该技术在许多先进航空材料的表面改性、发动机涂层新材料合成、优质涂层制备等方面都具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]樊熊.金属材料加工工艺中激光技术应用分析[J].企业技术开发，2013，15：23-24.

[2]田延龙.激光技术在金属材料加工工艺中的应用探析[J].科技创新与应用，2013，（10）.