镍基WC复合材料熔覆.docx

对镍基WC复合材料熔覆的研究自从20世纪80年代开始，随着激光器技术的发展，新型高功率激光器的不断出现，激光熔覆技术在工业应用上不断深入，激光熔覆技术得到了迅猛的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。其应用领域不断拓宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体等机械部件已获得了广泛的应用。激光熔覆技术是随着激光器技术的发展而不断壮大，因此对于激光熔覆设备中所使用的激光器就是其关键部件。目前国内多数的生产企业主要使用的有CO2?气体激光器，灯泵YAG?固体激光器。其中CO2?气体激光器，功率大，一般数千瓦甚至更高，但体积庞大，维护成本高；且CO2激光器由于结构庞大，其波长为10.6um?的激光不能通过光纤传导，灵活性受到极大限制，不容易实现三维零件复杂曲面的熔覆加工。国内传统灯泵YAG?固体激光器，功率较小，都是百瓦级别，价格便宜，体积也相对较小，维护相对简单，但每隔段工作时间需要更换泵浦灯。由于功率不大，其加工的效率和应用范围都受限。目前国外流行大功率光纤耦合输出半导体激光和整形聚焦直接输出的半导体激光器来做激光熔覆工艺，其具有电光转换效率高、体积小等优势。但存在技术门槛高，激光器成本价位昂贵等局限。而高功率的全固态激光器是采用半导体激光阵列作为泵浦源，以YAG晶体为工作物质，综合半导体激光的高效率与YAG激光成熟技术优势，具有输出功率大（1~5kW）、光束质量好（BP值8~40mm*mrad）、输出稳定性好，电光转换效率好（~20%），柔性好，光纤传输可灵活匹配机器人与数控加工机床实现三维加工等诸多优点（如图1所示）。3kW全固态激光器???????????????机器人熔覆加工系统图1、3kW全固态激光器机器人加工系统装备激光熔覆由于其极高的能量密度，几乎能够熔化所有的合金和陶瓷。为进一步提高零件表面的耐磨耐蚀性能，目前国内外广泛开展了在铁、镍、钴基合金溶剂熔镶WC、TiC、SiC及B4C等陶瓷硬质相的复合涂层研究。WC是耐磨性极佳的硬质材料，镍基合金对WC有很好的润湿性。因此，采用激光熔覆表面改性技术制备耐磨性能优良的Ni/WC陶瓷涂层具有一定的学术价值和应用价值。但合金溶剂与陶瓷硬质相之间存在明显的界面和较大的性能差异，容易出现陶瓷颗粒脱落、应力集中及产生裂纹等问题。对此在熔覆工艺中裂纹、气孔等出现问题要从工艺优化上着手解决，如优化激光参数工艺、采用预热与后热处理等。江苏中科四象激光科技有限公司激光加工中心采用高功率全固态激光器针对镍基WC复合材料熔覆难题开展工艺试验研究，采用3kW高功率全固态激光器，选取800um芯径光纤传输，配合机器人实现轨迹运动，配合光束积分镜得到均匀的矩形光斑，光斑大小8×2mm2，进行宽带熔覆。熔覆材料为镍基粉加碳化钨WC颗粒，WC颗粒分为块状和球形状，母材为Inconel718高温合金材料。相对于普通熔覆，激光宽带熔覆利用光束整形技术得到的矩形光斑，改变了激光能量呈高斯分布的圆形高斯光斑的不均匀性，使光强分布均匀，如图2所示，可一次形成较宽熔覆区，大大减少了搭接数量，方便进行大面积熔覆，避免在相邻扫描带的结合处出现二次加热，拓宽了工业应用的范围。宽带积分镜???????? 光束整形（圆形高斯到矩形平顶）图2、激光光束整形系统激光熔覆工件?????????????????熔覆前后对比图图3、熔覆工件效果图用以上3kW高功率全固态激光熔覆系统，优化工艺参数与流程，加工得到的零件效果如图3所示。分析其涂层金相质量结果，如表1所示，可以看到，不管是块状WC颗粒，还是球形WC颗粒在镍基熔覆层中均为弥撒均匀分布，熔覆层无宏观裂纹、大气孔等明显缺陷出现。熔覆层厚度控制在1.5mm~2mm之间，熔覆层从上自下分为：熔覆层、熔覆层与母材结合界面、母材热影响区、母材组织四部分。其中熔覆层与母材为冶金结合，且母材对熔覆层组织的稀释率控制在8%以内。熔覆层硬度测试结果表明，熔覆层中WC颗粒的硬度在2500±500HV范围，Ni基熔覆层平均硬度为923.5HV，熔覆层中基体最小硬度为411.7HV。表1、全固态激光宽带熔覆Ni基WC涂层金相分析全固态激光熔覆Ni基加块状WC颗粒全固态激光熔覆Ni基加球型WC颗粒熔覆层截面形貌倍数：40X熔覆层截面形貌倍数：40X熔覆层与基体冶金结合倍数：100X熔覆层与基体冶金结合倍数：100X块状WC颗粒弥散分布倍数：200X球形WC颗粒弥散分布倍数：200X??? 综上所述，江苏中科四象激光科技有限公司激光加工中心采用高功率全固态激光器凭借其性能特点及在激光熔覆领域独特的工艺优势，采用其公司自产3kW全固态激光器成功开发了激光熔覆Ni基加高比例WC硬质颗粒的复合涂层，并在石油机械等行业领域取得重大应用突破。