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高超音速雷射堆積控制技術(shù)
，可望正式成為一類捷伊involves鍛造控制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2022-05-25 16:04:14瀏覽：6986點(diǎn)贊：

高超音速雷射堆積(SLD)控制技術(shù)是近些年產(chǎn)業(yè)發(fā)展出來的一類新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術(shù)

，在表層助劑領(lǐng)域引起了海內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注

，該控制技術(shù)已被列入中國百科全書(第一版)電機(jī)工程各卷高能量束方向的字典之一

。它在冷噴漆(CS)操作過程中利用大功率雷射并行冷卻噴漆微粒和碳納米管

，使二者得到有效松弛

，以增強(qiáng)微粒的形變能力，大大增加微粒所需的零點(diǎn)堆積速率

。由于零點(diǎn)堆積速率以求降低

，因而需用價(jià)格低成本的氫氣或冷卻水代替高昂的氮?dú)鈦砜焖賴娖嵛⒘?div id="d48novz" class="flower left">

，?shí)現(xiàn)軟質(zhì)金屬材料的堆積

，在提高效率的同時(shí)擴(kuò)大了冷噴漆控制技術(shù)可堆積金屬材料的范圍。

1.SLD控制技術(shù)基本原理和特征SLD控制技術(shù)是如前所述冷噴漆產(chǎn)業(yè)發(fā)展出來的一類新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術(shù)。英國牛津大學(xué)的William ONeill研究組提出將雷射冷卻與冷噴漆并行諧振的SLD控制技術(shù)

，其基本原理左圖如圖1所示。在該控制技術(shù)中，高速旋轉(zhuǎn)冷空氣(冷卻水或者氫氣)分為三路：一路上透過送粉器隨身攜帶噴漆微粒步入混和腔

，另一路上透過液體冷卻器展開緊接著，然后在混和腔內(nèi)與隨身攜帶噴漆微粒的冷空氣充份混和

，逐步形成氣固兩相流

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；旌秃蟮臍夤虄上嗔鞑饺肟ㄈR燃燒室快速

，噴漆微粒以高超音速碎裂雷射并行冷卻的碳納米管表層逐步形成堆積層。雷射頭與碳納米管表層的切線呈一定的視角

，卡萊燃燒室與碳納米管表層橫向，雷射束與噴漆粉末狀會(huì)有部分重合

，因而雷射不僅能對(duì)碳納米管表層地區(qū)冷卻

，還能對(duì)噴漆粉末狀展開緊接著，能對(duì)二者起著松弛的作用

。噴漆地區(qū)的堆積環(huán)境溫度能透過紅外線低溫儀動(dòng)態(tài)監(jiān)視

，并能透過生態(tài)圈性能優(yōu)越動(dòng)態(tài)控制雷射的功率，保證堆積層制取操作過程中的堆積環(huán)境溫度靜止

。

圖1 SLD基本原理左圖

SLD控制技術(shù)與單一冷噴漆或單一雷射熔覆(LC)

、熱噴漆等控制技術(shù)相比，具有如下的控制技術(shù)特征：1) SLD控制技術(shù)是如前所述冷噴漆控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出來的金屬材料堆積控制技術(shù)

，不存在熔化凝固引起的冶金相變

，可保持原始粉末狀成分不變; 同時(shí)，堆積效率大幅提升

，有望達(dá)到現(xiàn)有單一雷射堆積鍛造的4~10倍。2) 由于堆積操作過程中仍然保持了冷噴漆低熱量輸入的堆積特性

，金屬材料的堆積環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于LC

、熱噴漆等控制技術(shù)，因而可有效避免高熱輸入中存在的相變

、形變、開裂等熱致不良影響

，尤其是在堆積一些熱敏感金屬材料時(shí)

，優(yōu)勢(shì)更為明顯

。同時(shí)

，在SLD操作過程中，由于雷射的冷卻作用

，堆積粉末狀和碳納米管金屬材料得到有效松弛，增加了粉末狀和碳納米管金屬材料的塑性形變能力

，因而所制取的堆積層較單一冷噴漆堆積層更致密

，結(jié)合強(qiáng)度更高

，有望獲得高性能的堆積層

。3) SLD控制技術(shù)由于雷射的引入

，堆積粉末狀的零點(diǎn)堆積速率較單一冷噴漆大大增加

，能在較低的碎裂速率下逐步形成堆積層

。因而

，需用冷卻水或氫氣代替價(jià)格高昂的氮?dú)庾鳛檩d氣

，從而大大增加鍛造成本

。此外

，零點(diǎn)堆積速率的降低能提高堆積粉末狀的堆積效率和利用率

，從而降低金屬材料成本

。2.SLD堆積層金屬材料的范圍SLD控制技術(shù)由于結(jié)合了冷噴漆與雷射控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

，可在不同的基材上制取單一金屬材料堆積層或A43EI235E金屬材料堆積層。表1是目前文獻(xiàn)報(bào)道的利用SLD控制技術(shù)所制取的堆積層的概況

。

作者研究組利用SLD控制技術(shù)成功制取了無石墨化、無開裂

、高金剛石含量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層，這是單一LC或單一冷噴漆控制技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的

。金剛石在低溫

、氧化氣氛中易發(fā)生石墨化相變和氧化燒蝕

，Ni60在LC操作過程中具有較高的裂紋敏感性，因而

，采用如前所述金屬材料低溫熔融操作過程的LC控制技術(shù)難以獲得高質(zhì)量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層。而冷噴漆控制技術(shù)是依賴金屬材料塑性形變實(shí)現(xiàn)堆積的

，難以制取高硬度、低塑性的金屬材料堆積層

。雖然已有人采用冷噴漆控制技術(shù)成功制取了金屬基金剛石A43EI235E堆積層

，但這些A43EI235E堆積層都以軟質(zhì)金屬作為黏結(jié)相，尚未有人成功制取以高硬度金屬(如Ni60)作為黏結(jié)相的金剛石A43EI235E堆積層

。此外，SLD控制技術(shù)能有效堆積銅

、鋁及其A43EI235E金屬材料，這是單一LC控制技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的

。由此可見，SLD控制技術(shù)能突破一些傳統(tǒng)堆積控制技術(shù)在堆積金屬材料范圍方面的局限性

，在堆積金屬材料和碳納米管金屬材料的選擇上具有較大的靈活度，工藝適應(yīng)性好

，可滿足寬領(lǐng)域范圍內(nèi)表層助劑與再鍛造的需求

。3.SLD堆積層的物相及微觀結(jié)構(gòu)LC控制技術(shù)利用高能量密度的雷射束產(chǎn)生的快速熔凝

，在基材表層逐步形成與碳納米管相互熔合且成分與性能完全不同的合金熔覆層，其微觀組織為典型的枝晶結(jié)構(gòu)

。冷噴漆控制技術(shù)是一類如前所述金屬材料塑性形變?cè)诠ぜ韺訉?shí)現(xiàn)固態(tài)堆積的操作過程，能保持原始粉末狀金屬材料的物相和微觀組織結(jié)構(gòu)

。而SLD控制技術(shù)則結(jié)合了LC和冷噴漆這兩種控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其堆積層的物相以及微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律引起了海內(nèi)外許多研究者的關(guān)注

。4.SLD堆積層的性能表征SLD堆積層的性能往往與其成分

、微觀組織等相關(guān)

，因而SLD堆積層的性能也引起了海內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注

。01堆積層的致密性對(duì)于堆積層的致密性來說

，有相關(guān)研究結(jié)果表明雷射輔助能夠顯著提高冷噴漆堆積層的致密性

，雷射輻照環(huán)境溫度的提高有利于改善A43EI235E堆積層的致密性

。單一冷噴漆堆積層致密性較差的主要原因是噴漆粉末狀的塑性形變不充份。SLD由于引入了雷射對(duì)堆積粉末狀和碳納米管展開冷卻

，粉末狀得到有效松弛，在堆積操作過程中的塑性形變更充份

，粉末狀之間的結(jié)合更好，因而堆積層的致密性更高

。此外，SLD控制技術(shù)在制取致密的金屬-陶瓷A43EI235E堆積層方面具有極大的優(yōu)勢(shì)

，雷射輻照能有效松弛金屬黏結(jié)相，脆硬的陶瓷微粒高速碎裂并嵌入黏結(jié)相中逐步形成致密結(jié)合的A43EI235E堆積層

。02結(jié)合性能SLD堆積層的結(jié)合性能(包括堆積層與碳納米管之間的結(jié)合以及堆積層內(nèi)部微粒之間的結(jié)合)也是海內(nèi)外研究者目前關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)

。除了能提高堆積層/碳納米管界面的結(jié)合強(qiáng)度以外，堆積層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度也是非常重要的。在單一的冷噴漆控制技術(shù)中

，噴漆金屬材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)并在壓力作用下產(chǎn)生塑性流

，導(dǎo)致微粒間

、微粒與碳納米管金屬材料間的混和和機(jī)械咬合

，堆積層/碳納米管間呈現(xiàn)機(jī)械結(jié)合

，結(jié)合強(qiáng)度不高

，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)將導(dǎo)致剝落。SLD在冷噴漆的基礎(chǔ)上引入雷射并行輻照

，在雷射冷卻和絕熱升溫的作用下，堆積層內(nèi)部和界面處的元素發(fā)生擴(kuò)散

，逐步形成冶金結(jié)合。SLD堆積層內(nèi)部

、堆積層/碳納米管的結(jié)合機(jī)制為機(jī)械咬合和冶金結(jié)合共存

，堆積層結(jié)合性能遠(yuǎn)優(yōu)于冷噴漆堆積層的結(jié)合性能

，因而能實(shí)現(xiàn)任意厚度的有效堆積

。03耐磨損性能金屬材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯(lián)系，因而海內(nèi)外許多研究者對(duì)SLD堆積層的顯微硬度展開了表征

。相關(guān)研究結(jié)果表明SLD堆積層的顯微硬度高于LC堆積層，從而表現(xiàn)出較優(yōu)異的耐磨損性能

。除了從顯微硬度的視角來間接反映SLD堆積層的耐磨損性能以外，海內(nèi)外研究者也透過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來直接表征SLD堆積層的耐磨損性能

。堆積層的耐磨損性能與堆積層的硬度、附著力

、柔韌性等物理性能密切相關(guān)

。在SLD操作過程中

，噴漆微粒與堆積地區(qū)連續(xù)高速碎裂

，使得二者產(chǎn)生劇烈的塑性形變

。在金屬材料塑性形變操作過程中

，晶粒發(fā)生滑移，位錯(cuò)密度不斷增加

，產(chǎn)生固定割階和位錯(cuò)纏結(jié)等，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)

，堆積層產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使得堆積層的硬度增大

。同時(shí)，SLD控制技術(shù)保持了原始金屬材料的成分和精細(xì)結(jié)構(gòu)

，確保了堆積層的韌性。此外

，由于雷射冷卻，堆積層內(nèi)的部分堆積微粒之間發(fā)生元素互滲

，增大了堆積層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度。因而

，SLD特征對(duì)堆積層的硬度

、附著力

、柔韌性等方面的貢獻(xiàn)導(dǎo)致制取的堆積層的耐磨性能優(yōu)于LC和冷噴漆堆積層

。04耐腐蝕性能耐腐蝕性能是金屬材料的一類非常重要的性能

，因而SLD堆積層的耐腐蝕性能也是海內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)

。SLD操作過程中

，在雷射輻照松弛以及粒子高速?zèng)_擊的夯實(shí)作用下，堆積層的孔隙率較低，堆積層表層較為致密

，能有效抵擋腐蝕介質(zhì)的滲入，為碳納米管提供有效的保護(hù)作用

。另外，SLD是一個(gè)固態(tài)堆積操作過程

，能避免碳納米管對(duì)堆積層的稀釋，保留原始噴漆金屬材料的成分和相結(jié)構(gòu)

，繼承噴漆金屬材料優(yōu)異的耐腐蝕性能。5.SLD的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)SLD控制技術(shù)結(jié)合了冷噴漆和雷射控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

，在堆積效率

、物相/成分控制

、性能調(diào)控等方面較傳統(tǒng)的LC、熱噴漆

、冷噴漆等金屬材料堆積控制技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)

，是一類非常有潛力的鍛造控制技術(shù)，它不僅是一類捷伊表層助劑與再鍛造控制技術(shù)

，還有望能成為一類捷伊involves鍛造(3D打印)控制技術(shù)，這將大大突破involves鍛造的效率

、金屬材料范圍和質(zhì)量控制等難題

，是極具產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的involves鍛造控制技術(shù)之一。但若要大范圍推廣該控制技術(shù)

，還需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)突破：1) SLD是一類A43EI235E控制技術(shù)，涉及的工藝參數(shù)眾多

，若單純依靠實(shí)驗(yàn)手段去優(yōu)化工藝參數(shù)

，將會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因而

，非常有必要采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法去探索各參數(shù)之間的相互影響規(guī)律

，建立雷射與高超音速粒子能量場(chǎng)之間的諧振機(jī)制，闡明雷射與堆積粒子的相互作用關(guān)系以及堆積機(jī)理

，從而為工藝參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供理論指導(dǎo)

。2) SLD系統(tǒng)涉及多個(gè)關(guān)鍵單元

，絕非是它們之間簡(jiǎn)單的疊加，如何實(shí)現(xiàn)多能場(chǎng)之間的協(xié)同諧振與智能化控制將是難點(diǎn)

，尤其是如何采用該控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)involves鍛造

，如何有效實(shí)施路徑規(guī)劃與分層

。因而

，研制專用工藝軟件及成套裝備迫在眉睫

。SLD控制技術(shù)是2008年由英國牛津大學(xué)William ONeill研究組率先提出的

，他們采用該控制技術(shù)制取了Stellite-6、鈦

、鎢等金屬材料涂層，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)

、界面結(jié)合情況以及力學(xué)性能展開了表征

，評(píng)估了SLD鎢金屬材料在靶材方面的應(yīng)用潛力。作者研究組與劍橋大學(xué)在金屬材料堆積及裝備開發(fā)等領(lǐng)域展開合作

，將堆積金屬材料的范圍從Stellite-6

、Ni60、Ti6Al4V等單一金屬材料擴(kuò)展到了Diamond/Ni60

、WC/Stellite-6、WC/SS316L等高硬度/高耐磨A43EI235E金屬材料

，并重點(diǎn)針對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)

、成分、界面結(jié)合情況

、耐磨/耐蝕性能展開了表征

，探索了該控制技術(shù)在泵閥表層耐磨/耐蝕涂層、汽輪機(jī)葉片抗汽蝕涂層以及工模具involves再鍛造方面的應(yīng)用潛力

。在表層助劑研究的基礎(chǔ)上，研究組進(jìn)一步開展了該控制技術(shù)在金屬involves鍛造領(lǐng)域的研究

，該控制技術(shù)能用于銅合金

、鈦合金以及低溫合金等金屬材料的高效率固態(tài)堆積

。

(責(zé)任編輯：admin)

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