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高超音速雷射堆積控制技術
，

發(fā)布時間：2022-06-21 14:21:48瀏覽：7047點贊：

高超音速雷射堆積(SLD)控制技術是近幾年發(fā)展出來的一種新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術

，在表層改性領域引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注

，該控制技術已被列為中國大百科全書(第三版)機械工程各卷高能束方向的字典之一。它在冷噴漆(CS)操作過程中借助大功率雷射并行冷卻噴漆微粒和碳納米管

，使兩者得到有工作效率松弛

，以增強微粒的形變能力，大大增加微粒所需的零點堆積速率

。雖然零點堆積速率得以減少

，因而需用價格廉價的氫氣或冷卻水代替昂貴的氮氣來快速噴漆微粒，與此同時實現(xiàn)硬質(zhì)合金材料的堆積

，在減少生產(chǎn)成本的與此同時擴大了冷噴漆控制技術可堆積合金材料的范圍

。

1.SLD控制技術基本原理和特點SLD控制技術是如前所述冷噴漆發(fā)展出來的一種新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術。英國劍橋大學的William ONeill研究組提出將雷射冷卻與冷噴漆并行耦合的SLD控制技術

，其基本原理左圖如圖1所示

。在該控制技術中，高壓冷空氣(冷卻水或者氫氣)分為兩路：一路上透過送粉器隨身攜帶噴漆微粒進入混和腔

，另一路上透過氣體冷卻器進行緊接著

，然后在混和腔內(nèi)與隨身攜帶噴漆微粒的冷空氣充分混和，逐步形成氣固兩相流

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；旌秃蟮臍夤虄上嗔鬟M入卡萊燃燒室快速，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法線呈一定的角度

，卡萊燃燒室與碳納米管表層垂直，雷射束與噴漆粉末狀會有部分重疊

，因而雷射不僅能對碳納米管表層地區(qū)冷卻

，還能對噴漆粉末狀進行緊接著，能對二者起到松弛的作用

。噴漆地區(qū)的堆積環(huán)境溫度能透過紅外低溫儀動態(tài)監(jiān)控

，并能透過生態(tài)圈性能優(yōu)越動態(tài)調(diào)節(jié)雷射的輸出功率，保證堆積層制取操作過程中的堆積環(huán)境溫度恒定

。

圖1 SLD基本原理左圖

SLD控制技術與單個冷噴漆或單個雷射熔覆(LC)

、熱噴漆等控制技術相比，具有如下的控制技術特點：1) SLD控制技術是如前所述冷噴漆控制技術發(fā)展出來的合金材料堆積控制技術

，不存在熔化凝固引起的冶金化學反應

，可保持原始粉末狀成分不變; 與此同時，堆積工作效率大幅提升

，可望達到現(xiàn)有單個雷射堆積鍛造的4~10倍

。2) 雖然堆積操作過程中仍然保持了冷噴漆高脂輸出的堆積特性，合金材料的堆積環(huán)境溫度遠低于LC、熱噴漆等控制技術

，因而可有工作效率避免高熱輸出中存在的化學反應

、形變、脫落等銻化物不良影響

，尤其是在堆積一些熱敏感合金材料時

，競爭優(yōu)勢更為明顯。與此同時

，在SLD操作過程中

，雖然雷射的冷卻作用，堆積粉末狀和碳納米管合金材料得到有工作效率松弛

，增加了粉末狀和碳納米管合金材料的形變能力

，因而所制取的堆積層較單個冷噴漆堆積層更致密，緊密結合強度更高

，可望獲得高性能的堆積層

。

3) SLD控制技術雖然雷射的引入，堆積粉末狀的零點堆積速率較單個冷噴漆大大增加

，能在較高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格昂貴的氮氣做為量筒

，從而大大增加鍛造生產(chǎn)成本

。此外，零點堆積速率的減少能提高堆積粉末狀的堆積工作效率和借助率

，從而減少合金材料生產(chǎn)成本

。2.SLD堆積層合金材料的范圍SLD控制技術雖然緊密結合了冷噴漆與雷射控制技術的競爭優(yōu)勢，可在不同的板材上制取單個合金材料堆積層或A43EI235E合金材料堆積層

。表1是目前文獻報道的借助SLD控制技術所制取的堆積層的概況

。

作者研究組借助SLD控制技術獲得成功制取了無硅化、無脫落

、高鈦含量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層

，這是單個LC或單個冷噴漆控制技術無法與此同時實現(xiàn)的。鈦在低溫

、水解氣氛邵依雯發(fā)生硅化化學反應和水解內(nèi)膛

，Ni60在LC操作過程中具有較高的裂紋敏感性，因而

，采用如前所述合金材料低溫熔融操作過程的LC控制技術難以獲得高質(zhì)量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層

。而冷噴漆控制技術是依賴合金材料形變與此同時實現(xiàn)堆積的，難以制取硬質(zhì)

、低塑性的合金材料堆積層

。雖然已有人采用冷噴漆控制技術獲得成功制取了合金基鈦A43EI235E堆積層，但這些A43EI235E堆積層都以硬質(zhì)合金做為NaCl相，尚未有人獲得成功制取以硬質(zhì)合金(如Ni60)做為NaCl相的鈦A43EI235E堆積層

。此外

，SLD控制技術能有工作效率堆積銅、鋁及其A43EI235E合金材料

，這是單個LC控制技術難以與此同時實現(xiàn)的。由此可見

，SLD控制技術能突破一些傳統(tǒng)堆積控制技術在堆積合金材料范圍方面的局限性

，在堆積合金材料和碳納米管合金材料的選擇上具有較大的靈活度，工藝適應性好

，可滿足寬領域范圍內(nèi)表層改性與再鍛造的需求

。3.SLD堆積層的物相及微觀結構LC控制技術借助高能密度的雷射束產(chǎn)生的快速熔凝，在板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構

。冷噴漆控制技術是一種如前所述合金材料形變在工件表層與此同時實現(xiàn)固態(tài)堆積的操作過程，能保持原始粉末狀合金材料的物相和微觀組織結構

。而SLD控制技術則緊密結合了LC和冷噴漆這兩種控制技術的競爭優(yōu)勢

，其堆積層的物相以及微觀組織結構的演變規(guī)律引起了國內(nèi)外許多學者的關注。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

，因而SLD堆積層的性能也引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關注。01堆積層的致密性對于堆積層的致密性來說

，有相關研究結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。單個冷噴漆堆積層致密性較差的主要原因是噴漆粉末狀的形變不充分

。SLD雖然引入了雷射對堆積粉末狀和碳納米管進行冷卻

，粉末狀得到有工作效率松弛，在堆積操作過程中的形變更充分

，粉末狀之間的緊密結合更好

，因而堆積層的致密性更高。此外

，SLD控制技術在制取致密的合金-陶瓷A43EI235E堆積層方面具有極大的競爭優(yōu)勢

，雷射輻照能有工作效率松弛合金NaCl相，脆硬的陶瓷微粒高速碎裂并嵌入NaCl相中逐步形成致密緊密結合的A43EI235E堆積層

。02緊密結合性能SLD堆積層的緊密結合性能(包括堆積層與碳納米管之間的緊密結合以及堆積層內(nèi)部微粒之間的緊密結合)也是國內(nèi)外學者目前關注的一個焦點

。除了能提高堆積層/碳納米管界面的緊密結合強度以外，堆積層內(nèi)部的緊密結合強度也是非常重要的

。在單個的冷噴漆控制技術中

，噴漆合金材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)并在壓力作用下產(chǎn)生塑性流，導致微粒間、微粒與碳納米管合金材料間的混和和機械咬合

，堆積層/碳納米管間呈現(xiàn)機械緊密結合

，緊密結合強度不高，當厚度達到一定程度時將導致剝落

。SLD在冷噴漆的基礎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)生擴散

，逐步形成冶金緊密結合

。SLD堆積層內(nèi)部、堆積層/碳納米管的緊密結合機制為機械咬合和冶金緊密結合共存

，堆積層緊密結合性能遠優(yōu)于冷噴漆堆積層的緊密結合性能

，因而能與此同時實現(xiàn)任意厚度的有工作效率堆積。03耐磨損性能合金材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯(lián)系

，因而國內(nèi)外許多學者對SLD堆積層的顯微硬度進行了表征

。相關研究結果表明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

。除了從顯微硬度的角度來間接反映SLD堆積層的耐磨損性能以外

，國內(nèi)外學者也透過摩擦磨損實驗來直接表征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。在SLD操作過程中

，噴漆微粒與堆積地區(qū)連續(xù)高速碎裂

，使得兩者產(chǎn)生劇烈的形變。在合金材料形變操作過程中

，晶粒發(fā)生滑移

，位錯密度不斷增加，產(chǎn)生固定割階和位錯纏結等

，阻礙位錯的進一步運動

，堆積層產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使得堆積層的硬度增大

。與此同時

，SLD控制技術保持了原始合金材料的成分和精細結構，確保了堆積層的韌性

。此外

，雖然雷射冷卻，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)部的緊密結合強度

。因而

，SLD特點對堆積層的硬度、附著力

、柔韌性等方面的貢獻導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合金材料的一種非常重要的性能，因而SLD堆積層的耐腐蝕性能也是國內(nèi)外研究者關注的焦點

。SLD操作過程中

，在雷射輻照松弛以及粒子高速沖擊的夯實作用下，堆積層的孔隙率較高

，堆積層表層較為致密

，能有工作效率抵擋腐蝕介質(zhì)的滲入，為碳納米管提供有工作效率的保護作用

。另外，SLD是一個固態(tài)堆積操作過程

，能避免碳納米管對堆積層的稀釋

，保留原始噴漆合金材料的成分和相結構，繼承噴漆合金材料優(yōu)異的耐腐蝕性能

。5.SLD的發(fā)展趨勢SLD控制技術緊密結合了冷噴漆和雷射控制技術的競爭優(yōu)勢

，在堆積工作效率、物相/成分控制

、性能調(diào)控等方面較傳統(tǒng)的LC

、熱噴漆、冷噴漆等合金材料堆積控制技術具有一定的競爭優(yōu)勢

，是一種非常有潛力的鍛造控制技術

，它不僅是一種新的表層改性與再鍛造控制技術，還可望能成為一種新的增材鍛造(3D打印)控制技術

，這將大大突破增材鍛造的工作效率

、合金材料范圍和質(zhì)量控制等難題，是極具發(fā)展前景的增材鍛造控制技術之一

。但若要大范圍推廣該控制技術

，還需要在以下幾個方面繼續(xù)突破：1) SLD是一種A43EI235E控制技術，涉及的工藝參數(shù)眾多

，若單純依靠實驗手段去優(yōu)化工藝參數(shù)

，將會費時費力。因而

，非常有必要采用數(shù)值模擬與實驗相緊密結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之間的耦合機制，闡明雷射與堆積粒子的相互作用關系以及堆積機理

，從而為工藝參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供理論指導

。

2) SLD系統(tǒng)涉及多個關鍵單元

，絕非是它們之間簡單的疊加，如何與此同時實現(xiàn)多能場之間的協(xié)同耦合與智能化控制將是難點

，尤其是如何采用該控制技術與此同時實現(xiàn)增材鍛造

，如何有工作效率實施路徑規(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控制技術是2008年由英國劍橋大學William ONeill研究組率先提出的，他們采用該控制技術制取了Stellite-6

、鈦

、鎢等合金材料涂層，并對其微觀結構

、界面緊密結合情況以及力學性能進行了表征

，評估了SLD鎢合金材料在靶材方面的應用潛力。作者研究組與劍橋大學在合金材料堆積及裝備開發(fā)等領域展開合作

，將堆積合金材料的范圍從Stellite-6

、Ni60、Ti6Al4V等單個合金材料擴展到了Diamond/Ni60

、WC/Stellite-6

、WC/SS316L等硬質(zhì)/高耐磨A43EI235E合金材料，并重點針對涂層的微觀結構

、成分

、界面緊密結合情況、耐磨/耐蝕性能進行了表征

，探索了該控制技術在泵閥表層耐磨/耐蝕涂層

、汽輪機葉片抗汽蝕涂層以及工模具增材再鍛造方面的應用潛力。在表層改性研究的基礎上

，研究組進一步開展了該控制技術在合金增材鍛造領域的研究

，該控制技術能用于銅合金、鈦合金以及低溫合金等合金材料的高工作效率固態(tài)堆積

。

(責任編輯：admin)

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，今后國際航空引擎鍛造

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