WC粒度配比对316L激光熔覆层耐磨/抗冲击性能的影响

目的通过调控熔覆层的凝固组织,在提升316L激光熔覆层耐磨性的同时,减小添加WC颗粒对冲击韧性的削弱。方法将316L粉末与WC颗粒球磨混合,采用激光熔覆技术,在316L钢基体表面制备3种质量分数为30%的不同WC粒度(75~150μm颗粒的WC(L)组,25~45μm颗粒的WC(S)组,混合粗细粒度颗粒的WC(L/S)组)增强的合金复合涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪等对复合涂层的微观组织和物相进行分析,并使用摩擦磨损试验机和冲击韧性试验机测试室温下的摩擦磨损和冲击韧性。结果混合粒度WC颗粒在316L熔覆层中的使用能有效减少大粒径WC颗粒在凝固过程中的沉降现象,提升了颗粒分布均匀性,平均自由粒子间距离(λ)从WC(L)组的230μm减至WC(L/S)组的160μm,降低了30.43%。根据电子背散射衍射(EBSD)结果可知,WC颗粒及其分解产物在凝固过程中能够阻碍晶粒长大,并提供非均质形核点,从而细化晶粒。熔覆层的摩擦磨损性能随着WC颗粒粒度的变化而变化,WC(L/S)组熔覆层的磨损体积仅为无WC组的3.33%,WC(L)组体积损失率的76.60%,WC(S)组体积损失率的73.02%。混合粒度WC的使用降低了WC颗粒对熔覆层韧性的削弱,在相同质量分数下,WC(L/S)组熔覆层的冲击功分别为WC(L)组的104.86%,为WC(S)组的117.97%。结论在使用微米尺寸WC颗粒且质量分数均为30%时,WC颗粒的粒度配比对熔覆层的摩擦磨损性能和冲击韧性均有显著影响,其中粗、细混合的粒度配比是一种较好的选择。

42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火过程应力与变形研究

目的提高激光强化风电机组轴承的尺寸稳定性,对激光-电磁感应复合淬火过程中的应力演化过程进行分析,并研究工艺参数对淬火变形的影响规律。方法通过考虑淬火相关的工艺过程、材料参数、热源输入及边界条件,使用COMSOL软件建立42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火数学温度-组织-应力场多物理场耦合模型,研究淬火过程中的温度、组织和应力变化过程,并进行复合淬火实验验证。通过改进边界条件,建立轴承试件的淬火模型,通过改变相关工艺参数包括激光功率、感应功率和扫描速度,研究工艺对轴承淬火变形的影响规律,并与实际轴承实验结果进行对比。结果经实验测试结果和模型结果对比,感应和激光的温度相对误差分别为5.48%和9.69%,淬硬层深度的相对误差为5.66%,工件中心点应力相对误差为7.14%。结合温度变化和组织变化,将应力变化过程分为感应加热阶段、激光加热阶段、自然冷却阶段和强制水冷阶段。改进后的大轴承表面变形量的模拟值与实验值相对平均误差为0.58%。结论在复合淬火过程中,应力同时受到热应力和组织相变应力的影响,热应力和组织相变应力在每个阶段起作用的主体不同。随着激光功率和感应功率的减小,以及扫描速度的增大,轴承内圈外滚道表面法向位移变小,尺寸稳定性越好。

基于热成像的激光固态相变过程温度控制方法

在激光固态相变过程中,温度对于工件性能有着显著影响,温度控制的精度和响应速度是确保工件强化质量的关键因素。为了提高激光强化过程中温度的稳定性,基于热成像原理,采用红外热像仪获取激光作用区域不同位置的实时温度数据,提出一种模糊自适应并行PID控制方法,开发模糊控制模块,通过比较激光作用区域前后位置的温度差,经模糊控制系统处理生成控制输出,与模糊PID控制器并行控制,通过实时监测,反馈控制激光输出功率,实现更快速、精准的温度控制。通过实验对系统仿真结果进行验证,结果表明该温控方法不仅提高了温度控制的响应速度和精度,还增强了系统的鲁棒性,为高端装备关键零部件的高质量表面强化提供参考。

“能场复合激光表面改性”专题序言

激光表面改性技术具有高柔性、高质量、环境友好、选择性高等优点,已广泛应用于航空、航天、轨道交通、能源动力、冶金石化等领域。但由于激光表面改性具有高温快速冶金的特点,易产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷及较高残余应力。改变激光工艺参数等调控手段仅能改变熔池的外部传热边界,无法调控熔池内部流体的运动,难以对微观组织及其缺陷进行灵活而有效的控制。能场复合激光表面改性综合了激光及其他能场的优势,已成为激光表面改性技术的重要发展趋势之一。

超声对激光熔覆WC颗粒强化涂层耐磨防腐性能的影响(特邀)

面向海洋、矿山等领域机械部件表面耐磨防蚀涂层制备需求,针对陶瓷颗粒强化涂层高耐磨性能与高耐腐蚀性能难以兼容的问题,搭建了超声辅助激光熔覆试验平台,制备了有无超声作用下的碳化钨(WC)颗粒强化涂层。研究了超声对复合涂层微观组织形貌、元素分布、WC表面合金层厚度的影响规律,并进一步开展了有无超声试样硬度、摩擦磨损与耐蚀性能测试。结果表明:超声振动能够细化晶粒,平均晶粒尺寸从101.0μm降至59.6μm,抑制偏析,促使WC表面合金层溶解与熔覆层元素的均匀分布;超声作用下,试样平均显微硬度由310 HV0.1提升至425 HV0.1,同时超声作用下WC颗粒周围硬度分布更加均匀;有无超声作用下试样失重量分别为6.5 mg和8.8 mg,试样磨损率分别为0.032 3 mg/m和0.043 8 mg/m,试样磨损率降低了26.2%;超声作用下试样腐蚀电流密度由5.20μA/cm2降低为2.13μA/cm2,同时电化学阻抗谱表明超声作用下试样表面具有更大的电容阻抗环、阻抗模量与相角值。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

激光辅助低压冷喷涂Cu涂层的显微组织和腐蚀性能

采用激光辅助低压冷喷涂(LPCS)方法制备Cu涂层,研究激光辐照对Cu涂层显微组织和腐蚀行为的影响。与LPCS-Cu涂层相比,激光辅助LPCS-Cu涂层更致密,涂层与基材的界面结合更好。激光辐照加大了沉积颗粒的整体塑性变形程度,使Cu沉积颗粒晶粒得到均匀细化。因此,激光辅助LPCS-Cu涂层呈更均匀的显微组织和更小的晶粒尺寸。电化学测试结果表明,激光辅助LPCS-Cu涂层在3.5%NaCl(质量分数)溶液中比LPCS-Cu涂层具有更高的腐蚀电位、更低的腐蚀电流和腐蚀速率。主要原因是激光辐照提高了涂层致密度和颗粒之间的紧密结合,并在激光辅助LPCS-Cu涂层表面形成由CuCl和Cu2O组成的连续、致密的腐蚀产物膜,以阻挡腐蚀溶液的侵蚀。

Mo含量对激光熔覆316L组织和耐蚀性能的影响

目的研究不同Mo添加量对316L熔覆层组织和耐腐蚀性能的影响,进一步提高316L激光熔覆层耐海水腐蚀的能力,以实现高质量的激光再制造修复。方法利用激光熔覆技术和316L不锈钢合金粉末,通过在粉末中添加不同比例的球形Mo粉(质量分数为2%、4%、6%)来制备熔覆层,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌、微观组织、物相组成、元素分布、晶粒取向和耐腐蚀性能进行表征。结果Mo的添加量不超过4%时,熔覆层内的物相并未发生改变,仍由奥氏体组成。当Mo的添加量达到6%时,过冷度增大导致奥氏体向马氏体转变,熔覆层内出现大量未完全熔化的Mo颗粒。随着Mo含量的增加,晶粒在<001>方向的织构强度下降,有向<111>方向生长的趋势。平均晶粒尺寸由235.59μm下降到184.35μm,小尺寸晶粒占比增大,导致位错在晶粒内部积累,熔覆层内位错密度增大。同时,晶粒细化有助于形成更致密的钝化膜。电化学测试中,随着Mo含量的增加,点蚀坑数量明显下降,熔覆层的耐腐蚀性能得到提升。Mo的添加量为4%时,自蚀电流密度较不添加组由8.253×10^(-6) A/cm^(2)减小至4.540×10^(-7) A/cm^(2),钝化电阻由4927Ω·cm^(2)增大到8702Ω·cm^(2),提升约75%。结论在激光熔覆316L时,适量增加Mo元素含量,能够细化晶粒,使得熔覆层表面形成的钝化膜更加致密,提高钝化膜抵抗侵蚀的能力,进一步提升316L熔覆层的耐海水腐蚀能力。

循环流化床锅炉受热表面防护技术研究进展

循环流化床燃烧技术因其燃料适用范围广、燃烧率高而被广泛应用于电力、石油、化工及垃圾处理等领域,但循环流化床锅炉存在严重的磨损和高温腐蚀问题,锅炉受热部件易失效而导致运行过程不稳定甚至停炉,降低了锅炉使用寿命。为提高锅炉受热表面耐磨耐蚀性能,近年来有多种表面改性技术应用于锅炉受热表面防护,调研这些表面防护技术,阐述了超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂、大气等离子喷涂、激光熔覆和堆焊技术的工艺原理及特点,对比了不同改性技术的优缺点。最后,对锅炉表面防护技术的应用前景和未来发展趋势进行展望,以期为优化锅炉表面防护技术提供指导。

微细波纹板激光热应力成形边界效应的抑制方法

激光热应力成形为微细薄板结构的无模制造提供了解决方案,然而其边界效应严重影响成形精度。针对金属薄板激光热应力成形过程中的边界效应,采用振镜式激光,结合有限元模拟和成形试验分析激光工艺参数对边界效应的影响规律。研究了变速度、变方向以及两者耦合的边界效应抑制策略,进而用于微细波纹板成形过程。结果表明,扫描路径上的温度与应力分布不均是造成边界效应的主要原因,薄板成形过程中的热累积主要存在于扫描结束端,激光工艺参数是影响弯曲成形件变形的重要因素;采用变向-变速耦合策略比单方向扫描的相对角度变化减小77.8%,实现了深宽比大于0.75的微细波纹板精密成形。变向-变速耦合策略能够有效抑制微细波纹板激光热应力成形中的边界效应,为高质量微细薄板成形提供参考。

微弧氧化对选区激光熔化多孔Ti6Al4V力学性能的影响

目的探究多孔Ti6Al4V经过微弧氧化(MAO)表面改性后力学性能的变化规律。方法采用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)制备了相对密度分别为0.30、0.38、0.47的多孔Ti6Al4V点阵材料,利用表面化学抛光预处理和MAO工艺在其表面制备MAO膜层,再通过显微观察和单轴压缩试验分析其微观形貌和力学性能。结果经过表面化学抛光预处理和MAO之后的多级多孔Ti6Al4V表面MAO膜层的孔径大小与脉冲电压及氧化时间呈正相关,膜层厚度和膜层中的钙磷原子比与氧化时间均呈现正相关关系,且在350 V脉冲电压和10 min氧化时间条件下制备的膜层最为均匀。MAO前后多孔Ti6Al4V的压缩应力-应变曲线基本一致,两者的弹性模量和屈服强度均随相对密度的增加而提高。与G-A方程计算的理论值相比,实测的弹性模量略有下降,但不显著,这可能是因为多孔Ti6Al4V在SLM成形过程中由于快速加热和冷却导致残余应力的产生,从而导致其弹性模量减小。同时由于SLM成形的多孔Ti6Al4V点阵材料中的孔隙壁可能低于理论预测中所假设的值,这会使得孔隙壁在加载过程中发生变形或破坏,这也会导致材料整体弹性模量的降低。而实测的屈服强度高于G-A方程计算的理论值,这可能是由于SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的孔隙结构相较于G-A方程的理论模型更加规则。此外,在对数坐标中,MAO前后的屈服强度与弹性模量呈强正比关系,斜率分别为1.10和1.18,十分趋近于G-A方程的理论值。这亦表明MAO对多孔Ti6Al4V的整体力学性能影响有限。结论脉冲电压为350 V、氧化时间为10 min条件下MAO工艺所制备的膜层最为均匀,同时MAO对SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的总体力学性能影响有限。

基于因子图的多传感器融合定位方法

针对移动机器人在室内环境中使用单一传感器或松耦合定位存在定位精度低和鲁棒性不足的问题,提出一种基于因子图的多传感器紧耦合定位算法。该算法分别接收来自惯性测量单元(IMU)、轮式编码器和2D激光雷达的数据,并构建IMU预积分因子、轮式里程计因子、位姿先验因子以及激光里程计因子;通过因子图对这些因子进行增量优化后输出得到移动机器人的状态信息,同时实时估计IMU的漂移量并进行校正。实验结果表明,无论是在未知环境还是已知环境下,该定位算法都可以有效提高移动机器人的定位精度和鲁棒性。

热作模具H13钢表面激光堆焊类高速钢的实验研究

研究韧性较高的热作模具H13钢表面上通过激光合金堆焊的方法直接复合类高速钢金属。采用专用合金焊丝,利用自动送丝系统通过激光堆焊的方法在基体材料上获得2～3mm的高硬、高耐磨的合金堆焊层,利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度仪对堆焊层进行显微组织分析和硬度测试。结果表明:堆焊层形成了高硬的碳化物,且堆焊层与基体之间具有良好的冶金结合,堆焊层的平均硬度达922HV。

高速钢刀具的强韧化处理的研究

从高速钢刀具的强韧化机理出发 ,总结了目前国内外高速钢刀具的强韧化技术的研究现状 ,指出当前用于强化高速钢刀具的主要方法有 :常规热处理技术、表面涂层技术和激光表面处理技术 ,分析比较了各种强化方法的优缺点 ,指出今后工作的重点在于优化当前技术的工艺参数 ,改进设备 ,以达到优质、高效、低成本的加工目标 ,同时提出可操作性强、性价比高的新型高速钢刀具强化技术是当今科研工作者关注的重点。将多种处理技术结合起来形成复合强化技术 ,充分利用各自的特点 ,优势互补 ,以达到最佳的处理效果 ,将是今后高速钢刀具强韧化处理研究的新思路。

高硅钢热轧卷板的YAG激光拼接新工艺研究

采用4kW的YAG固体激光器,利用激光切割-焊接-热处理组合工艺对Hi-B钢热轧卷板进行了试验研究,探索了在不同工艺参数条件下焊缝成形、接头力学性能的变化情况,得出了最佳工艺参数,解决了高牌号硅钢难焊的问题。

光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层几何特征的影响

目的提高42CrMo钢激光淬火后硬化层的深度和分布均匀性。方法利用COMSOL Multiphysics软件对42CrMo钢激光淬火过程中温度场的演变进行分析,且考虑材料的热物性参数随温度变化。通过设定激光工艺参数模拟试样的温度场分布,利用马氏体转变条件得到硬化层形貌尺寸。参照模拟结果,利用连续输出的光纤耦合半导体激光器对42CrMo钢进行激光淬火实验,用热电偶测温仪对试样测温并与模拟的温度历史曲线进行对比,用光学显微镜对试样横截面处硬化层形貌进行分析,将实验所得硬化层形貌与模拟结果进行比较。并在相同的功率密度下,改变光斑的几何尺寸进行模拟,分析并比较硬化层的几何特征。结果实验所测某点的温度历史曲线与模拟结果一致性较高,硬化层实际形貌与模拟结果基本吻合。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心最深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。

激光表面改性技术发展研究

激光表面改性技术利用高能量密度的激光束对零部件局部易损易耗区域进行快速处理,获得材料表面所需性能,进而大幅延长零部件使用寿命,已在航空航天、石油化工、能源、交通、冶金等领域获得应用。本文针对激光冲击强化、激光淬火、激光熔覆3种典型的激光表面改性技术,梳理了相应技术特点及国内外应用现状,凝练我国相关技术领域面临的差距与问题,总结激光表面改性技术的重点发展方向:专用合金材料制备、多能场激光复合表面改性、面向现场的激光再制造、激光冲击强化控形控性、激光表面改性智能化、激光表面微结构化。从政府引导、国产化创新、产业链完善、质量评价标准体系、人才培养等方面提出发展建议,以期为我国激光表面改性技术发展提供参考借鉴。

金属材料的激光吸收率研究

针对菲涅耳公式计算金属材料激光吸收率所得的结果与实际测得的吸收率值存在一定的误差这一问题,在详细分析了激光热处理中金属材料吸收率影响因素的基础上,通过数值模拟,改进了金属材料激光吸收率的计算模型,并利用此激光吸收率计算模型(以铝、铜、铂、铁4种金属材料为例)进行激光吸收率的计算和分析,进而计算了3Cr13不锈钢激光吸收率的理论值,该值与用集总参数法测得的3Cr13不锈钢材料激光吸收率结果相吻合,从而验证了该改进的金属材料激光吸收率计算公式的正确性。

材料表面粗糙度对激光吸收率影响的研究

为了在激光热处理过程中能更好地控制工件温度,并为激光热处理的数学模拟提供更为准确的激光吸收率数据,研究了材料表面粗糙度对激光吸收率的影响原理,等效处理了材料表面轮廓线,建立了数学模型,采用集总参量法测得激光的吸收率,得到的激光吸收率与理论公式计算所得的光吸收率相吻合。结果表明,所建立的模型可以准确地描述材料表面粗糙度对激光吸收率的影响,更有利于激光热处理各项参量的控制。

激光熔覆H13-TiC梯度复合涂层的制备与组织性能

为了解决高温下热应力导致的常规涂层脱落与开裂,在H13钢表面激光熔覆制备了H13-TiC梯度复合涂层,采用扫描电镜、X射线衍射、电子探针能谱等技术对梯度涂层的组织形貌、成分分布、硬度和热稳定性进行了分析。结果表明,涂层主要由Fe-Cr,TiC,TiO_2和Fe_7C_3等物相组成,其中TiC呈现近多面体、枝晶态等外形;随着TiC含量的增加,TiC颗粒的尺寸变大,梯度涂层的硬度逐渐提高,结合区的枝晶组织逐渐变小,呈现明显的梯度分布;600℃高温加热空冷处理后,各层间重熔软化区硬度下降幅度最大,其次为基体H13钢,整体上硬度仍呈梯度分布。可以看出,激光熔覆H13-TiC梯度复合涂层有着极大的应用潜力。