开放环境下钛合金激光熔覆的表面色差模型研究

目的选择合适的工艺参数范围,在开放环境下获得性能良好的钛合金激光熔覆层。方法以氧含量衡量熔覆层的氧化程度,研究不同表面色差值下的氧含量的变化规律。以激光功率、扫描速度、送粉速率和气体流量为控制变量,利用分光测色仪检测熔覆层表面色差并以之来量化熔覆层表面颜色,以表面色差作为响应指标,基于响应面法建立熔覆层表面色差与熔覆工艺参数之间的数学模型。结果随着色差值的增加,熔覆层中的氧含量增加。激光功率对色差的影响要大于扫描速度,激光功率越大,色差值越大;低激光功率和高送粉速率可获得较小的色差值;扫描速度和送粉速率的交互作用对色差的影响较小;气体流量的变化对色差的影响较为显著,为了获得较小的色差,可增大气体流量。根据表面色差模型,当激光功率为950~1090W,扫描速度为5~7mm/s,送粉速率为1.15~1.65g/min,气体流量为24~32L/min进行工艺参数组合时,可获得满足熔覆条件的表面色差值。结论可用色差来表征熔覆层表面颜色,极限表面色差值为5.09,并得到了合适的激光熔覆工艺窗口。通过试验验证了模型所得预测值与实测值相吻合,证明了本文研究方法的有效性。

激光熔覆技术研究进展

激光熔覆技术是一种先进的材料表面改性技术,具有稀释率小、熔覆层组织致密、涂层与基体结合良好及工作环境无污染等优点。从激光熔覆喷头、激光熔覆工艺、激光熔覆材料、激光熔覆技术的工业应用这4个方面,综述了激光熔覆的研究进展。其中,在激光熔覆喷头方面,介绍了激光光斑的种类及转换原理和熔覆材料的引入方式,总结了激光束与粉束的耦合模式和熔覆喷头的种类,包括旁轴送粉熔覆喷头、光外同轴送粉喷头、光内同轴送粉喷头以及特殊工况下的熔覆喷头。在激光熔覆工艺方面,阐述了工艺参数对熔覆层宏观形貌和组织性能的影响,总结了激光熔覆复合工艺的辅助加工方法,论述了超高速激光熔覆新工艺的原理及技术优势,并介绍了激光熔覆过程控制的研究进展。在激光熔覆材料方面,阐述了熔覆材料的种类及增强相的添加方式。在激光熔覆技术的工业应用方面,介绍了激光熔覆技术在矿山机械、模具再制造以及铁路修复等领域的应用。最后对激光熔覆技术的发展趋势及应用前景做出了展望。

开放环境下激光内送粉熔覆TC4钛合金的氧化行为

目的研究开放环境下激光熔覆TC4钛合金的氧化行为。方法采用激光内送粉熔覆技术制备了不同氩气流量下的TC4钛合金熔覆涂层,通过SEM、EDS和XRD分析了不同氩气流量下涂层氧化层的表面和横截面微观形貌、微观组织、元素分布和物相组成,通过维氏硬度计分析涂层的显微硬度。结果随着氩气流量的减小,涂层表面颜色逐渐变深,由银白色依次变成黄色、蓝色、深灰色。XRD分析表明,颜色的变化与有色氧化物有关,黄色氧化层主要为黄色TiO,蓝色氧化层主要为蓝色Ti2O3,深灰色氧化层主要为白色TiO2,呈现深灰色与厚的氧化层结构有关。无氩气保护下的涂层表面粗糙,氧化层为厚而疏松多孔结构,与涂层存在缝隙;有氩气保护且随着氩气流量的增加,涂层表面变得光滑,氧化层厚度逐渐减小,致密性好,且与涂层结合良好。随着氩气流量的增加,组织由板条状转变成针状,这主要与冷却速率有关。当涂层颜色为蓝色时,涂层硬度变高,说明氧扩散深度大且氧含量多。结论在不同的氩气流量下,熔覆涂层表面形成多种不同氧化色。蓝色可作为可接受和不可接受氧化程度的临界颜色。

宽带光束与同轴粉末流耦合规律及熔覆层成形特征

利用高功率宽带平顶光束进行熔覆试验,采用高速摄像机和图像处理软件,建立了宽带光束-同轴粉末流耦合模型,研究了不同送粉器粉盘转速和载气流量下激光束与同轴粉末流的耦合特性和规律,并通过金相显微镜和体视显微镜分析不同光粉耦合形态下熔覆涂层的成形特征与规律,构建了光粉耦合特性与熔覆层成形的关系。结果表明:在载气流量不变的条件下,随粉盘转速增加,粉末流与激光束的耦合位置逐渐由宽带光束内变成宽带光束外,粉末流汇聚点焦距增大,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由焦柱粉流区变为环状粉流区,熔覆层宽度略减小,高度和接触角增大,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。在粉盘转速不变的条件下,随载气流量增加,粉末流与激光束的耦合形态不变,粉末流位于宽带光束外,粉末流汇聚点焦距先增大后减小,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由环状粉流区变为焦柱粉流区,熔覆层宽度先增大后减小,高度和接触角先增大后保持不变,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。当粉盘转速为1.2 r/min,载气流量为4 L/min时,能够获得较好的成形质量。

基于响应面法的激光内送粉熔覆层顶点偏移量模型研究

以A304不锈钢作为基体,Fe313铁基粉末作为熔覆材料,以熔覆层熔道顶点偏移量作为评价目标,研究了激光功率、扫描速度、准直气压、基体倾斜角度以及它们的交互作用对熔道顶点偏移量的影响。研究结果表明:基体倾斜角度对熔道顶点偏移量的影响最大,其次是激光功率。熔道顶点偏移量随着基体倾斜角度的增大先增大后减小,随着激光功率的增加而逐渐增大。通过响应面法建立了激光功率、扫描速度、准直气压、基体倾斜角度与熔道顶点偏移量之间的数学模型。准直气压和基体倾斜角度对熔道顶点偏移量的交互影响显著、激光功率和基体倾斜角度对熔道顶点偏移量的交互影响显著。

超声冲击对球笼-法兰焊缝残余应力场的影响

为研究超声冲击处理对传动轴总成球笼-法兰焊缝表面残余应力的影响,采用超声冲击强化对球笼-法兰激光焊接焊缝进行了焊趾冲击和全覆盖冲击试验。分析了超声冲击前后裂纹产生原因,测试了焊趾冲击和全覆盖冲击前后残余应力值。残余应力测量结果表明,采用冲击工艺,可以在焊缝表面一定深度下产生压应力,最高测得-237MPa。全覆盖冲击后焊缝整体处于压应力状态下,焊缝中心残余压应力进一步增大;焊趾冲击后,焊缝中心应力值没有较大变化,焊趾处压应力值增大。经超声冲击后,组织发生塑性变形形成了高位错密度的包状结构,这个高位错密度的表面层能够有效阻碍表面应变层底部的晶体在交变应力作用下向表层滑移,抑制表面裂纹产生。

“液压与气压传动”课程的线上教学研究

随着互联网技术及信息技术的迅速发展及应用,线上教学已成为高校教育的“常态化”教学的组成部分。本文以“液压与气压传动”作为教学案例,介绍了线上教学模式在该课程中的探索与实践,包括教学目标设计、在线教学设计及实施、教学考核方式等内容,最后分析和反思了线上教学的实施效果。

TC4钛合金薄板激光填丝焊接头成形与组织研究

采用2 kW光纤激光器及焊接机器人对1 mm厚TC4钛合金薄板进行了激光填丝拼焊试验,研究了激光焊接工艺参数对接头截面尺寸和组织的影响。结果表明：激光功率的变化对焊缝熔深影响最大。在焊接功率不变的情况下,焊接速度的变化对焊缝熔深和熔宽的影响最大,送丝速度的变化对焊缝上堆高和下余高影响最大。随着激光功率的增加,焊缝区晶粒粗大,晶粒内部针状马氏体数量增多且方向性较差,Al元素烧损较为明显,Ti元素含量略有上升。

激光内送粉熔覆表面质量研究

采用激光内送粉熔覆技术熔覆单道,探究激光功率、扫描速度和送粉率3个工艺参数对表面质量的影响,选择较优的工艺参数成形直墙薄壁件。结果表明:激光功率对单道熔覆层表面质量有显著的影响,随着激光功率的增加,单道熔覆层上表面和侧面黏粉减少,上表面表面粗糙度降低,增大功率可以提高表面质量;随着扫描速度增大,单道上表面和侧面黏粉及表面粗糙度先减小后增大;随着送粉率增大,单道上表面和侧面黏粉及表面粗糙度增大,过小送粉率会导致熔覆层过烧,熔覆效率低。直墙薄壁件表面粗糙度为2.244μm,侧面黏粉较少,表面波纹度为16.036μm,表面质量良好。

激光冲击强化7050铝合金薄板表面残余应力形成机制的实验研究

为研究激光冲击强化7050铝合金薄板表面残余应力的形成机制,采用5种不同功率密度的激光束冲击加载7050铝合金薄板,利用PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器测量激光冲击薄板试样的动态应变,利用X射线应力分析仪测量激光冲击后的残余应力分布,并借助三维显微系统观察激光冲击强化造成的表面微结构。结果表明,当激光功率密度为1.02GW/cm^2时,激光冲击引起的横向变形小;当激光功率密度为1.53GW/cm^2时,表面稀疏波与横向变形共同导致了试样最大残余主应力呈等双轴分布;当激光功率密度为1.98GW/cm^2和2.77GW/cm^2时,冲击区域中心比临近区域分别高出5.680μm和10.800μm,在来回反射的冲击波与表面稀疏波的共同作用下产生了残余应力洞现象;当激光功率密度为4.07GW/cm^2时,试样冲击区域产生了较大的塑性变形且比较平滑,最大残余主应力呈均匀分布。

激光熔覆CaF_2/Ni基合金复合涂层的裂纹敏感性及力学性能研究

利用高功率光纤激光熔覆设备,在Q235A钢表面制备了CaF_2/Ni60复合涂层。采用着色渗透探伤法研究了激光扫描速度和CaF_2对涂层的裂纹敏感性的影响,并利用显微硬度计和摩擦磨损机考察了CaF_2对复合涂层显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明,激光扫描速度和CaF_2与涂层裂纹敏感性密切相关,随着扫描速度的增大,涂层表面裂纹敏感性增大;随着CaF_2比例的增加,熔覆层表面的裂纹数量先减少后增加,当w(CaF_2)=6.0%时,激光熔覆层表面未出现裂纹;CaF_2粉末改善了熔池的流动性,使组织分布较均匀,显微硬度波动性减小,当w(CaF_2)=6.0%时,涂层平均硬度为875 HV0.3,约为基体硬度的5.3倍。Q235A基体的平均体积磨损量是Ni60+6.0%CaF_2涂层的4.7倍,提高了涂层的耐磨性。

双波长激光束同轴复合焊接系统设计与实验研究

铜及其合金材料热导性良好、反射率高,采用单一激光焊接难度较大。提出绿-红外双波长脉冲激光同轴复合焊接方法,并研制了焊接系统。系统的绿激光脉冲能量为255.4mJ,功率稳定度为±2%;消色差焊接头保证了T2紫铜的双波长激光同轴复合精密焊接。对焊缝进行显微组织及显微硬度测试,结果表明,焊缝光滑平整,无缺陷;焊缝正面高度与母材区的持平,宽度约为0.5mm,焊缝反面高度略低于母材区,宽度约为0.4mm;焊缝平均显微硬度为134HV,为母材的64.8%,未出现严重的软化现象。

开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型

针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。

开放环境下钛合金激光熔覆局部保护气体的质量分布

针对开放大气环境下钛合金激光熔覆层极易氧化的问题,设计了一种可在熔池附近形成局部气氛的同轴保护气罩。采用FLUENT软件建立了光内送粉同轴熔覆喷嘴的三维模型,模拟分析保护气道的入口数量、角度及保护气体流量对氩气质量分布的影响。结果表明:气罩保护气体入口数量与氩气分布的对称性有关;入口角度对氩气质量分布的影响较小;增大保护气体的流量会极大地提高有效保护范围。根据保护气罩结构优化参数,选用氩气作为保护气,进行开放大气环境下Ti-6Al-4V合金的激光熔覆实验,熔道表面呈银白色,熔覆层饱满,验证了同轴保护气罩的保护效果。

TC4钛合金沉积温度闭环控制研究

激光金属沉积成形传统上多采用恒定的工艺参数进行堆积,易导致热累积现象。为减弱热累积对钛合金成形氧化的影响,提出一种实时改变层间激光功率的熔池温度闭环控制系统。针对TC4钛合金块体沉积,设计了PI控制器,以激光功率作为输入量来控制熔池实际温度。结果表明:PI控制器可使熔池实际温度达到期望值;块体成形件表面呈光亮的银白色,未出现氧化现象;与恒定激光功率下的成形件相比,温度闭环控制的沉积块体柱状晶尺寸小且宽度较为均匀,顶部的显微硬度未出现升高现象。该系统为熔池温度控制提供了新方法,并为实现开放环境下钛合金的连续沉积成形提供了技术支持。

基于响应面法的TC4钛合金激光熔覆工艺参数优化

以TC4钛合金粉末为试验材料,以熔覆层宽高比作为响应指标,研究激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层宽高比的影响,通过响应面法建立工艺参数与熔覆层宽高比之间的数学模型,获得优化的工艺参数。试验结果表明,激光功率和送粉速率对熔覆层宽高比的影响较大,熔覆层宽高比与激光功率呈正比,与送粉速率呈反比。优化的工艺参数为:激光功率2 500 W,扫描速度14.42 mm/s,送粉速率0.6 r/min。经试验验证,熔覆层宏观形貌质量良好,响应面预测值与实际值误差为3.7%。