高端装备激光表面改性与再制造专栏 序言

高端装备制造业是现代工业体系的核心支撑,表面性能是保障高端装备长周期、高可靠服役的关键。激光辐照能够在金属表面引发多种物理或化学反应,如固态相变、熔凝和气化等,为激光表面工程的发展提供了基础,催生了一系列激光表面改性与再制造技术,实现了对于新件的表面性能提升与失效件的快速形性恢复,达到高端装备延寿的目标,已成为全球竞相发展的热点技术。此外,通过融合不同的能量场和工艺,能场/工艺复合表面改性与再制造技术亦不断涌现,拓宽了应用范围,取得了一系列重要成果。

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。

激光热应力成形弯折区形貌演变规律研究

目的针对激光热应力成形弯折区增厚现象,揭示激光热输入、弯曲角度和成形机制对弯曲过程的影响,以及弯折区域形貌的演变规律,为提高激光热应力成形弯折区域的形貌可控性提供参考。方法采用高速相机拍摄成形过程中热输入和弯曲角度对弯折区的宏/微观形貌的作用效果,并采用共聚焦显微镜观察试样的宏观形貌,采用光学显微镜分析微观组织,通过维氏显微硬度计测量弯折区附近材料的硬度分布情况,同时结合温度场数值模拟和表面张力理论分析,揭示弯折区形貌的影响因素及形成机制。结果在低比能作用下,弯折区的熔融材料在激光扫描结束后快速凝固,并在扫描次数逐渐增加的过程中其表面逐渐隆起,并形成凸起状形貌,表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现上升趋势,由5.5μm增至37.6μm。在高比能作用下,熔融材料的流动性得到提升,并在表面张力的作用下充分铺展,宏观形貌由凸变平,最后呈现凹形形貌,表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现相反的变化趋势,由31.7μm减至5.8μm。此外,在塑性成形过程中,熔池流动仍受到成形角两侧壁面的限制。硬度测试结果表明,激光热应力成形弯折熔凝区域的硬度略高于基体的硬度,热影响区的硬度比基体的硬度降低了40%。结论激光热输入、弯曲角度和成形机制会影响弯折区材料表面的挤压、熔化、流动、凝固过程,以及材料内部的温度梯度和界面表面张力,在这些因素的影响下弯折区域的轮廓形貌、成形粗糙度、显微组织和硬度分布发生了变化。

水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。

连接金具用Q235钢表面激光合金化耐磨耐蚀涂层的组织及性能研究

目的解决电网连接金具存在的硬度低、耐磨性差、易腐蚀失效等问题。方法采用激光合金化工艺在常见连接金具材料Q235钢表面制备均匀致密的K500涂层和K500+WC复合涂层,研究涂层的物相组成、微观组织、WC颗粒的溶解析出行为,并对其耐磨性能和耐蚀性能进行分析。结果K500涂层由γ-(Fe,Ni,Cu)单相固溶体组成,其组织结构从底部到顶部经历了从平面晶向柱状晶、枝晶,最后到顶部等轴晶的转变。K500+WC涂层主要由γ相固溶体、WC、W2C组成,在熔池中WC颗粒边缘溶解,形成了几微米的元素扩散区域,该区域内析出枝晶状、块状碳化物,熔池底部富Fe元素区域还析出了鱼骨状Fe3W3C碳化物。K500涂层和K500+WC涂层的平均显微硬度分别为244.73HV0.2、355.27HV0.2,磨损率分别比基材降低了41.48%、85.39%,耐磨性能显著提升,这得益于γ相的固溶强化及碳化物的弥散强化效应。结论K500涂层中的Ni、Cu等元素在腐蚀初期会形成致密的氧化膜,将涂层与腐蚀性介质隔离,有效降低了腐蚀速率。加入WC颗粒后,耐蚀性良好的γ相含量降低,涂层内部微界面增多、腐蚀通道增加,导致K500+WC涂层的耐蚀性略微降低,但仍明显优于基材。

超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能研究

目的研究超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料的微观结构及力学性能。方法对CNTs进行表面镀铜处理,提高它与Cu黏接相之间的润湿性,增强CNTs/Cu之间的界面结合,利用超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)增材制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,对比研究了CNTs含量和退火温度对CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能的影响规律,并采用能谱仪对拉伸断口微区进行元素分析测定。结果SLD制备的CNTs/Cu复合材料具有优异的塑性变形能力,而强度较高的CNTs通过嵌入铜粉颗粒之间的缝隙提升了沉积质量。对复合材料微观组织进行表征发现组织无明显孔隙、致密性良好,且无烧蚀现象。CNTs的加入有效提高了CNTs/Cu复合材料的抗拉性能,并且随着CNTs含量的上升,CNTs/Cu复合材料的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength,UTS)稳步上升;当CNTs质量分数为0.3%时,CNTs/Cu复合材料的UTS为36.33MPa,是CNTs质量分数为0.05%时的1.35倍。随着退火温度的升高,CNTs/Cu复合材料的UTS表现为先增大后减小的趋势,在500℃时UTS达到最大值。结论由于激光加热软化的效果与表面镀铜的包覆作用,CNTs能够均匀地分布在CNTs/Cu复合材料内部,同时明显增强复合材料内部颗粒的界面结合强度,后续的热处理有助于使材料从不稳定的机械结合逐步转换为冶金结合,显著提高复合材料的抗拉性能。

材料表面激光抛光数值模拟研究进展

激光抛光技术与传统抛光技术相比,具有非接触式加工、高效率、无污染等特点,其目的是提高加工工件的尺寸精度和几何形状精度,降低材料表面的粗糙度。激光抛光伴随着传热传质、熔池内溶体流动、凝固等物理过程,由于熔池高温及瞬时演变的局限性,以数值模拟技术对熔池内部传热流动行为以及形貌演变进行仿真分析受到了国内外学者的广泛关注。综述了激光抛光机理、激光抛光数值模拟中的热源、金属及非金属(如半导体、陶瓷等)材料抛光研究现状与进展,最后对激光抛光数值模拟的未来发展进行了展望。

激光复合制造技术研究现状及展望

综述了国内外激光复合制造技术的研究现状,从激光复合焊接技术、激光复合切割/打孔、激光复合表面改性和激光复合成形等四个方面阐明了激光复合制造技术的优势,明确了激光复合制造的内涵概念,并根据激光复合制造技术目前的研究现状和未来的发展趋势,指出了激光复合制造技术在协同作用机理、工艺优化、智能化控制及成套设备等方面面临的挑战。

“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。

316L水平悬垂结构初始层选区激光熔化成形形貌研究

目的针对选区激光熔化成形带较薄水平悬垂结构零件时表面形貌较差的问题,研究支撑间隔、支撑形式以及能量输入的大小对支撑上方悬垂结构初始层形貌的影响。方法利用选区熔化技术制备带支撑的316L水平悬垂结构初始层成形试样,通过截面金相分析和表面形貌数据分析,探究初始层熔融金属在冷却凝固前形貌的影响因素,以及变化过程机制。结果随着支撑间隔从2.5 mm减小至0.714 mm,激光能量输入由0.083 W·s/mm增加至0.25 W·s/mm,悬垂结构初始层的孔隙逐渐减少,最低孔隙率为6.549%。表面凸起球化最大高度由523.454μm降低至最小267.951μm,成形表面更为平整。相同排布方式下,线形连续支撑成形试样的孔隙更少。结论支撑间隔影响相邻支撑间受激光扫描熔融形成的熔融金属量,激光能量输入的大小将影响相同散热速率下熔融金属所需的凝固时间。受到扰动而破裂的熔融金属薄膜在表面张力作用下,将不断向与支撑结构连接处汇聚球化,初始层形貌不断偏离初始的平整薄层状态。使用十字交叉排布方式支撑间隔在1 mm以下的线形连续支撑,可以有效减少SLM成形水平悬垂结构初始层的孔隙数量,并提高初始层形貌的平整程度。

激光送丝熔覆过程液桥过渡行为及其实验研究

激光送丝熔覆在工艺敏感性与稳定性方面存在挑战,亟需深入理解激光送丝熔覆过程的液桥过渡行为。本文在液桥过渡机制分析的基础上,建立了激光功率、送丝速度、扫描速度及光丝间距等工艺参数的相互关系;搭建了可精密调控光丝间距的激光送丝熔覆实验装置;采用减光摄像对激光送丝熔覆工艺过程进行了图像采集,分析了丝材在激光热源作用下的熔化与过渡成形机理,揭示了液桥过渡、液滴过渡和非接触过渡3种不同过渡形式下的送丝熔覆成形机制,分析了送丝熔覆成形件宏观和微观形貌;为零部件的送丝增材制造和受损零部件的送丝增材修复过程提供了理论支撑。

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。

超声振动对激光修复镍基高温合金晶粒特征及其缺陷的影响

目的研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响,为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考。方法以镍基高温合金为基体和修复材料,并将超声振动引入激光增材修复过程中。采用光学显微镜,对比分析有无超声振动时梯形槽修复区的显微组织结构;采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等设备,表征不同超声功率下梯形槽修复区的晶粒取向、析出相分布和元素组成;结合试验研究与机理分析,揭示超声振动对修复区晶粒特征和缺陷的影响规律。结果超声振动减少了梯形槽修复区底角的缺陷,修复区一次枝晶间距平均值由6.74μm减至3.38μm,晶粒平均尺寸由58.4μm降至50.2μm,等轴晶占比由46.6%增至63.4%,Laves相析出含量减少。当超声功率为4000 W时,梯形槽修复区的平均显微硬度为256.2HV0.2,相较于无超声振动时提高了17.7HV0.2。结论在超声振动作用下,梯形槽底角的熔合不良缺陷得到抑制,一次枝晶间距减小,长条状Laves相转变为颗粒状Laves相,且随着超声功率的增大,梯形槽修复区的平均显微硬度逐渐增大。

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。

激光再制造技术与应用发展研究

激光再制造技术作为制造技术创新的前沿领域,深刻改变着高端装备的设计与运行方式,是绿色再制造的重要支撑技术,是促进制造产业可持续发展的重要力量。本文从激光再制造技术的宏观需求入手,梳理了激光再制造技术的发展及应用现状,凝练了激光再制造技术和产业在发展过程中面临的挑战,进而提出了面向2025年、2035年以及2050年的分阶段发展目标。针对当前我国激光再制造技术在专用材料、核心器件、再制造理念与标准体系等方面存在的问题与挑战,研究提出:加强战略层面的积极引导;构建激光增材再制造材料基因组体系;完善标准化体系和高层次应用型人才培养体系;加大应用推广力度,引导行业整合;建立合作平台,加快关键共性技术创新发展,为激光再制造技术及其产业发展提供支撑。

Si含量对316L不锈钢激光熔覆层拉伸性能的影响

为研究Si元素对316L不锈钢激光熔覆层力学性能和成形质量的影响,在316L不锈钢表面制备了三种Si含量不同的激光熔覆层,系统分析了Si元素含量对熔覆层组织结构、拉伸性能和成形质量的影响。结果表明,316L激光熔覆层的各项性能与Si元素含量密切相关。随着Si元素质量分数从0.8%提高到1.6%,内部晶粒得到细化,熔覆层成形质量提高,抗拉强度从525 MPa升至622 MPa,但熔覆层硅化物夹杂增多,塑性降低,致使断后伸长率从68.3%降至40.5%。

激光增材再制造IN939修复区显微组织与拉伸性能研究

目的研究采用IN939粉材对镍基高温部件增材修复的可行性,获得增材修复区微观组织与性能分布规律,为燃机部件修复提供支持。方法探索了IN939合金激光熔覆成形工艺,并进一步开展了IN939增材修复镍基合金梯形槽试验研究,分析了增材修复区显微组织结构与物相组成,研究了激光再制造过程组织变化对修复区显微硬度、拉伸性能的影响。结果IN939激光修复区形貌良好,组织致密,无明显裂纹、气孔等缺陷。熔覆层主要存在γ奥氏体相和Laves相。IN939修复区由底部至顶部,冷却速率逐渐减小,导致一次枝晶间距逐渐增大,Laves相分布先增多后略有减小。修复区界面处的平均横向残余拉应力为346 MPa。修复区显微硬度由底部至顶部呈现先增大后略有减小的趋势,修复区的平均显微硬度强于基体。修复件的平均屈服强度为548 MPa,极限抗拉强度为959 MPa。激光修复件的拉伸断裂于基体上,显示出IN939合金与基体良好的冶金结合。结论激光增材修复后,IN939镍基合金修复区的机械性能与结合性能良好,采用IN939粉材进行镍基高温合金的激光增材修复具备可行性。