單元設計--激光熔覆成型（LCF）技術工藝參數

1、浙江工貿職業(yè)技術學院單元教學設計2016 2017 學年 第 二 學期課程名稱： 3D打印工藝實踐 授課班級： 任課教師： 金露凡 所在院（系）： 材料工程系 單元序號及單元標題： 激光熔覆成型工藝流程及工藝參數授課班級光機電應用技術上課時間2課時上課地點多媒體教室教學目的了解激光熔覆成型過程中主要的工藝流程及工藝參數掌握激光熔覆工藝參數的調節(jié)方法掌握工藝參數的優(yōu)化方法以及不同工藝參數對熔覆結果的影響教學目標能力（技能）目標知識目標工藝參數的優(yōu)化方法以及不同工藝參數對熔覆結果的影響激光熔覆成型過程中主要的工藝參數重點難點及解決方法重點：激光熔覆成型過程中主要工藝流程及工藝參數難點：掌握工藝參數

2、的優(yōu)化方法以及不同工藝參數對熔覆結果的影響解決方法：結合視頻實例進行講解。參考資料1. 2.3.4.5.6.7.單元教學設計基本框架第一部分：組織教學和闡述本部分知識的總體概況 （時間：2分鐘）1、回顧激光熔覆成型（LCF）技術的基本原理、過程2、總述本次課學習 激光熔覆工藝對于熔覆成型的質量起到至關重要的作用。學會激光熔覆工藝第二部分：學習新內容【步驟一】說明主要教學內容、目的 （時間：3分鐘）教學內容：激光熔覆工藝流程及工藝參數教學目的：了解激光熔覆成型過程中主要的工藝流程及工藝參數掌握激光熔覆工藝參數的調節(jié)方法掌握工藝參數的優(yōu)化方法以及不同工藝參數對熔覆結果的影響【步驟二】 新知識的引入

3、 （時間：20分鐘）激光熔覆技術興于 20 世紀 70 年代，是通過不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料與基材表層一起快速熔凝，形成與基材表面冶金結合良好涂層的表面改性技術。與傳統(tǒng)的化學熱處理( 滲氮、滲碳、滲金屬) 、電鍍、堆焊、噴涂等相比，該技術具有熔覆層晶粒細小、結構致密及稀釋率低等一系列優(yōu)點，目前在航空航天、模具、石油化工等行業(yè)成為表面工程領域研究發(fā)展的熱點。激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，傳統(tǒng)的熔覆工藝面臨著熔覆層開裂敏感性高，易產生氣孔及效率較低等問題。裂紋現象和行為牽涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工藝是決定熔覆質量及效率的關鍵因素。激光熔覆技術按熔覆材

4、料的供給方式分為兩類，即預置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。預置式是指將待熔覆的合金粉末預先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆蓋層表面掃描，使覆蓋層及一部分基材熔化，激光束離開后熔化的金屬快速凝固在基材表面形成冶金結合良好的熔覆層。同步式是指在激光熔覆過程中采用專門的送粉系統(tǒng)將合金粉末直接送入激光作用區(qū)，在激光的作用下使供料和熔覆同時完成，之后冷卻結晶形成熔覆層。預置式的手工涂覆效率較低; 同步式的熔覆工藝過程簡單，效率高，可控性好，易于實現自動化，適合大規(guī)模工業(yè)生產。影響熔覆層質量的因素眾多，包括激光功率、光斑尺寸、激光掃描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的預處理和后處理，材料的熱物

5、理特性等。但激光功率、掃描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的參數，通常用比能量進行優(yōu)化設計?！静襟E三】新知識的引入 （時間：30分鐘） 激光熔覆成型常用工藝參數1、激光功率對熔覆層質量的影響激光功率和合金熔化量成正比關系,隨著激光功率的增大,合金熔化量增大,因此氣孔產生的機率隨之增大,涂層深度也隨之增大,周圍的金屬液體不斷從氣孔流入,氣孔減少或消除,裂紋減小。如果涂層深度達到極限深度后,隨著功率的增大,等離子體也正比增大,基材表面溫度迅速升高,熔覆層變形和裂紋現象就不可避免了。激光功率對熔覆層質量的影響很大,要想盡量避免氣孔和開裂現象,要選擇合適的激光功率值。熔覆層單位面積所需能量叫做能量密度

6、E,又稱激光比能,其計算公式為式中激光束功率P,激光束光斑直徑D,激光掃描速度Vb。激光比能E過低,導致稀釋率太小,熔覆層和基體結合不牢,容易剝落,熔覆層表面出現局部起球、空洞等外觀缺陷。激光比能E過高,導致稀釋率太大,嚴重降低熔覆層的耐磨、耐蝕性能,熔覆材料過燒、蒸發(fā),表面呈散裂狀,涂層不平度增加。激光比能E適中,稀釋率控制在比較合適的范圍,此時因工藝參數之間匹配良好,熔覆層質量優(yōu)良,與基體結合牢固。隨著激光功率增加,由于激光束中心的功率密度最高,熱量集中,所以使熱影響區(qū)向下擴散形成深孔,涂層深度增加。當涂層深度達到極限深度后,隨著功率提高,引起等離子體增多,基體表面溫度升高,加劇變形和開裂

7、。為了避免這種現象,需合理控制激光熔覆功率。2掃描速度對熔覆層質量的影響極限速度是激光束只能熔化合金粉,幾乎不能熔化基體時的掃描速度。要使熔覆層成型完好,要求激光掃描速度必須小于極限速度4 5。涂層材料和基材不同,其極限速度也不同。研究表明,在保持其它參數不變的條件下,在激光掃描過程中,如果掃描速度較低,預涂層材料表面易燒損,導致材料表面的粗糙程度變大。如果掃面速度較快,激光能量供應不足,短時間內涂層材料熔不透,很難形成熔覆層。所以,控制掃描速度是一個很關鍵的因素。3材料的供給方式和涂覆層厚度對熔覆層質量的影響激光熔覆有預涂粉末法和同步送粉法兩種供給方式,它們的加熱方式也不同,因此涂層的成分均

8、勻性就會受到很大影響。采用預涂粉末法,涂粉厚度對熔覆層質量有較大影響,當涂粉較厚時,功率密度應當大,但是熔池各部分存在溫差,隨著涂粉厚度的增加,熔池內溫度梯度增加,在和基體結合處容易形成裂紋,導致熔覆層和基體結合較差;而且,涂粉厚度大則要求激光束在熔池上方停留的時間延長,激光束對熔覆材料的光壓作用導致熔池內產生飛濺現象,從而降低熔覆層質量。采用同步送粉法,送粉率是指單位時間內噴出的熔覆材料的量。在其它條件相同的情況下,隨著送粉率的增大,熔覆層寬度減小、熔化基體深度減小、厚度增加、表面粗糙度增大、透光率下降,熔覆材料加熱程度降低導致熔覆層組織趨于細化。另外,送粉率低時,稀釋率大。最佳送粉率與激光

9、功率成正比,與光斑直徑成反比,還與光束形狀有關。涂覆層厚度也是對熔覆層質量影響的一個因素。主要是激光能量對厚度的影響導致熔覆層的質量不同:如果涂層太厚,激光能量不足,短時間內涂層熔不透,會影響涂層的質量。如果涂層太薄,對材料表面性能的改善不大。所以在熔覆前應該考察熔覆層的厚度,把厚度控制在一定范圍之內,把對質量的影響降到最低。4光斑尺寸對熔覆層質量的影響光斑直徑主要影響熔覆層寬度,光斑直徑D和熔覆層寬度W以及掃描速度Vb的關系可由下式確定:式中,為經驗常數和工藝特性,和材料屬性有關6 7。當激光功率、掃描速度和送粉率一定時,隨著光斑直徑增加,進入激光束的粉末顆粒增加,吸收激光能量的粉末顆粒增加

10、,在相同激光功率條件下熔覆層寬度增加,熔覆層厚度下降。增大光斑直徑,激光熔池增大,熔池表面張力減小,熔覆層表面質量提高。對于不同型號和種類的激光器,用不同的激光功率輻照,對光斑的大小和形狀都有影響。光斑形狀對熔覆層形貌和力學性能都有很大影響。如果光斑直徑太小,很難得到大面積的熔覆層。因此光斑尺寸也是影響熔覆層質量的重要因素之一。在熔覆過程中應注意調整離焦量的大小。目前,激光熔覆多采用矩形或圓形的多模光斑,激光熔覆熔池表面的溫度場的分布不均勻,在熔池中心附近,其溫度最高。離中心附近越遠,其熔體溫度越低。由于陡斜的表面張力梯度作用,導致合金熔池內存在強烈的對流,從而使熔覆層凝固表面出現凸凹不平,解

11、決方法是改換光束模式,使光束截面能量分布均勻,采用振蕩光束和轉鏡寬帶激光熔覆可獲得滿意的結果。5搭接率對熔覆層質量的影響要想得到大面積的激光熔覆層,只能從搭接率方面著手。主要是因為激光束光斑尺寸較小,所以只能通過掃描帶之間的相互搭接擴大熔覆層面積。除此之外,搭接率對多道激光熔覆層表面粗糙度程度影響也很大。隨著搭接率提高,激光熔覆層表面粗糙度就會降低,但卻很難保證搭接部分的表面均勻性。搭接率是影響形成熔合不良缺陷的一個重要因素。搭接率在快速成形技術中直接影響熔覆層表面的光潔度,搭接率過小會使各熔覆道之間出現凹陷。相對大的搭接率,會使熔覆層表面變得平整,但是如果搭接率過高則可能會出現氣孔和裂紋的產

12、生。因此,選擇合適的搭接率是相鄰熔覆道獲得相同高度的關鍵,也是獲得具有平整表面成形件的關鍵。6稀釋率對熔覆層質量的影響稀釋率是衡量由于基體材料元素混入熔覆層引起熔覆層元素稀釋的程度,用基體材料合金在熔覆層中所占的百分率表示,是衡量熔覆層微觀質量的主要指標。通常用幾何稀釋率和熔覆層成分的實測值表示。激光熔覆過程的稀釋率主要取決于激光參數、材料特性、加工工藝和環(huán)境條件等。高的稀釋率,會提高熔覆層和基體的結合強度,同時也會降低熔覆層的機械性能。低的稀釋率,熔覆層凝固后成球形,與基體結合較差,一般認為稀釋率保持在10%以下,最好在5%左右為宜?！静襟E四】新知識的引入 （時間：30分鐘） 工藝參數的優(yōu)化1、激光熔覆過程中激光功率調節(jié)方法2、不同激光功率對熔覆結果的影響3、掃描速度對熔覆結果的影響第三部分：總結、布置作業(yè)、說清楚作業(yè)的要求 （時間：5分鐘）總結：本次課主要講解了本次課主要介紹了激光熔覆成型的工藝流程及主要的工藝參數，掌握基本參數調節(jié)方法和優(yōu)化方法，能夠根據熔覆結果來優(yōu)化參數。激光熔覆技術按熔覆材料的供給方式分為兩類，即預置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。激光熔覆成型常用工藝參數有激光功率、掃描速度、送粉量及載氣流量等，對熔覆層成形質量起決定性作用作業(yè)：作業(yè)1：預置粉末法的工藝流程是什