高性能金屬零件快速凝固激光成形技術(shù)

高性能金屬零件快速凝固激光成形技術(shù)

采用psp快速加工工藝技術(shù)（rapidsolidifi裝置廠），生產(chǎn)高速冷凝固晶、準(zhǔn)晶、非晶等新型結(jié)構(gòu)和功能材料。這是提高傳統(tǒng)材料性能、探索現(xiàn)有材料性能潛力、研究和開發(fā)高性能新材料的重要手段之一。高速固碳材料技術(shù)和高速冷速連續(xù)理論的研究是當(dāng)今科學(xué)研究材料、工程和冷態(tài)物理的國際先進(jìn)領(lǐng)域之一。激光表面快速熔化/快速凝固是實(shí)現(xiàn)金屬材料快速凝固的三大基本方法之一,也是迄今為止能實(shí)現(xiàn)凝固冷卻速度最快的快速凝固方法.對金屬材料進(jìn)行激光表面熔化與無界面快速熱傳導(dǎo)自淬火激冷快速凝固,不僅可以直接獲得具有快速凝固組織特征(如:枝晶及組織細(xì)化、溶質(zhì)元素高度過飽和固溶、低偏析或無偏析、形成各種亞穩(wěn)相、準(zhǔn)晶、非晶等非平衡相等)和特殊物理化學(xué)及力學(xué)性能的表層材料外,還可以在激光材料表面快速熔化過程中靈活地向熔池中加入合金元素(激光表面合金化)或直接熔化同軸同步輸送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固,從而獲得成分、組織及性能完全不同于零件基材、具有細(xì)小均勻快速凝固非平衡組織特征和所設(shè)計(jì)優(yōu)異特殊性能配合的特種表面冶金涂層材料.此外,由于激光表面快速凝固加工過程快速、靈活、熱影響區(qū)小、易于自動化,快速凝固激光表面改性應(yīng)用基礎(chǔ)與應(yīng)用研究進(jìn)展迅速,事實(shí)上,在快速凝固理論研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于激光表面合金化及激光熔覆的激光表面工程(lasersurfaceengineering)技術(shù),已成為一種將特種先進(jìn)涂層新材料設(shè)計(jì)、新材料合成及零件優(yōu)質(zhì)涂層制備有機(jī)融為一體的現(xiàn)代表面工程新技術(shù)之一.近年來將快速凝固激光材料加工(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)與快速原型制造RPM(RapidPrototypeManufacturing)基本原理相結(jié)合而迅速發(fā)展起來的高性能金屬零件激光添加材料制造技術(shù)LAM(LaserAdditiveManufacturing)或激光直接成形技術(shù)(laserdirectforming),是材料科學(xué)、材料加工工程、先進(jìn)制造技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向之一,是一種將“材料設(shè)計(jì)”、“材料合成/制備”與“近凈形復(fù)雜金屬零件快速成形”有機(jī)融為一體的先進(jìn)、低成本、數(shù)字化、知識化、綠色、快速制造技術(shù).北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工與表面工程實(shí)驗(yàn)室,近年來一直從事先進(jìn)金屬材料快速凝固激光表面改性及高性能金屬零部件快速凝固激光快速成形技術(shù)的研究.本文簡要報(bào)道本實(shí)驗(yàn)室近2年來在先進(jìn)金屬材料快速凝固激光表面改性、金屬間化合物高溫耐磨耐蝕涂層新材料快速凝固激光熔覆制備技術(shù)、鈦合金及高溫合金等高性能金屬零件快速凝固激光成形技術(shù)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展.1試驗(yàn)及成果鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性優(yōu)異、高溫力學(xué)性能優(yōu)異、生物相容性好等突出性能特點(diǎn),在航空、航天、船舶、兵器、石工、海洋、電力、生物醫(yī)學(xué)工程等具有廣闊的應(yīng)用前景.但鈦合金也存在著摩擦系數(shù)高、耐磨性低、易粘著、高溫高速摩擦易燃(“鈦火”)等固有缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了鈦合金作為摩擦磨損運(yùn)動副零部件的應(yīng)用.采用先進(jìn)的表面工程技術(shù),直接在鈦合金零件表面制備一層具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)異阻燃性能、同鈦合金零件基材之間為牢固冶金結(jié)合的高溫耐磨耐蝕阻燃特殊涂層材料,是有效解決鈦合金摩擦系數(shù)高、耐磨性低等固有性能缺點(diǎn)最有效、經(jīng)濟(jì)、靈活的方法之一.本文從1995年開始一直致力于鈦合金快速凝固激光表面改性技術(shù)的研究,先后采用激光表面合金化及激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備出了分別以TiN,TiC,Al2O3,WC,Cr7C3,SiC等硬質(zhì)耐磨相為增強(qiáng)相的快速凝固“原位”耐磨復(fù)合材料表面改性層,大幅度提高了鈦合金的摩擦學(xué)性能.近2年來,采用快速凝固激光表面合金化及激光熔覆改性技術(shù)在鈦合金表面制備難熔金屬間化合物增強(qiáng)快速凝固高溫耐磨涂層的研究,對TC4,BT9,TA15等鈦合金進(jìn)行快速凝固激光表面合金化與激光熔覆,成功研制出了Ti5Si3/NiTi2,Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2,Ti5Si3/Ti2Ni3Si等高硬度高耐磨金屬間化合物耐磨涂層新材料,由于上述涂層組織組成相全部均為金屬間化合物,其固有的高硬度及反常的硬度溫度關(guān)系、獨(dú)特的金屬鍵與共價鍵共存性質(zhì),在室溫及高溫滑動磨損、磨料磨損及微動磨損等磨損條件下不僅磨損速率很低,而且還具有很低的摩擦系數(shù),與鈦合金基材相比,耐磨性可提高幅度達(dá)到100~710倍、摩擦系數(shù)降低近50%,為鈦合金作為摩擦副機(jī)械零部件特別是高溫耐磨運(yùn)動副零部件的應(yīng)用,提供了可能性和新途徑,部分研究成果已應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵高溫耐磨運(yùn)動副零部件.2過渡金屬硅化物高溫耐磨性耐蝕涂層新材料的研發(fā)在航空航天、石油化工、電力等國防及工業(yè)裝備中大量關(guān)鍵高溫運(yùn)動副零部件,在高溫氧化、熱腐蝕等惡劣環(huán)境條件下承受強(qiáng)烈摩擦磨損作用,服役條件十分惡劣,對材料性能要求十分苛刻,急需同時具有優(yōu)異的高溫耐磨性能與低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的高溫抗氧化、抗熱腐蝕等性能與優(yōu)良摩擦學(xué)相容性的高耐磨、抗氧化、抗熱腐蝕、低摩擦多功能涂層新材料及其優(yōu)質(zhì)涂層制備新技術(shù).據(jù)此,近年來本文以快速凝固激光熔覆技術(shù)作為涂層材料合成與優(yōu)質(zhì)涂層制備技術(shù)手段,一直開展“先進(jìn)高溫耐磨耐蝕多功能涂層新材料及其快速凝固激光熔覆涂層制備新技術(shù)”的研究.針對先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中大量關(guān)鍵高溫高速運(yùn)動副零部件對高溫耐磨、低摩擦、自潤滑、抗氧化、金屬摩擦相容等多功能涂層材料及其優(yōu)質(zhì)涂層制備技術(shù)的要求,利用新的耐磨材料設(shè)計(jì)原理與快速凝固激光熔覆涂層制備技術(shù),研究成功了同時具有優(yōu)異高溫耐磨性、優(yōu)異摩擦學(xué)相容性與優(yōu)良激光熔覆涂層工藝性能、碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達(dá)9%~12%、顯微組織由完全孤立分布塊狀及球狀高溫耐磨碳化物、球狀高溫自潤滑相及連續(xù)高溫耐磨耐蝕鎳基固溶體基體組成(如圖1所示)的“超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨自潤滑多功能涂層新材料”及其優(yōu)質(zhì)涂層(組織完全致密、均勻、同零件基材之間為“無界面”冶金熔合結(jié)合)激光熔覆制備工藝,研究成果在我國某航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵高溫高速滑動摩擦副部件上通過整機(jī)裝機(jī)試車考核.近年來,針對高溫耐磨運(yùn)動副零部件的工作條件與性能要求,從摩擦學(xué)、耐磨材料與表面工程觀點(diǎn)出發(fā),利用過渡金屬硅化物的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì),提出了“難熔金屬硅化物合金高溫耐磨耐蝕多功能涂層新材料研究新領(lǐng)域,成功研究出Ti5Si3/Ni3Ti2Si,Cr3Si/Cr2Ni3Si,Mo2Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi等同時具有優(yōu)異高溫耐磨性能、抗熱腐蝕及抗氧化性能、低摩擦系數(shù)及優(yōu)良摩擦學(xué)相容性等性能配合的過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層材料新體系并優(yōu)化出了其優(yōu)質(zhì)涂層激光熔覆制備新技術(shù)[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],發(fā)現(xiàn)在常溫及高溫金屬干滑動磨損條件下,Mo2Ni3Si/NiSi,Ti5Si3/Ni3Ti2Si等金屬硅化物高溫耐磨耐蝕涂層具有“反常載荷特性”(材料磨損失重不隨試驗(yàn)載荷的增加而增加)、“反常溫度特性”(材料磨損失重隨溫度的增加反而降低)、“與金屬摩擦完全不發(fā)生粘著”(如圖2a、圖2b所示)等獨(dú)特的“不粘”特性.3不同凝固冷卻速度對tic晶體結(jié)構(gòu)的影響“小平面相”(facetedphase)液-固界面結(jié)構(gòu)、生長形態(tài)選擇規(guī)律及生長機(jī)制研究是凝固理論研究的基本問題及難點(diǎn)問題之一.本文以激光表面合金化、激光表面熔化及激光熔覆等表面熔化/凝固技術(shù)為手段,選擇Jackson因子為5~8的TiC型MC碳化物的典型小平面相(facetedphase)作為研究對象,研究TiC增強(qiáng)金屬及金屬間化合物基高溫耐磨復(fù)合材料涂層不同凝固冷卻速度條件下TiC小面相的凝固生長形態(tài)、液-固界面結(jié)構(gòu)及凝固生長機(jī)制.結(jié)果表明,在冷卻速度為102~105?K/s的非平衡凝固條件下,小平面相TiC的生長形態(tài)豐富多變,從亞快速凝固條件下的“三維小面分叉網(wǎng)絡(luò)樹枝狀”、到快速凝固條件下的“小平面花瓣?duì)睢?、“徑向輻射小面分枝團(tuán)族樹枝晶”等生長新形態(tài)(如圖3所示),但深入觀察發(fā)現(xiàn),無論凝固冷卻速度及凝固形態(tài)如何變化,其生長界面或表面始終具有典型的小平面特征,說明對于Jackson因子很高的典型小面晶體(如TiC晶體),在1.0×102~1.4×105?K/s較寬的凝固冷卻速度范圍內(nèi),盡管其液/固界面上生長臺階密度隨著凝固冷卻速度的增加而顯著增加,但液/固界面在原子尺度上光滑及液/固界面上生長臺階側(cè)壁晶面間嚴(yán)格的晶體學(xué)關(guān)系并未隨凝固冷卻速度變化而改變,也就是說,其原子尺度上的光滑液固界面結(jié)構(gòu)及其臺階側(cè)向生長機(jī)制的基本特征并未隨凝固冷卻速度及凝固條件的變化而變化,說明經(jīng)典凝固理論有關(guān)小面晶體“隨過冷度增加,液/固界面結(jié)構(gòu)由光滑向粗糙轉(zhuǎn)變、生長機(jī)制由側(cè)向生長向連續(xù)生長轉(zhuǎn)變”的著名推論對原子間結(jié)合力很強(qiáng)、熔化熵很高的難熔碳化物小面晶體并不具有普遍性.4u2004激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)高性能金屬近凈成形復(fù)雜零部件激光快速成形技術(shù),是近年來在材料科學(xué)與工程、先進(jìn)制造技術(shù)與工程學(xué)科交叉領(lǐng)域迅速發(fā)展和受到廣泛關(guān)注的高性能新材料制備與近凈成形復(fù)雜零件成形新技術(shù),它是快速凝固技術(shù)、新材料制備技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)緊密結(jié)合的典范之一.該技術(shù)以快速凝固激光材料制備加工(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)技術(shù)為核心,利用快速原型制造(rapidprototypemanufacturing)技術(shù)在無需任何模具和工裝條件下快速成型任意形狀零件的基本原理,在金屬零件CAD實(shí)體模型離散切片數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動下,以快速凝固激光熔覆材料制備技術(shù)為手段,通過金屬材料的激光熔化-快速凝固逐層沉積,直接制備并成形出組織細(xì)小致密、成分均勻、性能優(yōu)異的高性能金屬材料及其近凈成形零件,是一種材料技術(shù)與制造技術(shù)有機(jī)融為一體的“新材料設(shè)計(jì)、新材料制備與近凈成形高性能復(fù)雜零件快速成形一體化”新技術(shù).采用該技術(shù)制造金屬零件,只需同一套通用的激光快速成形裝備,即可完成各種高性能金屬材料的制備與各種復(fù)雜金屬零部件的快速成形,具有高度的柔性、適應(yīng)性及快速響應(yīng)性、應(yīng)用面寬廣;與傳統(tǒng)的先進(jìn)材料制備與零件成形技術(shù)相比,存在無需零件毛坯材料制備、無需零件專用成型模具及鍛鑄等成形設(shè)備、切削加工量小、制造周期短、成本低、材料利用率高等突出優(yōu)點(diǎn).自1999年以來,本實(shí)驗(yàn)室一直從事鈦合金、高溫合金及金屬間化合物等高性能金屬結(jié)構(gòu)材料復(fù)雜零部件激光快速成形技術(shù)的研究,研究成功了國內(nèi)首套鈦合金等高活性金屬零件動態(tài)密封、惰性氣氛保護(hù)激光快速成形成套工藝裝備,突破了鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形的關(guān)鍵技術(shù),成為國內(nèi)首家、國際上少數(shù)幾家全面掌握鈦合金零件激光快速成形技術(shù)的研究單位之一,已完成工業(yè)純鈦,TC4,BT20,BT22等鈦合金復(fù)雜形狀試件及零件的激光快速成形,掌握了鈦合金復(fù)雜零件激光快速成形關(guān)鍵工藝與成形規(guī)律、變形及組織控制技術(shù).快速凝固激光成形鈦合金完全致密、組織均勻、力學(xué)性能達(dá)到甚至超過鍛造鈦合金水平(部分力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1).采用該技術(shù)已批量試制出鈦合金機(jī)身結(jié)構(gòu)件(如圖4a所示),同時還試制出了發(fā)動機(jī)鈦合金葉片模型樣件(如圖4b)、具有快速凝固徑向定向微細(xì)柱狀晶組織的鎳基高溫合金盤形零件試驗(yàn)樣件(如圖5所示).掌握了多性能梯度材料零件激光快速成形關(guān)鍵技術(shù),激光成形制造出了Ti/TA15,TA15/TiAl,TC4/TA15/BT22等多種梯度材料鈦合金及TiAl金屬間化合物零件樣件.5激光約束熔鑄成型新工藝及工藝概況W,Mo,Nb,Ta等難熔金屬合金及MoSi2,Nb5Si3,W5Si3,Ta5Si3等難熔金屬間化合物基合金等熔點(diǎn)極高的金屬材料,往往只能采用粉末冶金方法制備與成型.為此,本文利用激光束能量密度高而集中的特點(diǎn),發(fā)明了適用于難熔金屬材料鑄錠與零件快速熔鑄成形、具有無接觸污染、無電極污染、合金元素?zé)o燒損、無夾雜物、無縮孔及疏松、組織致密、無宏觀偏析等突出優(yōu)點(diǎn)的“激光約束熔鑄成型新工藝”(LASMELTProcess)并成功應(yīng)用于W基合金及W/W5Si3,W/W2Ni3Si,Mo/MoSi2等難熔金屬增強(qiáng)難熔金屬硅化物基高溫及超高溫“原位”復(fù)合材料的制備及鑄錠的激光約束熔煉與成型(圖6),該技術(shù)可望為難熔、高活性、高純凈合金材料的制備與零件成型開辟一條新途徑.6激光區(qū)域約束熔鑄定向凝固柱狀晶鈦合金由于高溫下鈦的高度化學(xué)活潑性,定向凝固過程中高溫鈦合金熔體幾乎會與所有高溫耐火材料模殼發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng),再加上鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低,難以抑制凝固界面前沿熔體自型壁表面的形核和難以穩(wěn)定地在液-固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與溫度梯度,迄今為止,國內(nèi)外均無法實(shí)現(xiàn)鈦合金的定向凝固.本實(shí)驗(yàn)室最近發(fā)明