金屬材料快速凝固激光加工與成形

魏詠梅

摘? ?要：為了明確金屬材料快速凝固激光加工與成形原理，本文將在金屬材料快速凝固的基礎(chǔ)上，運(yùn)用激光技術(shù)，分析其在金屬材料加工與成型中的具體應(yīng)用，以此為相關(guān)人士提供有效參考。

關(guān)鍵詞：激光加工;快速凝固;激光;激光快速成形;激光表面改性

中圖分類號(hào)：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.07.048

快凝技術(shù)是制備新型結(jié)構(gòu)和功能材料，如微晶、晶體和非晶體的一種重要方法，它改善了傳統(tǒng)金屬材料的性能，而快速老化技術(shù)和快凝理論是材料科學(xué)、技術(shù)和凝聚物理的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

事實(shí)上，低偏析或不偏析，形成不同的轉(zhuǎn)移相，準(zhǔn)靜態(tài)，并具有特殊的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，還能靈活地將合金元素（激光表面合金）添加到熔池中，還能實(shí)現(xiàn)零件表面的快速凝固過(guò)程，使激光表面快速、靈活、易自動(dòng)化。事實(shí)上，激光表面顯影技術(shù)是建立在激光表面合金化和激光涂層快速凝固理論之上的，它集成了新型材料特殊的高級(jí)涂層設(shè)計(jì)、新型材料合成及優(yōu)質(zhì)零件涂層生產(chǎn)等現(xiàn)代表面技術(shù)中的一項(xiàng)新技術(shù)。

近幾年來(lái)，高性能金屬零件的激光助劑制造（LAM）或激光直接成形（RPM）技術(shù)與快速固化激光加工和快速成形（RPM）的基本原理迅速結(jié)合起來(lái)。在材料科學(xué)、材料加工、先進(jìn)制造技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等交叉前沿領(lǐng)域中具有重要意義。集成有機(jī)"材料設(shè)計(jì)""材料合成""近無(wú)縫零件快速原型"是一項(xiàng)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、數(shù)字化、知識(shí)化、綠色、快速的制造技術(shù)。

一 、鈦合金速凝固激光熔覆技術(shù)

從2016年開始，本文就鈦合金激光快速凝固表面改性技術(shù)進(jìn)行了研究。利用激光表面涂裝技術(shù)和激光快速凝固技術(shù)，制備了一種含有 TiN， TiC， AL2O3，WC，Cr7C3，SiC等耐磨材料的快速凝固復(fù)合材料原位涂裝層，用于難熔金屬間化合物連接用鈦合金表面的高溫快速凝固。通過(guò)室溫高溫條件下的滑動(dòng)磨損、磨粒磨損和高溫磨粒磨損試驗(yàn)，成功地研制出高硬度、高耐磨性的金屬間化合物 Ti5Si3/NiTi2、 Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2、 Ti5Si3/Ti2Ni3Si等新涂層，不僅磨損率低，而且摩擦系數(shù)低。

二、激光熔覆高溫耐磨耐蝕特種涂層

許多重要的高溫運(yùn)動(dòng)副在高溫氧化、熱腐蝕等惡劣環(huán)境條件下，在航空航天、石化、電力等國(guó)防及工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域受到強(qiáng)烈的摩擦磨損。新材料具有優(yōu)異的高溫耐磨性能、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的高溫抗氧化性能，為進(jìn)一步發(fā)展耐高溫腐蝕性、良好的摩擦學(xué)相容性和高品質(zhì)的涂層修復(fù)技術(shù)，近幾年發(fā)展了快速凝固技術(shù)激光服裝，作為合成材料和高品質(zhì)涂層修復(fù)技術(shù)的手段，開展了"先進(jìn)、耐磨、耐腐蝕的多功能新材料涂層及激光涂層快速固化新技術(shù)"的研究。

近幾年來(lái)，利用過(guò)渡金屬硅化物獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，提出了一種新的研究領(lǐng)域，即根據(jù)高溫、耐磨、耐腐蝕的工況及性能要求，開發(fā)出多功能難熔金屬硅化物合金涂層。過(guò)渡金屬硅化物，如Ti5Si3/Ni3Ti2Si，Cr3Si/Cr2Ni3Si，Mo2Ni3Si/NiSi，Ti2Ni3Si/NiTi等具有優(yōu)異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、摩擦系數(shù)低、摩擦學(xué)性能好等特點(diǎn)，可作為多功能耐磨、耐腐蝕涂層材料。優(yōu)選出優(yōu)質(zhì)的激光鍍膜新工藝。5～15金屬硅化物的高溫耐磨損耐腐蝕涂層，如 Mo2Ni3Si/NiSi，Ti5Si3/Ni3Ti2Si等具有獨(dú)特的抗粘連性能，例如“異常載荷特性”（材料磨損量不隨試驗(yàn)負(fù)荷增加），“異常溫度特性”（材料磨損量隨溫度升高而降低），“2 b無(wú)金屬附著”

三、小面相液固界面結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)機(jī)制

對(duì)TiC-MC硬質(zhì)合金的液-固界面結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)形態(tài)及生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究，并以 Jackson因子5-8為代表的TiC-MC硬質(zhì)合金的表征為研究重點(diǎn)。在高溫耐磨復(fù)合涂層中， TiC增強(qiáng)金屬和金屬間化合物在不同凝固冷卻速率下的凝固形態(tài)、抗液界面組織以及 TiC小表面的凝固機(jī)理102-105K/s，均表現(xiàn)為豐富的小平面相形態(tài)，從亞快速凝固條件下的三維枝晶分枝網(wǎng)絡(luò)到快速凝固條件下的“小行星瓣”和“小枝晶群徑向輻射”（見(jiàn)圖2），發(fā)現(xiàn) tic的生長(zhǎng)有很大差異，無(wú)論凝固速度和凝固形式如何變化，晶體的生長(zhǎng)界面或表面都具有典型的扁平特征。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于典型的小平面表面小晶體（如 TiC晶體），生長(zhǎng)階段密度隨凝固速度的增加而明顯增加，而液相界面的晶面和阻液界面的晶面之間的結(jié)晶關(guān)系，液相界面的結(jié)構(gòu)和階梯式橫向生長(zhǎng)機(jī)制的基本特征，不隨凝固速度和凝固條件的變化，這是經(jīng)典多面晶體凝固理論的著名結(jié)論，對(duì)于原子間結(jié)合力強(qiáng)、熔點(diǎn)高的多面難熔碳化物晶體，隨著低溫的升高，界面結(jié)構(gòu)由平滑變粗糙，生長(zhǎng)機(jī)制由液相界面轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)界面，但這種轉(zhuǎn)變并不常見(jiàn)。

四、高性能金屬零件激光快速成形

高效金屬近凈成形復(fù)雜零件激光快速成形技術(shù)是以快速原型開發(fā)（rp pe）為基礎(chǔ)，不需任何工具，由數(shù)值計(jì)算機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，采用離散 CAD金屬模型切割數(shù)據(jù)，采用激光鍍快速凝固技術(shù)，通過(guò)金屬層沉積實(shí)現(xiàn)快速凝固層材料。適應(yīng)性強(qiáng)，反應(yīng)迅速，應(yīng)用廣泛。本發(fā)明不需備料，不需專用模具及鍛造設(shè)備，切削量少，生產(chǎn)周期短，成本低，材料利用率高。

從2017年開始，，高溫合金與金屬化合物相結(jié)合，成為國(guó)內(nèi)最早、也是國(guó)際為數(shù)不多的全面掌握該技術(shù)的科研單位之一。以工業(yè)純鈦、TC4、BT20、BT2等多種鈦合金復(fù)合模為對(duì)象，進(jìn)行激光快速成形。用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模生產(chǎn)，并利用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)性生產(chǎn)--模擬發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金板以及用鎳基高溫合金盤形件徑向快速凍結(jié)試樣生成定向微波結(jié)構(gòu)。把握多性能零件快速激光成形的關(guān)鍵技術(shù)，采用鈦合金與 TiAl混合激光成形、梯度材料Tcata15/BT22制備 Ti/TA15、TA15/TiAl和 Ti/TA15/TiAl

五、結(jié)語(yǔ)

激光快速凝固技術(shù)是一種利用金屬的快速凝固效應(yīng)制備新材料，將金屬零件直接傳遞給金屬零件的新技術(shù)。廣泛應(yīng)用于鈦合金等先進(jìn)航空金屬材料的表面改性、特種材料的合成、激光材料和激光材料的制備，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的耐磨性和耐腐蝕涂層材料及高質(zhì)量涂層，耐火和高活性金屬材料制造，以及低直接原型的高性能金屬零件。

（河南技師學(xué)院? 河南鄭州? 450000）