第 1 章 绪论
1.1 激光熔覆技术概述
激光熔覆技术一种先进加工制造技术，通常是以保护气通过同步送粉或预置送粉方式，将熔覆粉末送至基板材料的表面，通过激光束的作用，将合金粉末或陶瓷粉末与基体部分表面加热并熔化，形成粉末与基板的金属熔化，光束移开后自然冷却，使粉末与基材表面形成新的熔覆层的一种表面强化方法。作为一种表面改性技术，激光熔覆技术在零件修复与加工中具有热影响区小、成形快和无污染等许多优点[1-4]，在激光束的作用下可以在较短的时间内熔融金属粉末和基体材料表面，这是是其它表面处理技术不具有的。激光熔覆技术具有能量集中，热影响区小，能量传递快等优点，可以选择性地增强待加工工件的表面，可处理表面形状复杂的工件，容易实现自动化生产[5-8]。随着激光光束的移动，之前被照射区域的熔覆层温度迅速降低，这就使得熔覆层在形成金属熔池后，熔池迅速凝固，这就使得熔覆层组织细密，熔覆层表面的耐磨、耐腐蚀、抗氧化等性能可以达到甚至超过原有的使用性能[9-12]，激光熔覆技术可以大大的提升熔覆零件使用的周期，在一定范围内降低了使用成本，同时也大量节约了金属材料，尤其是贵重金属材料。激光熔覆技术属于增材制造中的绿色加工技术，熔覆加工的过程中不会对环境造成污染[13-16]。
多个系统共同组成了激光熔覆设备，随着当代激光熔覆技术的发展与变革，其设备也在不断的更新换代，在保证熔覆质量的前提下，如何提高熔覆的自动化程度，使熔覆设备满足多领域的熔覆需求，成为人们关注的焦点。此试验所用设备各部分如图 1-1 所示：（1）激光器和光路系统，激光器是激光熔覆系统最关键的部分，为合金粉末与基材的熔化提供高能激光束，熔覆层的质量很大程度上被激光器性能所决定。此部分的光路系统主要是把激光器产生的高能激光束传输到待熔覆区域。此试验使用的激光器是 IPG 公司生产的光纤激光器，其型号为YLS-2000-S2，是六自由度的机器人，能够满足柔性加工的需求；（2）送粉系统，送粉系统的各种属性及指标对最终的熔覆层的成型质量有重要的影响。送粉系统主要包括送粉器、粉末传输通道和喷嘴等，它是激光熔覆系统的重要组成部分。
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1.2 激光熔覆裂纹国内外研究现状
Jendrzejewski 等人[32]认为只有预热基体，才能避免熔覆层开裂，同时预热也会造成熔覆层的耐磨损、耐腐蚀性能有所下降，预热对涂层的硬度和晶粒尺寸几乎没有影响，但保温和缓慢冷却将显著降低硬度。
Techel A，Berger L M，Nowotny S[33]等人通过激光制备 TiC 熔覆层，通过检测微观结构得出，熔覆层的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能，明显高于基体材料的表面性能，这可以在一定程度上有效改善材料的性能。
Tabemero I，Lamikiz A，Ukar E.等人[34]提出经多次激光熔覆实验，通过合理的选择熔覆工艺参数，以此来进行修复失效的冲压模具。
Dubourg L，St. Georges L [35]等人通过激光熔覆试验的研究，得到激光熔覆的工艺参数可以影响到熔覆层的耐磨性和显微硬度等特性的关系，得出激光熔覆工艺参数可以在一定程度上影响熔覆层的性能，可以选择合理的匹配合适的工艺参数，以此提高熔覆层质量。
J.Hernandez 等人[36]依据激光熔覆技术在 Ni 基熔覆层，得出了熔覆层的残余应力且残余应力有两类，一种类型的残余应力是熔覆层的残余应力和基质的过渡区，另一种类型是基质材料的热影响区的残余应力。
李昊,沈以赴,李守卫等人[37]采用有限元软件分析不同扫描路径对熔覆层温度场的影响，以此来得出合适的加工工艺参数。
付福兴，畅庚榕，赵小侠等人[38]主要分析研究了激光光斑直径，通过对比激光光斑直径的不同，分析激光光斑大小对熔覆层裂纹的影响，并以此为参考对最后的加工工艺参数进行了优化。
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第 2 章 激光熔覆裂纹产生的影响因素分析
2.1 激光熔覆材料及其基体材料的匹配对裂纹的影响
2.1.1 激光熔覆技术中应用广泛的熔覆粉末
随着科学技术和工业技术的快速发展，各种材料的性能，如高温，高压，高速，高自动化和在恶劣条件下长期稳定运行，就会被要求有更高的质量，鉴于此材料的表面性能如耐磨、耐蚀、电磁等性能的要求就会被要求不断提高，传统的材料强化和修复技术和手段已经不能满足需要，同时，通过改变材料的表面，实现了用普通材料代替昂贵材料的目的。当今社会为了追求环境保护和减少能源消耗，使得表面技术中的迅速成为一门极具研究和应用价值的学科。作为材料表面处理技术中重要技术，发展于 20 世纪 60 年代，激光熔覆技术获得实际的应用，同时也因本身固有的优点而成为发展迅速、卓有成效的表面处理方法之一，并在近十几年得到迅速的发展。
影响熔覆层不同性能的主要原因是熔覆粉末的比例的不同，从熔覆粉末的角度来分析熔覆层性能，不同的粉末组合直接影响熔覆层加工后熔覆层的整体性能，以及在特殊使用条件下的特殊性能要求，例如，汽车行业所注重和要求的耐磨性，化工行业所注重和要求的耐腐蚀性，以及航空行业所注重和要求的抗扭转性。同时，激光熔覆粉末种类类别较多，通过不同配比的粉末可以实现的不同熔覆层性能，根据熔覆粉末各个配比的不同组成仍然可以具体分门别类，自溶性粉末具有价格低廉、易于制备且熔覆层综合性能良好等多种优点，具有较为广泛的适用范围，所以自溶性粉末应用于大多数零件的修复，由于自溶性粉末的定义主要是 B 和 Si 元素的含量，含有 B 和 Si 元素的可自动溶解的粉末可以在激光熔覆过程中熔化并在熔池中冷却和固化，B 和 Si 的存在也可以去除熔池中的杂质，同时也防止熔覆层因杂质的存在而降低熔覆层的综合性能。按金属元素的种类的不同自熔性合金粉末又可分为铁基、钴基、镍基。铁基粉末价格相较于钴基和镍基较低，主要用于修复耐磨损零件，缺点是抗氧化性差，金属流动性差，并且容易形成气孔缺陷。
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2.2 熔覆层裂纹的主要原因和分类
2.2.1 熔覆层裂纹产生原因分析
激光熔覆技术是一个涉及物理、化学和冶金的复杂加工技术。由于熔覆材料与基板之间的存在热膨胀系数，熔点等方面的较大差异，以及激光熔覆技术本身的存在的独特性：快速热淬火容易在熔覆层中形成内应力，其中内应力是熔覆层开裂的直接原因，这主要是由于在包覆过程中温度梯度和热膨胀系数之间的温度和梯度的差异引起的。在熔覆过程中，熔层将从开始到完成在熔层中产生受热产生压应力再到冷却的时候拉应力的转变，在熔覆完成过程中这种内部应力会使得熔覆层产生裂纹，在凝固完成熔覆层冷却之后，这种应力没有得到有效释放就会以残存应力分布在熔覆层和热影响区内。
2.2.2 熔覆层内部应力应变对裂纹的影响
在激光熔覆加工期间，在高能激光束的照射下，基板材料经受不均匀的热冷却，基板在高能激光束的作用下快速加热并局部熔化，在熔覆层和基板之间产生较大的温度差，这部分基材由于受热而迅速膨胀，其与周围的未加热区域产生压缩应力，另一方面，加热区域随着其温度而增加。屈服极限降低，熔池边缘的压缩应力值可能超过其屈服极限，这导致在熔池附近发生塑性变形，并且在随后的凝固和冷却过程中，包覆金属在凝固和冷却过程中不能自由收缩，熔覆层受到拉伸应力，并且较低温度的材料将受到压应力。
激光熔覆技术这种残余应力是普遍存在的，同时这也是在充分考虑到工艺参数对熔覆层裂纹影响的情况下，在激光施加和去除过程中熔覆层中残余应力的合理控制可以优化基板周围的裂缝，以减少或消除熔覆层的裂缝。另外，在激光熔覆工艺期间，熔覆层和基板也具有大的温度梯度，这增加了控制晶粒生长方向和熔覆层内部的元素组成的均匀性的难度。这对激光熔覆技术提出了新的要求，不仅要研究工艺参数的匹配，同时也应该针对温度梯度大、熔覆层成分分布不均等问题做出研究，通过这种方式，可以为激光熔覆的技术提供新的研究思路。
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3.1 基体材料及熔覆材料的选择 ...................................... 18
3.1.1 基体材料 .............................. 18
3.1.2 熔覆材料 ................................... 18
第 4 章 工艺参数对熔覆层形貌和裂纹的影响 ............................ 24
4.1 热源能量密度对熔覆层的影响 ................................... 24
4.2 激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌和裂纹的影响 .......................... 25
第 5 章 超声振动对激光熔覆裂纹的影响 ............................................. 34
5.1 超声振动设备与特性 ........................................ 34
5.1.1 超声振动装置组成 .................................. 34
5.1.2 超声振动空化效应 ................................. 35
第 5 章 超声振动对激光熔覆裂纹的影响
5.1 超声振动设备与特性
5.1.1 超声振动装置组成
(1)超声波发生器和换能器
超声振动装置主要包括超声波信号发生器、换能器、变幅杆，超声波发生器驱动换能器产生超声振动，超声振动通过变幅杆传递到载物台，载物台通过熔覆的基体材料底部将超声振动导入到基体表面的金属熔池中，进而对熔覆层熔池内部的金属结晶过程产生影响。主要参数为：输出功率 0-2400W 连续可调；输出阻抗约 50 欧姆；频率范围 17-26kHz；电源电压 220V，频率 50Hz。
(2)超声波变幅杆
将超声振动传导到载物台，载物台与基材采用螺栓固定，载物台与基体之间填充耦合剂，达到超声波在金属凝固中的应用目的。在超声波技术中，变幅杆是振动系统振动传递的重要组成部分。超声波换能器产生的超声波振动传递到平台。 在本实验中用超声振动处理的是熔覆层金属熔池的熔化到凝固过程，选用简单的阶梯形变幅杆就可满足实验要求。在实验中以 45 钢作为变幅杆，具有良好的声学特性和延展性，并且可以承受更高的温度。该材料经济实用，是理想的变幅杆材料。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
从熔覆层设备的发展开始到熔覆层参数，材料和组织性能的研究参数，激光熔覆技术已经研究了数十年。由于其独特的加工方法和广泛的应用基础，激光熔覆技术的应用涵盖了航空航天到汽车工业，造船重工业，石油化工等领域。目前被熔覆加工修复的零件主要是外部表面，包括轴类零件或者曲面零件，这在一定程度上就使得熔覆零件表面的质量成为衡量熔覆层性能的主要评价标准。为实现在激光熔覆技术现有条件下能够取得熔覆层无裂纹文和气孔的激光熔覆加工零件，本文从以下几个方面进行了研究：
（1） 针对激光熔覆技术中熔覆层已产生裂纹这一问题，首先对激光熔覆现状与特点做出罗列，并对激光熔覆技术中关键技术进行了介绍，同时对参数的匹配也做了一定的介绍，并介绍了常用在加工修复领域的各种粉末和基体材料，有针对性的进行了选择。
（2）激光熔覆技术作为增材制造不可或缺的一部分，具有广阔的应用与发展前景，由于熔覆层的形成处于快速的金属熔凝过程中，这就使得熔覆层的质量无法得到有效的保证，对熔覆技术的发展产生了阻碍，在这样的形势下，熔覆技术中控制裂纹的产生就变得极为重要，从熔覆层的表面形貌到内部的显微组织和显微硬度，以此来评价熔覆层的成型质量。
（3）激光功率、扫描速度和基板预热温度对熔覆层粉末和基板对激光的吸收有很大影响。在其他条件下，激光功率太高，熔池吸收太多热量，熔池剧烈反应，熔覆层吸收过多热量。如果激光功率太低，则熔覆粉末不能充分熔化，从而表面的粗糙度增加，如果扫描速度太低，熔池每单位时间会吸收过多的热量，导致过度加热，并且基板被稀释严重氧化，表面裂缝的数量很大且很粗糙。基板不熔化，导致严重的缺陷，例如裂缝，基质的适当预热温度将使熔覆层粉末完全冶金结合到基材上，并且基材稀释率很大，熔覆层结构也相对较小，熔覆层的表面形态良好，可以减少熔覆层的表面裂纹，同时激光熔覆技术作为一种表面强化技术，可以在一定程度上提高熔覆层的显微硬度、耐磨性等常见的性能，显微硬度提高约 600HV，表面平整度也有一定程度上的提高。
参考文献（略）