高超音速雷射堆積控制技術，可望正式成為一類捷伊involves鍛造控制技術
發布時間：2022-06-08 10:01:05瀏覽：7102點贊：
高超音速雷射堆積(SLD)控制技術是近些年產業發展出來的一類新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術，在表層助劑領域引發了海內外學者的廣泛關注，該控制技術已被列入中國百科全書(第一版)電機工程各卷高能量束方向的字典之一。它在冷噴漆(CS)操作過程中利用大功率雷射并行冷卻噴漆微粒和碳納米管，使二者得到有效松弛，以增強微粒的形變能力，大大增加微粒所需的零點堆積速率。由于零點堆積速率得以降低，因而可用價格低成本的氫氣或冷卻水代替高昂的氮氣來快速噴漆微粒，實現軟質金屬材料的堆積，在提高效率的同時擴大了冷噴漆控制技術可堆積金屬材料的范圍。
1.SLD控制技術基本原理和特點SLD控制技術是如前所述冷噴漆產業發展出來的一類新式的雷射A43EI235E鍛造控制技術。英國牛津大學的William ONeill研究組提出將雷射冷卻與冷噴漆并行諧振的SLD控制技術，其基本原理左圖如圖1所示。在該控制技術中，高速旋轉冷空氣(冷卻水或者氫氣)分為三路：一路上透過送粉器隨身攜帶噴漆微粒步入混和腔，另一路上透過氣體冷卻器展開緊接著，然后在混和腔內與隨身攜帶噴漆微粒的冷空氣充分混和，逐步形成氣固兩相流。混和后的氣固兩相流步入卡萊燃燒室快速，噴漆微粒以高超音速碎裂雷射并行冷卻的碳納米管表層逐步形成堆積層。雷射頭與碳納米管表層的切線呈一定的角度，卡萊燃燒室與碳納米管表層橫向，雷射束與噴漆粉末狀會有部分重合，因而雷射不僅能對碳納米管表層地區冷卻，還能對噴漆粉末狀展開緊接著，能對二者起到松弛的作用。噴漆地區的堆積環境溫度能透過紅外線低溫儀動態監視，并能透過生態圈性能優越動態調節雷射的功率，保證堆積層制取操作過程中的堆積環境溫度靜止。
圖1 SLD基本原理左圖
SLD控制技術與單個冷噴漆或單個雷射熔覆(LC)、熱噴漆等控制技術相比，具有如下的控制技術特點：1) SLD控制技術是如前所述冷噴漆控制技術產業發展出來的金屬材料堆積控制技術，不存在熔融凝結引發的機械制造相變，可保持原始粉末狀成分不變; 同時，堆積效率大幅提升，有望達到現有單個雷射堆積鍛造的4~10倍。2) 由于堆積操作過程中仍然保持了冷噴漆低熱量輸入的堆積特性，金屬材料的堆積環境溫度遠低于LC、熱噴漆等控制技術，因而可有效避免高熱輸入中存在的相變、形變、開裂等熱致不良影響，尤其是在堆積一些熱敏感金屬材料時，優勢更為明顯。同時，在SLD操作過程中，由于雷射的冷卻作用，堆積粉末狀和碳納米管金屬材料得到有效松弛，增加了粉末狀和碳納米管金屬材料的塑性形變能力，因而所制取的堆積層較單個冷噴漆堆積層更致密，結合強度更高，有望獲得高性能的堆積層。3) SLD控制技術由于雷射的引入，堆積粉末狀的零點堆積速率較單個冷噴漆大大增加，能在較低的碎裂速率下逐步形成堆積層。因而，可用冷卻水或氫氣代替價格高昂的氮氣作為載氣，從而大大增加鍛造成本。此外，零點堆積速率的降低能提高堆積粉末狀的堆積效率和利用率，從而降低金屬材料成本。2.SLD堆積層金屬材料的范圍SLD控制技術由于結合了冷噴漆與雷射控制技術的優勢，可在不同的基材上制取單個金屬材料堆積層或A43EI235E金屬材料堆積層。表1是目前文獻報道的利用SLD控制技術所制取的堆積層的概況。
作者研究組利用SLD控制技術成功制取了無石墨化、無開裂、高金剛石含量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層，這是單個LC或單個冷噴漆控制技術無法實現的。金剛石在低溫、氧化氣氛中易發生石墨化相變和氧化燒蝕，Ni60在LC操作過程中具有較高的裂紋敏感性，因而，采用如前所述金屬材料低溫熔融操作過程的LC控制技術難以獲得高質量的Diamond/Ni60A43EI235E堆積層。而冷噴漆控制技術是依賴金屬材料塑性形變實現堆積的，難以制取高硬度、低塑性的金屬材料堆積層。雖然已有人采用冷噴漆控制技術成功制取了金屬基金剛石A43EI235E堆積層，但這些A43EI235E堆積層都以軟質金屬作為黏結相，尚未有人成功制取以高硬度金屬(如Ni60)作為黏結相的金剛石A43EI235E堆積層。此外，SLD控制技術能有效堆積銅、鋁及其A43EI235E金屬材料，這是單個LC控制技術難以實現的。由此可見，SLD控制技術能突破一些傳統堆積控制技術在堆積金屬材料范圍方面的局限性，在堆積金屬材料和碳納米管金屬材料的選擇上具有較大的靈活度，工藝適應性好，可滿足寬領域范圍內表層助劑與再鍛造的需求。3.SLD堆積層的物相及微觀結構LC控制技術利用高能量密度的雷射束產生的快速熔凝，在基材表層逐步形成與碳納米管相互熔合且成分與性能完全不同的合金熔覆層，其微觀組織為典型的枝晶結構。冷噴漆控制技術是一類如前所述金屬材料塑性形變在工件表層實現固態堆積的操作過程，能保持原始粉末狀金屬材料的物相和微觀組織結構。而SLD控制技術則結合了LC和冷噴漆這兩種控制技術的優勢，其堆積層的物相以及微觀組織結構的演變規律引發了海內外許多學者的關注。4.SLD堆積層的性能表征SLD堆積層的性能往往與其成分、微觀組織等相關，因而SLD堆積層的性能也引發了海內外研究者的廣泛關注。01堆積層的致密性對于堆積層的致密性來說，有相關研究結果表明雷射輔助能夠顯著提高冷噴漆堆積層的致密性，雷射輻照環境溫度的提高有利于改善A43EI235E堆積層的致密性。單個冷噴漆堆積層致密性較差的主要原因是噴漆粉末狀的塑性形變不充分。SLD由于引入了雷射對堆積粉末狀和碳納米管展開冷卻，粉末狀得到有效松弛，在堆積操作過程中的塑性形變更充分，粉末狀之間的結合更好，因而堆積層的致密性更高。此外，SLD控制技術在制取致密的金屬-陶瓷A43EI235E堆積層方面具有極大的優勢，雷射輻照能有效松弛金屬黏結相，脆硬的陶瓷微粒高速碎裂并嵌入黏結相中逐步形成致密結合的A43EI235E堆積層。02結合性能SLD堆積層的結合性能(包括堆積層與碳納米管之間的結合以及堆積層內部微粒之間的結合)也是海內外學者目前關注的一個焦點。除了能提高堆積層/碳納米管界面的結合強度以外，堆積層內部的結合強度也是非常重要的。在單個的冷噴漆控制技術中，噴漆金屬材料發生絕熱剪切失穩并在壓力作用下產生塑性流，導致微粒間、微粒與碳納米管金屬材料間的混和和機械咬合，堆積層/碳納米管間呈現機械結合，結合強度不高，當厚度達到一定程度時將導致剝落。SLD在冷噴漆的基礎上引入雷射并行輻照，在雷射冷卻和絕熱升溫的作用下，堆積層內部和界面處的元素發生擴散，逐步形成機械制造結合。SLD堆積層內部、堆積層/碳納米管的結合機制為機械咬合和機械制造結合共存，堆積層結合性能遠優于冷噴漆堆積層的結合性能，因而能實現任意厚度的有效堆積。03耐磨損性能金屬材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯系，因而海內外許多學者對SLD堆積層的顯微硬度展開了表征。 相關研究結果表明SLD堆積層的顯微硬度高于LC堆積層，從而表現出較優異的耐磨損性能。除了從顯微硬度的角度來間接反映SLD堆積層的耐磨損性能以外，海內外學者也透過摩擦磨損實驗來直接表征SLD堆積層的耐磨損性能。堆積層的耐磨損性能與堆積層的硬度、附著力、柔韌性等物理性能密切相關。在SLD操作過程中，噴漆微粒與堆積地區連續高速碎裂，使得二者產生劇烈的塑性形變。在金屬材料塑性形變操作過程中，晶粒發生滑移，位錯密度不斷增加，產生固定割階和位錯纏結等，阻礙位錯的進一步運動，堆積層產生加工硬化現象，使得堆積層的硬度增大。同時，SLD控制技術保持了原始金屬材料的成分和精細結構，確保了堆積層的韌性。此外，由于雷射冷卻，堆積層內的部分堆積微粒之間發生元素互滲，增大了堆積層內部的結合強度。因而，SLD特點對堆積層的硬度、附著力、柔韌性等方面的貢獻導致制取的堆積層的耐磨性能優于LC和冷噴漆堆積層。04耐腐蝕性能耐腐蝕性能是金屬材料的一類非常重要的性能，因而SLD堆積層的耐腐蝕性能也是海內外研究者關注的焦點。SLD操作過程中，在雷射輻照松弛以及粒子高速沖擊的夯實作用下，堆積層的孔隙率較低，堆積層表層較為致密，能有效抵擋腐蝕介質的滲入，為碳納米管提供有效的保護作用。另外，SLD是一個固態堆積操作過程，能避免碳納米管對堆積層的稀釋，保留原始噴漆金屬材料的成分和相結構，繼承噴漆金屬材料優異的耐腐蝕性能。5.SLD的產業發展趨勢SLD控制技術結合了冷噴漆和雷射控制技術的優勢，在堆積效率、物相/成分控制、性能調控等方面較傳統的LC、熱噴漆、冷噴漆等金屬材料堆積控制技術具有一定的優勢，是一類非常有潛力的鍛造控制技術，它不僅是一類捷伊表層助劑與再鍛造控制技術，還有望能成為一類捷伊involves鍛造(3D打印)控制技術，這將大大突破involves鍛造的效率、金屬材料范圍和質量控制等難題，是極具產業發展前景的involves鍛造控制技術之一。但若要大范圍推廣該控制技術，還需要在以下幾個方面繼續突破：1) SLD是一類A43EI235E控制技術，涉及的工藝參數眾多，若單純依靠實驗手段去優化工藝參數，將會費時費力。因而，非常有必要采用數值模擬與實驗相結合的方法去探索各參數之間的相互影響規律，建立雷射與高超音速粒子能量場之間的諧振機制，闡明雷射與堆積粒子的相互作用關系以及堆積機理，從而為工藝參數的優化和選擇提供理論指導。2) SLD系統涉及多個關鍵單元，絕非是它們之間簡單的疊加，如何實現多能場之間的協同諧振與智能化控制將是難點，尤其是如何采用該控制技術實現involves鍛造，如何有效實施路徑規劃與分層。因而，研制專用工藝軟件及成套裝備迫在眉睫。SLD控制技術是2008年由英國牛津大學William ONeill研究組率先提出的，他們采用該控制技術制取了Stellite-6、鈦、鎢等金屬材料涂層，并對其微觀結構、界面結合情況以及力學性能展開了表征，評估了SLD鎢金屬材料在靶材方面的應用潛力。作者研究組與劍橋大學在金屬材料堆積及裝備開發等領域展開合作，將堆積金屬材料的范圍從Stellite-6、Ni60、Ti6Al4V等單個金屬材料擴展到了Diamond/Ni60、WC/Stellite-6、WC/SS316L等高硬度/高耐磨A43EI235E金屬材料，并重點針對涂層的微觀結構、成分、界面結合情況、耐磨/耐蝕性能展開了表征，探索了該控制技術在泵閥表層耐磨/耐蝕涂層、汽輪機葉片抗汽蝕涂層以及工模具involves再鍛造方面的應用潛力。在表層助劑研究的基礎上，研究組進一步開展了該控制技術在金屬involves鍛造領域的研究，該控制技術能用于銅合金、鈦合金以及低溫合金等金屬材料的高效率固態堆積。(責任編輯：admin)
