高超音速雷射堆积控制技术，可望正式成为一类捷伊involves锻造控制技术
发布时间：2022-05-25 16:04:14浏览：6960点赞：
高超音速雷射堆积(SLD)控制技术是近些年产业发展出来的一类新式的雷射A43EI235E锻造控制技术，在表层助剂领域引起了海内外研究者的广泛关注，该控制技术已被列入中国百科全书(第一版)电机工程各卷高能量束方向的字典之一。它在冷喷漆(CS)操作过程中利用大功率雷射并行冷却喷漆微粒和碳纳米管，使二者得到有效松弛，以增强微粒的形变能力，大大增加微粒所需的零点堆积速率。由于零点堆积速率以求降低，因而需用价格低成本的氢气或冷却水代替高昂的氮气来快速喷漆微粒，实现软质金属材料的堆积，在提高效率的同时扩大了冷喷漆控制技术可堆积金属材料的范围。
1.SLD控制技术基本原理和特征SLD控制技术是如前所述冷喷漆产业发展出来的一类新式的雷射A43EI235E锻造控制技术。英国牛津大学的William ONeill研究组提出将雷射冷却与冷喷漆并行谐振的SLD控制技术，其基本原理左图如图1所示。在该控制技术中，高速旋转冷空气(冷却水或者氢气)分为三路：一路上透过送粉器随身携带喷漆微粒步入混和腔，另一路上透过液体冷却器展开紧接著，然后在混和腔内与随身携带喷漆微粒的冷空气充份混和，逐步形成气固两相流。混和后的气固两相流步入卡莱燃烧室快速，喷漆微粒以高超音速碎裂雷射并行冷却的碳纳米管表层逐步形成堆积层。雷射头与碳纳米管表层的切线呈一定的视角，卡莱燃烧室与碳纳米管表层横向，雷射束与喷漆粉末状会有部分重合，因而雷射不仅能对碳纳米管表层地区冷却，还能对喷漆粉末状展开紧接著，能对二者起著松弛的作用。喷漆地区的堆积环境温度能透过红外线低温仪动态监视，并能透过生态圈性能优越动态控制雷射的功率，保证堆积层制取操作过程中的堆积环境温度静止。
图1 SLD基本原理左图
SLD控制技术与单一冷喷漆或单一雷射熔覆(LC)、热喷漆等控制技术相比，具有如下的控制技术特征：1) SLD控制技术是如前所述冷喷漆控制技术产业发展出来的金属材料堆积控制技术，不存在熔化凝固引起的冶金相变，可保持原始粉末状成分不变; 同时，堆积效率大幅提升，有望达到现有单一雷射堆积锻造的4~10倍。2) 由于堆积操作过程中仍然保持了冷喷漆低热量输入的堆积特性，金属材料的堆积环境温度远低于LC、热喷漆等控制技术，因而可有效避免高热输入中存在的相变、形变、开裂等热致不良影响，尤其是在堆积一些热敏感金属材料时，优势更为明显。同时，在SLD操作过程中，由于雷射的冷却作用，堆积粉末状和碳纳米管金属材料得到有效松弛，增加了粉末状和碳纳米管金属材料的塑性形变能力，因而所制取的堆积层较单一冷喷漆堆积层更致密，结合强度更高，有望获得高性能的堆积层。3) SLD控制技术由于雷射的引入，堆积粉末状的零点堆积速率较单一冷喷漆大大增加，能在较低的碎裂速率下逐步形成堆积层。因而，需用冷却水或氢气代替价格高昂的氮气作为载气，从而大大增加锻造成本。此外，零点堆积速率的降低能提高堆积粉末状的堆积效率和利用率，从而降低金属材料成本。2.SLD堆积层金属材料的范围SLD控制技术由于结合了冷喷漆与雷射控制技术的优势，可在不同的基材上制取单一金属材料堆积层或A43EI235E金属材料堆积层。表1是目前文献报道的利用SLD控制技术所制取的堆积层的概况。
作者研究组利用SLD控制技术成功制取了无石墨化、无开裂、高金刚石含量的Diamond/Ni60A43EI235E堆积层，这是单一LC或单一冷喷漆控制技术无法实现的。金刚石在低温、氧化气氛中易发生石墨化相变和氧化烧蚀，Ni60在LC操作过程中具有较高的裂纹敏感性，因而，采用如前所述金属材料低温熔融操作过程的LC控制技术难以获得高质量的Diamond/Ni60A43EI235E堆积层。而冷喷漆控制技术是依赖金属材料塑性形变实现堆积的，难以制取高硬度、低塑性的金属材料堆积层。虽然已有人采用冷喷漆控制技术成功制取了金属基金刚石A43EI235E堆积层，但这些A43EI235E堆积层都以软质金属作为黏结相，尚未有人成功制取以高硬度金属(如Ni60)作为黏结相的金刚石A43EI235E堆积层。此外，SLD控制技术能有效堆积铜、铝及其A43EI235E金属材料，这是单一LC控制技术难以实现的。由此可见，SLD控制技术能突破一些传统堆积控制技术在堆积金属材料范围方面的局限性，在堆积金属材料和碳纳米管金属材料的选择上具有较大的灵活度，工艺适应性好，可满足宽领域范围内表层助剂与再锻造的需求。3.SLD堆积层的物相及微观结构LC控制技术利用高能量密度的雷射束产生的快速熔凝，在基材表层逐步形成与碳纳米管相互熔合且成分与性能完全不同的合金熔覆层，其微观组织为典型的枝晶结构。冷喷漆控制技术是一类如前所述金属材料塑性形变在工件表层实现固态堆积的操作过程，能保持原始粉末状金属材料的物相和微观组织结构。而SLD控制技术则结合了LC和冷喷漆这两种控制技术的优势，其堆积层的物相以及微观组织结构的演变规律引起了海内外许多研究者的关注。4.SLD堆积层的性能表征SLD堆积层的性能往往与其成分、微观组织等相关，因而SLD堆积层的性能也引起了海内外研究者的广泛关注。01堆积层的致密性对于堆积层的致密性来说，有相关研究结果表明雷射辅助能够显著提高冷喷漆堆积层的致密性，雷射辐照环境温度的提高有利于改善A43EI235E堆积层的致密性。单一冷喷漆堆积层致密性较差的主要原因是喷漆粉末状的塑性形变不充份。SLD由于引入了雷射对堆积粉末状和碳纳米管展开冷却，粉末状得到有效松弛，在堆积操作过程中的塑性形变更充份，粉末状之间的结合更好，因而堆积层的致密性更高。此外，SLD控制技术在制取致密的金属-陶瓷A43EI235E堆积层方面具有极大的优势，雷射辐照能有效松弛金属黏结相，脆硬的陶瓷微粒高速碎裂并嵌入黏结相中逐步形成致密结合的A43EI235E堆积层。02结合性能SLD堆积层的结合性能(包括堆积层与碳纳米管之间的结合以及堆积层内部微粒之间的结合)也是海内外研究者目前关注的一个焦点。除了能提高堆积层/碳纳米管界面的结合强度以外，堆积层内部的结合强度也是非常重要的。在单一的冷喷漆控制技术中，喷漆金属材料发生绝热剪切失稳并在压力作用下产生塑性流，导致微粒间、微粒与碳纳米管金属材料间的混和和机械咬合，堆积层/碳纳米管间呈现机械结合，结合强度不高，当厚度达到一定程度时将导致剥落。SLD在冷喷漆的基础上引入雷射并行辐照，在雷射冷却和绝热升温的作用下，堆积层内部和界面处的元素发生扩散，逐步形成冶金结合。SLD堆积层内部、堆积层/碳纳米管的结合机制为机械咬合和冶金结合共存，堆积层结合性能远优于冷喷漆堆积层的结合性能，因而能实现任意厚度的有效堆积。03耐磨损性能金属材料的耐磨损性能往往与其硬度有一定的联系，因而海内外许多研究者对SLD堆积层的显微硬度展开了表征。 相关研究结果表明SLD堆积层的显微硬度高于LC堆积层，从而表现出较优异的耐磨损性能。除了从显微硬度的视角来间接反映SLD堆积层的耐磨损性能以外，海内外研究者也透过摩擦磨损实验来直接表征SLD堆积层的耐磨损性能。堆积层的耐磨损性能与堆积层的硬度、附着力、柔韧性等物理性能密切相关。在SLD操作过程中，喷漆微粒与堆积地区连续高速碎裂，使得二者产生剧烈的塑性形变。在金属材料塑性形变操作过程中，晶粒发生滑移，位错密度不断增加，产生固定割阶和位错缠结等，阻碍位错的进一步运动，堆积层产生加工硬化现象，使得堆积层的硬度增大。同时，SLD控制技术保持了原始金属材料的成分和精细结构，确保了堆积层的韧性。此外，由于雷射冷却，堆积层内的部分堆积微粒之间发生元素互渗，增大了堆积层内部的结合强度。因而，SLD特征对堆积层的硬度、附着力、柔韧性等方面的贡献导致制取的堆积层的耐磨性能优于LC和冷喷漆堆积层。04耐腐蚀性能耐腐蚀性能是金属材料的一类非常重要的性能，因而SLD堆积层的耐腐蚀性能也是海内外研究者关注的焦点。SLD操作过程中，在雷射辐照松弛以及粒子高速冲击的夯实作用下，堆积层的孔隙率较低，堆积层表层较为致密，能有效抵挡腐蚀介质的渗入，为碳纳米管提供有效的保护作用。另外，SLD是一个固态堆积操作过程，能避免碳纳米管对堆积层的稀释，保留原始喷漆金属材料的成分和相结构，继承喷漆金属材料优异的耐腐蚀性能。5.SLD的产业发展趋势SLD控制技术结合了冷喷漆和雷射控制技术的优势，在堆积效率、物相/成分控制、性能调控等方面较传统的LC、热喷漆、冷喷漆等金属材料堆积控制技术具有一定的优势，是一类非常有潜力的锻造控制技术，它不仅是一类捷伊表层助剂与再锻造控制技术，还有望能成为一类捷伊involves锻造(3D打印)控制技术，这将大大突破involves锻造的效率、金属材料范围和质量控制等难题，是极具产业发展前景的involves锻造控制技术之一。但若要大范围推广该控制技术，还需要在以下几个方面继续突破：1) SLD是一类A43EI235E控制技术，涉及的工艺参数众多，若单纯依靠实验手段去优化工艺参数，将会费时费力。因而，非常有必要采用数值模拟与实验相结合的方法去探索各参数之间的相互影响规律，建立雷射与高超音速粒子能量场之间的谐振机制，阐明雷射与堆积粒子的相互作用关系以及堆积机理，从而为工艺参数的优化和选择提供理论指导。2) SLD系统涉及多个关键单元，绝非是它们之间简单的叠加，如何实现多能场之间的协同谐振与智能化控制将是难点，尤其是如何采用该控制技术实现involves锻造，如何有效实施路径规划与分层。因而，研制专用工艺软件及成套装备迫在眉睫。SLD控制技术是2008年由英国牛津大学William ONeill研究组率先提出的，他们采用该控制技术制取了Stellite-6、钛、钨等金属材料涂层，并对其微观结构、界面结合情况以及力学性能展开了表征，评估了SLD钨金属材料在靶材方面的应用潜力。作者研究组与剑桥大学在金属材料堆积及装备开发等领域展开合作，将堆积金属材料的范围从Stellite-6、Ni60、Ti6Al4V等单一金属材料扩展到了Diamond/Ni60、WC/Stellite-6、WC/SS316L等高硬度/高耐磨A43EI235E金属材料，并重点针对涂层的微观结构、成分、界面结合情况、耐磨/耐蚀性能展开了表征，探索了该控制技术在泵阀表层耐磨/耐蚀涂层、汽轮机叶片抗汽蚀涂层以及工模具involves再锻造方面的应用潜力。在表层助剂研究的基础上，研究组进一步开展了该控制技术在金属involves锻造领域的研究，该控制技术能用于铜合金、钛合金以及低温合金等金属材料的高效率固态堆积。(责任编辑：admin)
