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高超音速雷射堆积控制技术，

发布时间：2022-06-21 14:21:48浏览：7012点赞：

高超音速雷射堆积(SLD)控制技术是近几年发展出来的一种新式的雷射A43EI235E锻造控制技术，在表层改性领域引起了国内外学者的广泛关注，该控制技术已被列为中国大百科全书(第三版)机械工程各卷高能束方向的字典之一。它在冷喷漆(CS)操作过程中借助大功率雷射并行冷却喷漆微粒和碳纳米管，使两者得到有工作效率松弛，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。虽然零点堆积速率得以减少，因而需用价格廉价的氢气或冷却水代替昂贵的氮气来快速喷漆微粒，与此同时实现硬质合金材料的堆积，在减少生产成本的与此同时扩大了冷喷漆控制技术可堆积合金材料的范围。

1.SLD控制技术基本原理和特点SLD控制技术是如前所述冷喷漆发展出来的一种新式的雷射A43EI235E锻造控制技术。英国剑桥大学的William ONeill研究组提出将雷射冷却与冷喷漆并行耦合的SLD控制技术，其基本原理左图如图1所示。在该控制技术中，高压冷空气(冷却水或者氢气)分为两路：一路上透过送粉器随身携带喷漆微粒进入混和腔，另一路上透过气体冷却器进行紧接著，然后在混和腔内与随身携带喷漆微粒的冷空气充分混和，逐步形成气固两相流。混和后的气固两相流进入卡莱燃烧室快速，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法线呈一定的角度，卡莱燃烧室与碳纳米管表层垂直，雷射束与喷漆粉末状会有部分重叠，因而雷射不仅能对碳纳米管表层地区冷却，还能对喷漆粉末状进行紧接著，能对二者起到松弛的作用。喷漆地区的堆积环境温度能透过红外低温仪动态监控，并能透过生态圈性能优越动态调节雷射的输出功率，保证堆积层制取操作过程中的堆积环境温度恒定。

图1 SLD基本原理左图

SLD控制技术与单个冷喷漆或单个雷射熔覆(LC)、热喷漆等控制技术相比，具有如下的控制技术特点：1) SLD控制技术是如前所述冷喷漆控制技术发展出来的合金材料堆积控制技术，不存在熔化凝固引起的冶金化学反应，可保持原始粉末状成分不变; 与此同时，堆积工作效率大幅提升，可望达到现有单个雷射堆积锻造的4~10倍。2) 虽然堆积操作过程中仍然保持了冷喷漆高脂输出的堆积特性，合金材料的堆积环境温度远低于LC、热喷漆等控制技术，因而可有工作效率避免高热输出中存在的化学反应、形变、脱落等锑化物不良影响，尤其是在堆积一些热敏感合金材料时，竞争优势更为明显。与此同时，在SLD操作过程中，虽然雷射的冷却作用，堆积粉末状和碳纳米管合金材料得到有工作效率松弛，增加了粉末状和碳纳米管合金材料的形变能力，因而所制取的堆积层较单个冷喷漆堆积层更致密，紧密结合强度更高，可望获得高性能的堆积层。

3) SLD控制技术虽然雷射的引入，堆积粉末状的零点堆积速率较单个冷喷漆大大增加，能在较高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昂贵的氮气做为量筒，从而大大增加锻造生产成本。此外，零点堆积速率的减少能提高堆积粉末状的堆积工作效率和借助率，从而减少合金材料生产成本。2.SLD堆积层合金材料的范围SLD控制技术虽然紧密结合了冷喷漆与雷射控制技术的竞争优势，可在不同的板材上制取单个合金材料堆积层或A43EI235E合金材料堆积层。表1是目前文献报道的借助SLD控制技术所制取的堆积层的概况。

作者研究组借助SLD控制技术获得成功制取了无硅化、无脱落、高钛含量的Diamond/Ni60A43EI235E堆积层，这是单个LC或单个冷喷漆控制技术无法与此同时实现的。钛在低温、水解气氛邵依雯发生硅化化学反应和水解内膛，Ni60在LC操作过程中具有较高的裂纹敏感性，因而，采用如前所述合金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合金材料形变与此同时实现堆积的，难以制取硬质、低塑性的合金材料堆积层。虽然已有人采用冷喷漆控制技术获得成功制取了合金基钛A43EI235E堆积层，但这些A43EI235E堆积层都以硬质合金做为NaCl相，尚未有人获得成功制取以硬质合金(如Ni60)做为NaCl相的钛A43EI235E堆积层。此外，SLD控制技术能有工作效率堆积铜、铝及其A43EI235E合金材料，这是单个LC控制技术难以与此同时实现的。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合金材料范围方面的局限性，在堆积合金材料和碳纳米管合金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改性与再锻造的需求。3.SLD堆积层的物相及微观结构LC控制技术借助高能密度的雷射束产生的快速熔凝，在板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种如前所述合金材料形变在工件表层与此同时实现固态堆积的操作过程，能保持原始粉末状合金材料的物相和微观组织结构。而SLD控制技术则紧密结合了LC和冷喷漆这两种控制技术的竞争优势，其堆积层的物相以及微观组织结构的演变规律引起了国内外许多学者的关注。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国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。单个冷喷漆堆积层致密性较差的主要原因是喷漆粉末状的形变不充分。SLD虽然引入了雷射对堆积粉末状和碳纳米管进行冷却，粉末状得到有工作效率松弛，在堆积操作过程中的形变更充分，粉末状之间的紧密结合更好，因而堆积层的致密性更高。此外，SLD控制技术在制取致密的合金-陶瓷A43EI235E堆积层方面具有极大的竞争优势，雷射辐照能有工作效率松弛合金NaCl相，脆硬的陶瓷微粒高速碎裂并嵌入NaCl相中逐步形成致密紧密结合的A43EI235E堆积层。02紧密结合性能SLD堆积层的紧密结合性能(包括堆积层与碳纳米管之间的紧密结合以及堆积层内部微粒之间的紧密结合)也是国内外学者目前关注的一个焦点。除了能提高堆积层/碳纳米管界面的紧密结合强度以外，堆积层内部的紧密结合强度也是非常重要的。在单个的冷喷漆控制技术中，喷漆合金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、微粒与碳纳米管合金材料间的混和和机械咬合，堆积层/碳纳米管间呈现机械紧密结合，紧密结合强度不高，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，逐步形成冶金紧密结合。SLD堆积层内部、堆积层/碳纳米管的紧密结合机制为机械咬合和冶金紧密结合共存，堆积层紧密结合性能远优于冷喷漆堆积层的紧密结合性能，因而能与此同时实现任意厚度的有工作效率堆积。03耐磨损性能合金材料的耐磨损性能往往与其硬度有一定的联系，因而国内外许多学者对SLD堆积层的显微硬度进行了表征。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。除了从显微硬度的角度来间接反映SLD堆积层的耐磨损性能以外，国内外学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，使得两者产生剧烈的形变。在合金材料形变操作过程中，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。与此同时，SLD控制技术保持了原始合金材料的成分和精细结构，确保了堆积层的韧性。此外，虽然雷射冷却，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紧密结合强度。因而，SLD特点对堆积层的硬度、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合金材料的一种非常重要的性能，因而SLD堆积层的耐腐蚀性能也是国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，堆积层的孔隙率较高，堆积层表层较为致密，能有工作效率抵挡腐蚀介质的渗入，为碳纳米管提供有工作效率的保护作用。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，保留原始喷漆合金材料的成分和相结构，继承喷漆合金材料优异的耐腐蚀性能。5.SLD的发展趋势SLD控制技术紧密结合了冷喷漆和雷射控制技术的竞争优势，在堆积工作效率、物相/成分控制、性能调控等方面较传统的LC、热喷漆、冷喷漆等合金材料堆积控制技术具有一定的竞争优势，是一种非常有潜力的锻造控制技术，它不仅是一种新的表层改性与再锻造控制技术，还可望能成为一种新的增材锻造(3D打印)控制技术，这将大大突破增材锻造的工作效率、合金材料范围和质量控制等难题，是极具发展前景的增材锻造控制技术之一。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是一种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紧密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耦合机制，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，如何与此同时实现多能场之间的协同耦合与智能化控制将是难点，尤其是如何采用该控制技术与此同时实现增材锻造，如何有工作效率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年由英国剑桥大学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、钨等合金材料涂层，并对其微观结构、界面紧密结合情况以及力学性能进行了表征，评估了SLD钨合金材料在靶材方面的应用潜力。作者研究组与剑桥大学在合金材料堆积及装备开发等领域展开合作，将堆积合金材料的范围从Stellite-6、Ni60、Ti6Al4V等单个合金材料扩展到了Diamond/Ni60、WC/Stellite-6、WC/SS316L等硬质/高耐磨A43EI235E合金材料，并重点针对涂层的微观结构、成分、界面紧密结合情况、耐磨/耐蚀性能进行了表征，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增材再锻造方面的应用潜力。在表层改性研究的基础上，研究组进一步开展了该控制技术在合金增材锻造领域的研究，该控制技术能用于铜合金、钛合金以及低温合金等合金材料的高工作效率固态堆积。

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