多角度激光熔覆工艺优化及形貌研究

作     者：杨旭 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐海波;刘英凯

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：偏转角度 激光熔覆 激光熔覆层形貌 力学性能 

摘      要：传统激光熔覆技术以熔覆喷嘴竖直向下工作为主,实际工程应用中存在许多体积较大不易移动或表面形状复杂的零部件,对其进行修复时,熔覆喷嘴需要偏转较大角度,从而导致粉末和熔池的受力状态发生变化。因此,研究激光熔覆喷嘴偏转不同角度下工艺参数对熔覆层形貌及力学性能的影响,可以为多角度激光熔覆修复提供理论和实践基础。首先,进行了送粉方式的优化和夹具的设计制作,测量了熔覆喷嘴偏转45°、90°、135°粉末束的汇聚焦点,当载气流量为15 L/min时,可以克服粉末由于偏转角度和自身重力所带来的不利影响;进行了偏转0°、45°、90°、135°单道激光熔覆316L不锈钢粉末实验,得到了较为规则的熔覆层;研究了工艺参数和偏转角度对熔覆层形貌(截面尺寸、顶部偏移量等)的影响。结果表明,增加扫描速度(≥6 mm/s)、减小送粉量(≤18 r/min)、选用合适的激光功率(1100 W-1300W)可以保证熔覆层形貌质量并减小顶部偏移量。然后,研究了搭接率、工艺参数、扫描方向、搭接方式对偏转90°多道激光熔覆316L不锈钢粉末的形貌及特征参数(熔高、熔深、表面平整度)等的影响规律。结果表明,其他参数不变下,改变单一参数(如:增加激光功率、提高扫描速度、减小送粉量)、竖向扫描、交错搭接熔覆可以提高多道激光熔覆层的表面平整度,同时避免熔覆层内部产生缺陷。最后,对多角度激光熔覆层的微观组织和硬度进行分析,熔覆层的硬度(184.2-191.2 HV)均高于基材(168.5 HV);进行了基材与0°、90°熔覆层的拉伸力学性能试验,并对断裂机理和断口形貌进行了分析。结果表明,基材的断口表面韧窝数量多且深,塑性优于熔覆层,熔覆层的屈服强度(361.04-390.83 MPa)高于基材(337.61-354.67 MPa),基材屈强比(0.44-0.5)低于熔覆层(0.68-0.75);采用偏转90°多道激光熔覆工艺修复20#无缝钢管表面,熔覆层整体表面平整度较高,偏角度激光熔覆可以满足实际修复应用。