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超音速激光沉积有望成为一种新的增材制造技术

超音速激光沉积(SLD)技术是近几年发展起来的一种新型的激光复合制造技术,在表面改性领域引起了国内外学者的广泛关注,该技术已被列为中国大百科全书(第三版)机械工程分卷高能束方向的词条之一。它在冷喷涂(CS)过程中利用高功率激光同步加热喷涂颗粒和基体,使两者得到有效软化,以增强颗粒的变形能力,大大降低颗粒所需的临界沉积速度。由于临界沉积速度得以降低,因此可用价格廉价的氮气或压缩空气替代昂贵的氦气来加速喷涂颗粒,实现硬质材料的沉积,在降低成本的同时扩大了冷喷涂技术可沉积材料的范围。

超音速激光沉积有望成为一种新的增材制造技术

1.SLD技术原理和特征

SLD技术是基于冷喷涂发展起来的一种新型的激光复合制造技术。英国剑桥大学的William O‘Neill课题组提出将激光加热与冷喷涂同步耦合的SLD技术,其原理示意图如图1所示。

在该技术中,高压气流(压缩空气或者氮气)分为两路:一路通过送粉器携带喷涂颗粒进入混合腔,另一路通过气体加热器进行预热,然后在混合腔内与携带喷涂颗粒的气流充分混合,形成气固两相流。混合后的气固两相流进入拉瓦尔喷嘴加速,喷涂颗粒以超音速撞击激光同步加热的基体表面形成沉积层。激光头与基体表面的法线呈一定的角度,拉瓦尔喷嘴与基体表面垂直,激光束与喷涂粉末会有部分重叠,因此激光不仅能对基体表面区域加热,还能对喷涂粉末进行预热,可以对二者起到软化的作用。喷涂区域的沉积温度可以通过红外高温仪实时监控,并可以通过闭环反馈系统实时调节激光的输出功率,保证沉积层制备过程中的沉积温度恒定。

超音速激光沉积有望成为一种新的增材制造技术

图1 SLD原理示意图

SLD技术与单一冷喷涂或单一激光熔覆(LC)、热喷涂等技术相比,具有如下的技术特征:

1) SLD技术是基于冷喷涂技术发展起来的材料沉积技术,不存在熔化凝固引起的冶金相变,可保持原始粉末成分不变; 同时,沉积效率大幅提升,有望达到现有单一激光沉积制造的4~10倍。

2) 由于沉积过程中仍然保持了冷喷涂低热量输入的沉积特性,材料的沉积温度远低于LC、热喷涂等技术,因此可有效避免高热输入中存在的相变、变形、开裂等热致不良影响,尤其是在沉积一些热敏感材料时,优势更为明显。同时,在SLD过程中,由于激光的加热作用,沉积粉末和基体材料得到有效软化,增加了粉末和基体材料的塑性变形能力,因此所制备的沉积层较单一冷喷涂沉积层更致密,结合强度更高,有望获得高性能的沉积层。

3) SLD技术由于激光的引入,沉积粉末的临界沉积速率较单一冷喷涂大大降低,可以在较低的撞击速率下形成沉积层。因此,可用压缩空气或氮气替代价格昂贵的氦气作为载气,从而大大降低制造成本。此外,临界沉积速率的降低可以提高沉积粉末的沉积效率和利用率,从而降低材料成本。

2.SLD沉积层材料的范围

SLD技术由于结合了冷喷涂与激光技术的优势,可在不同的基材上制备单一材料沉积层或复合材料沉积层。表1是目前文献报道的利用SLD技术所制备的沉积层的概况。

超音速激光沉积有望成为一种新的增材制造技术

作者课题组利用SLD技术成功制备了无石墨化、无开裂、高金刚石含量的Diamond/Ni60复合沉积层,这是单一LC或单一冷喷涂技术无法实现的。金刚石在高温、氧化气氛中易发生石墨化相变和氧化烧蚀,Ni60在LC过程中具有较高的裂纹敏感性,因此,采用基于材料高温熔融过程的LC技术难以获得高质量的Diamond/Ni60复合沉积层。而冷喷涂技术是依赖材料塑性变形实现沉积的,难以制备高硬度、低塑性的材料沉积层。虽然已有人采用冷喷涂技术成功制备了金属基金刚石复合沉积层,但这些复合沉积层都以软质金属作为黏结相,尚未有人成功制备以高硬度金属(如Ni60)作为黏结相的金刚石复合沉积层。此外,SLD技术可以有效沉积铜、铝及其复合材料,这是单一LC技术难以实现的。

由此可见,SLD技术可以突破一些传统沉积技术在沉积材料范围方面的局限性,在沉积材料和基体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面改性与再制造的需求。

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