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激光冷喷涂技能剖析

2009-07-01 11:36
小鱼年代
重视

 作者:Andrew Cockburn,Matthew Bray,William O

       
图1、LCS体系示意图

        根据激光技能,如激光熔覆技能与激光合金化技能,选用激光融熔并混合金属粉末,使其成为涂层,掩盖到资料外表。可是,该加工进程也有不足之处。加工进程的温度很高、凝结时发生缩短现象,以及涂料稀释等等要素都必须予以考虑,以防止资料的变形、剩余应力过高和不必要的金属间相的存在。

        别的,热喷涂已被用于从轻型合金到金属碳化物等不同资料的覆层加工中。可是,热喷涂技能除了存在上述问题之外,它所得到的涂层或许具有氧化物,其结构需求重熔加工以到达方针密度和涂层特性。

        冷喷涂技能(Cold Spray,缩写为CS)的首要意图便是战胜这些困难,该技能无需熔化粉末,直接进行涂覆。在冷喷涂技能中,粉末在一个超声波煤气喷嘴中被加快后,作用在基底资料的外表。在磕碰的进程中,微粒经过严峻的塑性变形,这带来了资料外表的部分加热和亮光焊接进程。

        该技能可以被用在涂覆进程和对三维物体的处理中,它被用来将纯金属,如铝、铜和钽,以及混合涂层,如铝-氧化铝和钴-钨锰铁矿。由于冷堆积的机制不同,与热喷涂或许其它根据激光的加工进程比较,冷喷涂进程中,氧化物的含量较小,不会发生热致应力,而且它可以对许多不同的资料(包含多聚混合物)进行加工,加工速度达每小时5公斤。

        “冷”加工进程的机制也有其固有问题。由于很多运用了氦,该体系的运转本钱很高。该体系选用了高速的声速设备和气体加热器,为了使粉末微粒的速度到达1000m/s,这些设备耗费了近50kW的电力。此外,当所堆积的资料为硬质资料(如钛)时,接合的强度和密度会有所下降。而且,CS涂层一般有较大的压应力。高的运转本钱和有限的加工资料约束了CS技能的运用范畴。



       
图2、涂覆设备的首要元件


图3、钛涂层被运用到钛基底上,加工速度
为1250mm/min,选用了30bar的氮气和
1kW的激光功率。

        激光冷喷涂进程

        研讨人员对激光冷喷涂进程(Laser assisted Cold Spray,缩写为LCS)进行不断的研制,拓展了能以氮气进行堆积的资料规模,减小了对气体加热的需求,大大下降了加工本钱,扩展了冷喷涂加工运用范畴。

        此前,人们现已意识到,粒子温度的进步会导致粒子的软化,然后进步堆积功率,下降堆积临界速度。堆积温度的进步也有助于战胜在冷喷涂中接合力度不行的问题。接合力度不行的问题是由于接合进程时刻太短而构成的。可是,气体温度的进步使得喷嘴在喷发低熔点的金属(如铝)时,有或许发生尘垢。这样就需求找到除了喷嘴加热办法外的另一种粉末加热办法。

        在LCS进程中,激光对堆积处进行加热,加热至微粒熔点的30%-80%。这就大大下降了微粒的强度,使微粒得以变形,而且在资料上构成涂层。这儿,微粒作用到基底上的速度仅为CS状况下的一半(<500 m/s)。下降对高速度的要求使得技能人员可以选用冷的氮气作为加工气体,这样就下降了本钱,从运用氦气的23美元/分钟降到运用氮气的0.23美元/分钟。一同,能耗也随之下降,由于不再需求气体加热器。本钱和运转本钱的下降意味着LCS在许多CS略显贵重的运用范畴更为有利,它使得冷喷涂的优势被用于更广的规模中。
        
        LCS体系


        LCS体系(如图1)包含了一个高压氮气运送设备(10-30bar),该运送设备被分为两路,送至缩放喷嘴(拉伐尔喷嘴)。两路直接经过高压粉末运送设备发生金属粉末微粒。随后两路从头兼并,而且经过喷嘴,在喷嘴中它们被加快到超音速。高速且带有粉末的气体流从喷嘴中射到基底外表。带粉末的气体流作用到基底外表,该外表一同由980nm,1kW的二极管激光器进行辐照。激光功率由一个闭环反应体系操控,该体系运用了红外高温计来操控堆积区的温度。
       
        在现在运用的测验体系中,拉伐尔喷嘴、激光加工头和高温计被一同固定在一个作业箱的顶部,而基底部分则可以在堆积进程中自由地在电脑数值操控(CNC)的X-Y作业台上活动。经过把激光功率和高温计读数结合到一同,运作时的堆积处温度可以被操控在50℃以内。


       
图4、SEM图画显现钛层加工轨道与不锈钢
基底之间的交界面。

        涂层

        涂层现已可由不同的资料得到,包含316L不锈钢、铝、钛和铝-钛混合粉末。其意图是对LCS体系进行微调,对LCS加工进程进行定性剖析,并确认作业温度的规模和微粒的速度,以保证更好地进行涂层操作。


       
图5、光学显微图画给出了由铝和钛粉末得
到的LCS涂层状况。

        钛涂层现已得到研讨人员具体全面的调查。它们在生物医学范畴具有特别的运用,且具有抗腐蚀的特性以及生物适应性,因而它们成为移植资料的上佳挑选。如图3所示,加工典型的2.5mm厚钛涂层的横向速率为1.25m/min。尽管涂层被堆积在冷而薄(1mm)的基底上,可是并没有任何的资料变形,这说明LCS所带来的非熔融加工进程得到的剩余应力低,使得薄板资料无需进行基底预热也能进行涂层加工。涂层的附着力跟着基底资料和涂层资料的不同而不同。不过,技能人员发现,LCS的涂层接合程度要优于CS的接合程度,在用于附着力测定的拉拔实验中,316L涂层胶着面决裂的应力为 50MPa。

        在对抛光的横截面的检查中(如图4),技能人员发现堆积所得的涂层痕迹密度很高(多孔性<0.5%),没有可见的氧化物存在。化学剖析成果证明了这个发现。尽管,堆积处经过加热,可是氧化物和氮化物的含量与用来比较的CP2等级钛板是相似的。这儿,基底变形的程度比CS涂层进程更为显着,这说明运用激光导致了显着的基底软化。

        将混合的粉末喷到资料外表构成涂层的进程(如图5)标明LCS进程可以得到混合的涂层,且涂层中具有硬度不同的各种成分。尽管硬性资料没有太多的变形,可是它周边上的铝资料变形状况越严峻,所构成的涂层厚度越高。这个效应可以被用来拓展可用LCS加工的资料规模,使得运用于耐用性范畴的涂层可以得到更好的堆积。
        
        未来开展方向


        现在的作业集中于查验LCS加工在硬质资料与混合涂层堆积中的适用性,这两种运用现在是由激光熔覆技能来完成的。以现在的技能水平,对薄板资料的加工是比较困难的,由于固化进程的缩短带来资料的变形。可是,运用LCS来进行涂覆,就可以使涂层被运用在薄板资料上。
        
        现在,本文三位作者在英国剑桥大学工程系工业光学中心作业。联络人Andrew Cockburn

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