金屬材料快速凝固激光加工與成形

魏詠梅

摘? ?要：為了明確金屬材料快速凝固激光加工與成形原理，本文將在金屬材料快速凝固的基礎上，運用激光技術，分析其在金屬材料加工與成型中的具體應用，以此為相關人士提供有效參考。

關鍵詞：激光加工;快速凝固;激光;激光快速成形;激光表面改性

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.07.048

快凝技術是制備新型結構和功能材料，如微晶、晶體和非晶體的一種重要方法，它改善了傳統金屬材料的性能，而快速老化技術和快凝理論是材料科學、技術和凝聚物理的一個重要研究領域。

事實上，低偏析或不偏析，形成不同的轉移相，準靜態，并具有特殊的物理、化學和機械性能，還能靈活地將合金元素（激光表面合金）添加到熔池中，還能實現零件表面的快速凝固過程，使激光表面快速、靈活、易自動化。事實上，激光表面顯影技術是建立在激光表面合金化和激光涂層快速凝固理論之上的，它集成了新型材料特殊的高級涂層設計、新型材料合成及優質零件涂層生產等現代表面技術中的一項新技術。

近幾年來，高性能金屬零件的激光助劑制造（LAM）或激光直接成形（RPM）技術與快速固化激光加工和快速成形（RPM）的基本原理迅速結合起來。在材料科學、材料加工、先進制造技術、激光技術和計算機科學等交叉前沿領域中具有重要意義。集成有機"材料設計""材料合成""近無縫零件快速原型"是一項先進、經濟、數字化、知識化、綠色、快速的制造技術。

一 、鈦合金速凝固激光熔覆技術

從2016年開始，本文就鈦合金激光快速凝固表面改性技術進行了研究。利用激光表面涂裝技術和激光快速凝固技術，制備了一種含有 TiN， TiC， AL2O3，WC，Cr7C3，SiC等耐磨材料的快速凝固復合材料原位涂裝層，用于難熔金屬間化合物連接用鈦合金表面的高溫快速凝固。通過室溫高溫條件下的滑動磨損、磨粒磨損和高溫磨粒磨損試驗，成功地研制出高硬度、高耐磨性的金屬間化合物 Ti5Si3/NiTi2、 Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2、 Ti5Si3/Ti2Ni3Si等新涂層，不僅磨損率低，而且摩擦系數低。

二、激光熔覆高溫耐磨耐蝕特種涂層

許多重要的高溫運動副在高溫氧化、熱腐蝕等惡劣環境條件下，在航空航天、石化、電力等國防及工業設備領域受到強烈的摩擦磨損。新材料具有優異的高溫耐磨性能、低摩擦系數、優異的高溫抗氧化性能，為進一步發展耐高溫腐蝕性、良好的摩擦學相容性和高品質的涂層修復技術，近幾年發展了快速凝固技術激光服裝，作為合成材料和高品質涂層修復技術的手段，開展了"先進、耐磨、耐腐蝕的多功能新材料涂層及激光涂層快速固化新技術"的研究。

近幾年來，利用過渡金屬硅化物獨特的物理化學性質，提出了一種新的研究領域，即根據高溫、耐磨、耐腐蝕的工況及性能要求，開發出多功能難熔金屬硅化物合金涂層。過渡金屬硅化物，如Ti5Si3/Ni3Ti2Si，Cr3Si/Cr2Ni3Si，Mo2Ni3Si/NiSi，Ti2Ni3Si/NiTi等具有優異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、摩擦系數低、摩擦學性能好等特點，可作為多功能耐磨、耐腐蝕涂層材料。優選出優質的激光鍍膜新工藝。5～15金屬硅化物的高溫耐磨損耐腐蝕涂層，如 Mo2Ni3Si/NiSi，Ti5Si3/Ni3Ti2Si等具有獨特的抗粘連性能，例如“異常載荷特性”（材料磨損量不隨試驗負荷增加），“異常溫度特性”（材料磨損量隨溫度升高而降低），“2 b無金屬附著”

三、小面相液固界面結構與生長機制

對TiC-MC硬質合金的液-固界面結構、生長形態及生長機理進行了研究，并以 Jackson因子5-8為代表的TiC-MC硬質合金的表征為研究重點。在高溫耐磨復合涂層中， TiC增強金屬和金屬間化合物在不同凝固冷卻速率下的凝固形態、抗液界面組織以及 TiC小表面的凝固機理102-105K/s，均表現為豐富的小平面相形態，從亞快速凝固條件下的三維枝晶分枝網絡到快速凝固條件下的“小行星瓣”和“小枝晶群徑向輻射”（見圖2），發現 tic的生長有很大差異，無論凝固速度和凝固形式如何變化，晶體的生長界面或表面都具有典型的扁平特征。研究發現，對于典型的小平面表面小晶體（如 TiC晶體），生長階段密度隨凝固速度的增加而明顯增加，而液相界面的晶面和阻液界面的晶面之間的結晶關系，液相界面的結構和階梯式橫向生長機制的基本特征，不隨凝固速度和凝固條件的變化，這是經典多面晶體凝固理論的著名結論，對于原子間結合力強、熔點高的多面難熔碳化物晶體，隨著低溫的升高，界面結構由平滑變粗糙，生長機制由液相界面轉變為連續界面，但這種轉變并不常見。

四、高性能金屬零件激光快速成形

高效金屬近凈成形復雜零件激光快速成形技術是以快速原型開發（rp pe）為基礎，不需任何工具，由數值計算機系統驅動，采用離散 CAD金屬模型切割數據，采用激光鍍快速凝固技術，通過金屬層沉積實現快速凝固層材料。適應性強，反應迅速，應用廣泛。本發明不需備料，不需專用模具及鍛造設備，切削量少，生產周期短，成本低，材料利用率高。

從2017年開始，，高溫合金與金屬化合物相結合，成為國內最早、也是國際為數不多的全面掌握該技術的科研單位之一。以工業純鈦、TC4、BT20、BT2等多種鈦合金復合模為對象，進行激光快速成形。用此項技術進行了大規模生產，并利用此項技術進行了試驗性生產--模擬發動機用鈦合金板以及用鎳基高溫合金盤形件徑向快速凍結試樣生成定向微波結構。把握多性能零件快速激光成形的關鍵技術，采用鈦合金與 TiAl混合激光成形、梯度材料Tcata15/BT22制備 Ti/TA15、TA15/TiAl和 Ti/TA15/TiAl

五、結語

激光快速凝固技術是一種利用金屬的快速凝固效應制備新材料，將金屬零件直接傳遞給金屬零件的新技術。廣泛應用于鈦合金等先進航空金屬材料的表面改性、特種材料的合成、激光材料和激光材料的制備，適用于發動機的耐磨性和耐腐蝕涂層材料及高質量涂層，耐火和高活性金屬材料制造，以及低直接原型的高性能金屬零件。

（河南技師學院? 河南鄭州? 450000）