金屬材料快速凝固激光加工與成形

陳 楠，王 蕊，蘇東楠

（長春電子科技學院，吉林 長春130000）

用激光熔化金屬材料的表面，可以得到快速凝固后的表面材料，也可以具有結構特征。如分叉和微觀結構細化、低或無分離、半結晶、高過飽和度和溶解元素的固溶體。另外在應用激光技術對其表面進行快速融化操作中，可以在熔池內依照不同的需求相應添加合金元素，便可以獲得組分更為多樣豐富的分基體。這種零件矩陣的組成、結構和性能完全不同，它是一種特殊的金屬表面涂層，可以獲得具有精細均勻的特性材料。

1 金屬材料快速凝固技術概述

1.1 快速凝固技術特點

通過快速凝固技術既可以實現對金屬潛在性能的挖掘，又能夠促成全新材料的開發。該項技術能夠促使重金屬或者合金以最快的速度從液態轉變為固態，而且在轉變的過程中能夠擴大金屬在液態中的溶解度，使其各部位組織更加緊密，從而實現金屬中各元素比例的改變，最終達成性質的改變。凝固過程中凝固結晶分布更加均勻、顆粒更加細小，所以在一定程度上減少了雜質的混入，對于提高金屬材料質量、促進晶粒組織優化有著積極的作用。而伴隨著溶解度的擴大以及精細晶粒的析出，金屬材料的韌性和強度隨之提高，耐腐蝕性和韌性也達到了更高的要求，該種方法能夠保證金屬材料具備良好的半導體性能。

1.2 快速凝固技術方法

1.2.1 動力學急冷快速凝固技術

該種方法也被稱為熔體急冷技術，簡單理解就是在減少容積體積和散熱表面積比例的同時減少熔體與熱傳導性能，通過傳導的方式散熱，實現界面熱阻[1]。因此，在熱傳導能力提高的基礎上能夠實現熱流導出速度的增加，進而促進凝固界面的快速凝固。

1.2.2 熱力學深過冷快速凝固

這種方法以凈化手段為基礎，避免或消除異質晶核的形核作用，從而實現臨界形核功的增加。整個過程當中液態金屬會突然形核并實現快速凝固組織的獲取，且整個過程不受外部散熱條件以及液態金屬體積的限制。另外，該種方法在不同的需求之下擁有不同的分類，例如大體積液態金屬可以通過熔融玻璃凈化、循環過熱法以及二者相結合的方式達到深過冷；如果是微小金屬液滴，可以采用乳化熱分析以及電磁懸浮熔煉法達到深過冷。熱力學深過冷快速凝固最明顯的特征在于粒晶尺寸的細化，并形成新的亞穩相，同時在凝固的過程中會以很快的速度實現定向生長的特征。

1.2.3 快速凝固技術在金屬材料開發中的應用研究

當前，快速凝固技術在金屬材料開發中被廣泛應用于快速凝固新型合金材料以及快速凝固非平衡態新型金屬材料的研究中。在快速凝固合金材料的鞏固研究中，主要的研究方向為鎂合金、耐熱鋁合金的研究。以鎂合金為例，因為其具備比例小、強度高的特征，所以成為了航空航天以及電子制造領域當中的絕佳選擇，不過在實際的生產過程中鎂合金耐腐蝕性能較差，且加工成型難以實現，而通過應用快速凝固技術，鎂合金會在快速凝固的過程中展現出突出的非晶形成能力。這樣不僅能夠保證合金熔體的制備達到加工標準，更能促使耐腐蝕性能達標。

快速凝固非平衡態新型金屬材料研究方面，主要的研究方向為快速凝固非晶態合金、快速凝固準晶態合金以微晶合金材料和金屬納米結構材料。以納米材料為例，納米材料被廣泛應用于各種尖端領域，整個納米材料組織結構具備特殊性，大量原子處于晶粒之間的界面，所以同常規晶體材料和非晶態材料相比，納米材料性能更加優越。而且納米材料表面的晶粒細小均勻且清潔度較高，在提高力學性能方面有著明顯的特點。利用快速凝固技術對其進行加工，能夠提高其強度硬度，更能展現出良好的塑性。

2 快速凝固激光加工技術介紹

快速凝固激光加工技術快速、靈活、易加工、熱影響區小。在快速凝固理論基礎上發展起來的激光表面合金化技術和激光表面工程技術已成為現代表面工程的新技術。這2 種技術都可以設計和合成具有高質量零件的先進涂層材料。近年來，隨著快速成形技術的發展，激光快速硬化材料加工的基本原理不斷得到發展。兩者結合后，高性能金屬零件的激光加成技術也得到了快速發展。高性能金屬零件的激光添加技術已成為激光技術、材料科學、材料加工工程等學科的主要研究對象。該技術是一種將復雜金屬格狀零件的材料設計、材料合成和快速成形相結合的制造技術，具有進步化、知識化和數字化的特點。

利用RSP 技術快速凝聚產生納米晶、半晶、非晶等新型穩定非平衡結構和新型功能材料，改善了傳統金屬復合材料的性能，將金屬轉化為復合材料。將充分利用當今原料特性的發展潛力，開發原料特性。不成比例原料的快速團聚技術和快速團聚的基礎理論是商業科學與工程項目邊界內重要科研網絡和凝聚態物理國際前沿的熱點之一。在金屬復合材料完成快速凝固的過程當中，激光表層的快速熔化技術在凝固和冷卻速度方面表現得比較突出，這也促使其成為一種凝固方法。利用激光技術對材料表面進行快速熔化，能夠實現鋁合金元素靈活地進行熔池添加，更能促進合金粉末在徑向力的作用之下實現快速移動，與此同時附著于零件表面，可以到達激光涂層[2]。它迅速凝結，并提供了一個良好平衡、精細平衡的不平衡機制。在此過程中，無論是固化成分、固化結構還是基本性能都展現出了與基體金屬的巨大差異，表面獨特的金屬涂層的原材料設計，具有卓越而獨特的性能。此外，激光表面固化工藝快速靈活，熱損傷總面積小，便于生產加工。

激光表層細晶強化與激光熔覆激光金屬表面處理技術基于快速凝聚基礎理論的發展趨勢，已成為優秀特種新型涂層原材料、新材料的產生、生產的設計方案與零件上的高質量涂層有機結合的新型金屬表面處理技術之一。

3 金屬材料快速凝固激光加工與成形研究

3.1 將鈦合金快速凝固的激光熔覆技術

鈦合金的低密度、高耐腐蝕性在各類金屬材料中表現得尤為突出，同時其具備的生物相容性十分良好，高比強度更加突出，因此被廣泛應用于航天、航空、兵器、船舶等領域。但是，鈦合金也有一些缺點，如耐磨性低、易黏附、摩擦系數高、高溫高速摩擦和易燃等。但同時，鈦合金多用作這些領域的摩擦件和磨損副，其缺陷不影響應用效果。為了提高鈦合金的耐磨性、阻燃性和摩擦系數，使運動部件達到理想的摩擦磨損效果，需要采用先進的表面工程技術來改變鈦合金的表面缺陷。最經濟靈活的方式是將鈦合金零件的基本材料與硬質金屬結合，形成耐高溫、耐磨、阻燃性強的特殊材料。將激光表面合金化技術和激光熔覆技術與耐磨材料表面改性層相結合，可以大大提高鈦合金的耐腐蝕性能。此外，將快速硬化的激光表面合金化技術與激光熔覆技術相結合，難熔金屬復合物可增強鈦合金表面的高溫耐磨涂層，達到快速凝固的效果。在上述涂層結構中，它們都是硬度較高的金屬間化合物，溫度與硬度的關系不正常，金屬鍵和共價鍵并存。通過研究發現，這些金屬化合物在室溫或極低高溫下的摩擦系數、磨粒磨損率、滑動磨損率和干擾腐蝕率、耐腐蝕性能不斷提高。這些研究為應用鈦合金作為機械摩擦副零件提供了一種新方法。

3.2 金屬材料快速凝固激光制備特種涂層新材料

一般來說，高溫運動部件的應用環境非常惡劣，大多被用于航空發動機、柴油設備等設備中。所以在惡劣環境的包圍下，對部件的性能也有著更為嚴苛的要求。除耐高溫和具有低摩擦系數的特征，更要具備超強的生物相容性。同時對于其抗氧化能力以及耐腐蝕能力也有著更高的需求。然而，這種用于多功能材料的新型涂層需要高質量的涂層制備技術。因此，近年來，許多研究人員將涂層制備技術與快速凝固激光熔覆技術相結合，開發出新型強涂層材料，不僅大大提高了這些新材料的性能，而且促進了凝固。

激光熔覆制備技術搭載航空、航天、集油等先進設備的發動機，需要許多高溫、高速的附加部件，新型多功能涂層材料具有耐高溫、耐磨、抗氧化等特點，兼容性好、摩擦小，適用于氣動執行器等高級設備。此外，將快速硬化激光熔覆涂層制備技術與耐腐蝕材料的設計原理相結合，可以獲得一種性能更好的新型激光熔覆涂層材料。此材料加工性能好，含碳量在9%～12%之間，內部顯微組織分開分布。這種新型激光熔覆涂層材料已被應用于中國先進的氣動執行機構中，并已作為高速、高溫滑動摩擦副的主要部件。嚴苛的環境要求之下，高溫耐博部件性能要求必須達到高標準才能適應整體環境。這時候對過渡金屬硅酸鹽的化學性能提出了更高的要求。由于難熔金屬硅酸鹽農藥在摩擦學、耐磨材料、表面工程等領域具有諸多優勢，已成為一種新型的多功能包覆材料。這種礦物硅酸鹽具有優異的耐高溫腐蝕性能、極高的耐熱性和耐磨性、低摩擦系數和摩擦相容性，可以相互配合以改進激光熔覆為其涂層的制備工藝。在常溫金屬和高溫金屬的干滑試驗中，以礦物硅化物涂層為例，其具有承載異常、溫度異常與金屬摩擦、不黏性等特點。

3.3 金屬材料小平面相液-固界面結構及其生長機制

在硬化理論的研究中，固液界面的結構及面的生長形態、生長規律和生長機制一直是主要的研究課題。筆者在研究金屬和增強金屬復合涂層材料時，以它們為研究對象，研究了不同凝固和冷卻速率下工作面的液固界面結構、生長形貌、生長規律和生長機制的差異。結果表明，在非平衡冷卻速率條件下，TiC 面的生長形狀非常梯度。當未達到較快退火狀態時，TiC 面的液固界面結構為三維晶格分叉；但是當達到最快的硬化狀態時，面部的液固界面結構是類似于面部花瓣的一組樹枝狀的結構。但是，無論凝固和冷卻速度條件是否達標，即使凝固形式不同，生長界面始終具有面特征，表明固液平面界面結構和生長機制的基本特征在凝固和冷卻速率范圍很廣，它隨著防凍液的冷卻速度而變化。

3.4 高性能金屬材料激光快速成形

高性能金屬材料激光成形技術是近年來隨著商業科學的不斷發展而出現的一項新技術，也是一項結合新材料制備技術和智能化發展的快速固化技術。該技術的關鍵是激光原材料生產加工技術的快速凝聚，無需模具或專用工具即可快速成形。高性能金屬激光快速成形技術由于協調性高、適應性強、響應速度快而被廣泛應用。性能優異的金屬材料零件的晶格常數激光快速成形技術是管理科學與優秀工程項目、生產技術和工程項目交叉行業快速發展的趨勢。近年來，新型高性能原材料的生產和單純復雜零部件新技術的應用受到了廣泛的關注，它是快速凝聚技術性、新材料制備技術性和智能制造技術性的機型之一。使用快速成形技術的基本概念，可以在沒有模具和特殊工具的情況下快速制作各種零件的原型。以金屬材料零件淬火CAD 實體模型離散變量滾動數據信息為電子計算機數控機床推動，以該技術為媒介，制備激光熔覆快速淬火的原材料。分步激光熔積-金屬復合材料快速硬打底，即可生產出結構精巧緊湊、配置勻稱、性能優良的金屬復合材料和半晶格常數零件，是原材料技術與生產新技術集成技術的應用，包括新材料設計方案和新材料制備，利用該技術制造出的金屬零件，具有高度的靈活性，同時在適應性以及快速反應性方面也表現得尤為突出，可以在此基礎上滿足各類高性能的需求，促使金屬材料的制備達到快速成形的目的。與先進的傳統材料制備和零件成形技術相比，它具有許多突出的優點，如零件不需要毛坯材料制備，不需要特殊模具和鍛造鑄造設備，且切削量小、加工周期短、成本低等。

3.5 激光熔覆高溫耐磨耐蝕特種涂層

激光表面熔覆高溫耐磨耐蝕特種涂層主要應用于航空、航天領域，根本目標在于提高等離子噴涂涂層的耐磨及抗腐蝕性能。對于等離子噴涂涂層來講有著孔隙度高、層狀結構被隔開且界面結合形式以機械結合為主的特點，這些特點限制了等離子噴涂涂層的使用壽命和使用范圍。激光表面熔覆高溫耐磨耐蝕特種涂層的制造原理在于對其進行激光重熔。在重熔的過程中對相關的工藝參數進行控制，通過合適的氣體保護消除涂層表面的孔隙以及氧化類雜質，進而達到提高涂層密度，增強抗腐蝕性能的目的。

3.6 難熔金屬激光約束熔鑄成形

眾多難熔金屬合金以及金屬間化合物有著極高的熔點，所以只能采用粉末冶金實現制備成形。選擇激光燒結具備選擇范圍寬、用途廣的特點，該過程為首先在工作臺鋪設一層粉末，接下來在計算機的控制上有選擇地進行燒結，此時接觸裹附在粉末外的樹脂將會融化，從而與粉末黏結在一起，經過多次處理之后被牢牢地固化，此時去除多余粉末就會得到半成品。整個難熔金屬激光約束熔鑄是一門綜合學科，其涉及到的不僅只有激光技術，更包含計算機技術、傳感技術等先進的機械加工技術，整個技術的根本在于快速原型制造技術以及激光熔覆表面強化結合，通過金屬粉末的涂層熔化實現快速凝固，并與基體形成冶金結合。這項技術的應用為難溶高活性、高純度的合金材料制備和零件成形，開辟了全新的路徑，為當今金屬模具零件制造提供了重要參考。

4 結語

嚴苛的環境要求之下，高溫耐磨運動部件想要達到對環境的適應標準，必須要展現出更高的性能，用激光熔化金屬材料的表面，可以得到快速凝固后的表面材料，也可以具有結構特征。該種加工技術在金屬材料快速凝固基礎上提出，利用了金屬的快速凝固效應，不僅能夠促進各種高性能金屬材料的直接成形，更能實現全新材料的開發和應用，完成了眾多普通機械加工技術所不能完成的重難點突破，實現了當前航空材料表面改性以及各種高質量設備涂層合成等高難度方面的覆蓋。在未來，該種技術也會被廣泛應用于普通行業當中，前景一片大好。