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金属材料快速凝固激光加工与成形

2011-06-03 11:11
吃瓜天狼
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  采用快速凝固加工RSP(Rapid Solidification Processing)技术制备快速凝固微晶、准晶、非晶等非平衡亚稳新型结构及功能材料,是提高传统金属材料性能、挖掘现存材料性能潜力和研究开发高性能新材料的重要手段之一,快速凝固非平衡材料技术及快速凝固理论研究是当今材料科学与工程及凝聚态物理国际前沿重要热点研究领域之一。

  激光表面快速熔化/快速凝固是实现金属材料快速凝固的三大基本方法之一,也是迄今为止能实现凝固冷却速度最快的快速凝固方法。对金属材料进行激光表面熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速凝固,不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征(如:枝晶及组织细化、溶质元素高度过饱和固溶、低偏析或无偏析、形成各种亚稳相、准晶、非晶等非平衡相等)和特殊物理化学及力学性能的表层材料外,还可以在激光材料表面快速熔化过程中灵活地向熔池中加入合金元素(激光表面合金化)或直接熔化同轴同步输送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固,从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材、具有细小均匀快速凝固非平衡组织特征和所设计优异特殊性能配合的特种表面冶金涂层材料。

   此外,由于激光表面快速凝固加工过程快速、灵活、热影响区小、易于自动化,快速凝固激光表面改性应用基础与应用研究进展迅速,事实上,在快速凝固理论研究基础上发展起来的基于激光表面合金化及激光熔覆的激光表面工程(lasersurface engineering)技术,已成为一种将特种先进涂层新材料设计、新材料合成及零件优质涂层制备有机融为一体的现代表面工程新技术之一。

  近年来将快速凝固激光材料加工(rapid solidification laser materialsprocessing)与快速原型制造RPM(Rapid Prototype Manufacturing)基本原理相结合而迅速发展起来的高性能金属零件激光添加材料制造技术LAM(LaserAdditive Manufacturing)或激光直接成形技术(laser direct forming),是材料科学、材料加工工程、先进制造技术、激光技术、计算机科学等交叉学科前沿领域热点研究方向之一,是一种将“材料设计”、“材料合成:制备”与“近净形复杂金属零件快速成形”有机融为一体的先进、低成本、数字化、知识化、绿色、快速制造技术。

  北京航空航天大学材料学院激光材料加工与表面工程实验室,近年来一直从事先进金属材料快速凝固激光表面改性及高性能金属零部件快速凝固激光快速成形技术的研究。本文简要报道本实验室近年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展。

  1.钛合金速凝固激光熔覆技术

  钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石工、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景。但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金作为摩擦磨损运动副零部件的应用。

  采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、优异阻燃性能、同钛合金零件基材之间为牢固冶金结合的高温耐磨耐蚀阻燃特殊涂层材料,是有效解决钛合金摩擦系数高、耐磨性低等固有性能缺点最有效、经济、灵活的方法之一。本文从1995年开始一直致力于钛合金快速凝固激光表面改性技术的研究,先后采用激光表面合金化及激光熔覆技术在钛合金表面制备出了分别以TiN,TiC,,WC,, SiC等硬质耐磨相为增强相的快速凝固“原位”耐磨复合材料表面改性层,大幅度提高了钛合金的摩擦学性能。 近年来,采用快速凝固激光表面合金化及激光熔覆改性技术在钛合金表面制备难熔金属间化合物增强快速凝固高温耐磨涂层的研究,对TC4,BT9,TA15等钛合金进行快速凝固激光表面合金化与激光熔覆,成功研制出了等高硬度高耐磨金属间化合物耐磨涂层新材料。由于上述涂层组织组成相全部均为金属间化合物,其固有的高硬度及反常的硬度温度关系、独特的金属键与共价键共存性质,在室温及高温滑动磨损、磨料磨损及微动磨损等磨损条件下不仅磨损速率很低,而且还具有很低的摩擦系数,与钛合金基材相比,耐磨性可提高幅度达到100-710倍、摩擦系数降低近50%,为钛合金作为摩擦副机械零部件特别是高温耐磨运动副零部件的应用,提供了可能性和新途径,部分研究成果已应用于航空发动机关键高温耐磨运动副零部件。

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