【摘 要】
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增材制造被誉为引领第四次工业革命的颠覆性技术之一。其中,激光熔覆能够在基体表面制备出极小稀释率、变形以及结合力高和机械性能好的涂层,从而显著改善基体的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性,已被应用于航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械等领域。激光熔覆加工具有高温、高应变率和非线性、时变的特点,导致加工过程中易产生几何精度低、组织不稳定等问题。为了抑制激光熔覆后零件的塑性形变,本文以316L不锈钢激光
【基金项目】
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the National Natural Science Foundation of China （No. 52175455）； Equipment Pre-research Foundation （No. 80923010401）； Science and Technology Innovation Fund of Dalian
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增材制造被誉为引领第四次工业革命的颠覆性技术之一。其中,激光熔覆能够在基体表面制备出极小稀释率、变形以及结合力高和机械性能好的涂层,从而显著改善基体的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性,已被应用于航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械等领域。激光熔覆加工具有高温、高应变率和非线性、时变的特点,导致加工过程中易产生几何精度低、组织不稳定等问题。为了抑制激光熔覆后零件的塑性形变,本文以316L不锈钢激光熔覆材料为研究对象,基于冶金学和传热学等理论,研究不同扫描路径对激光熔覆成形件性能影响,探讨了多次热循环作用下熔池热流特性与成形形貌和微观组织演变的映射关系,阐明了扫描路径对基体温度、变形、显微组织和力学性能的影响规律,提出了一种基于不同扫描顺序和工艺参数的激光熔覆件性能优化控制方法。该研究为激光熔覆过程中塑性形变等质量异常的预防与控制,实现高质高效激光熔覆成形的后续工程实践推广有一定借鉴意义。本文主要研究工作如下:（1）基于所搭建的多传感信息融合的激光熔覆加工过程监测平台,实时感知热电偶、同轴可见光、旁轴可见光、红外辐射与热变形等激光熔覆过程信息,提取了增材制造熔池、温度的分布状态（测量范围为200～2000℃）、增材成形区表面形貌等多源异构信息,为激光熔覆过程中不同激光扫描路径下熔池的瞬态变化过程特征分析提供技术支撑。（2）探究了不同激光扫描路径对熔覆沉积层残余应力和热变形的抑制作用机制。讨论了激光熔覆沉积层中残余应力的形成机理,以及不同激光扫描路径对熔覆沉积层残余应力的影响规律。基于实验研究了不同激光扫描路径及工艺参数与熔覆沉积基体变形的联系。（3）研究了不同激光扫描路径对激光熔覆沉积层内部质量的影响。针对激光熔覆沉积层热变形和热影响区现象,分析了激光熔覆沉积层的组织形态,阐明了不同激光扫描路径及工艺参数对熔覆沉积层的显微组织、显微硬度和微裂纹的影响规律,阐明了不同激光扫描路径对激光熔覆沉积层性能的影响机理。最后,通过实验验证,验证了通过优化激光扫描路径可有效抑制熔覆沉积层的温度变化和基体变形,改善了熔覆件的显微组织和显微硬度。采用所提出的扫描顺序和优化的工艺参数,基体和熔池的温度变化分别减小到335.1℃和1774.4℃。基体变形量降低到3.4 mm,平均显微硬度提高到240.5 h V。
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