金屬材料快速凝固激光加工與成形

陳 楠，王 蕊，蘇東楠

（長(zhǎng)春電子科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)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(jié)構(gòu)特征。如分叉和微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化、低或無分離、半結(jié)晶、高過飽和度和溶解元素的固溶體。另外在應(yīng)用激光技術(shù)對(duì)其表面進(jìn)行快速融化操作中，可以在熔池內(nèi)依照不同的需求相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xì)均勻的特性材料。

1 金屬材料快速凝固技術(shù)概述

1.1 快速凝固技術(shù)特點(diǎn)

通過快速凝固技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬潛在性能的挖掘，又能夠促成全新材料的開發(fā)。該項(xiàng)技術(shù)能夠促使重金屬或者合金以最快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，而且在轉(zhuǎn)變的過程中能夠擴(kuò)大金屬在液態(tài)中的溶解度，使其各部位組織更加緊密，從而實(shí)現(xiàn)金屬中各元素比例的改變，最終達(dá)成性質(zhì)的改變。凝固過程中凝固結(jié)晶分布更加均勻、顆粒更加細(xì)小，所以在一定程度上減少了雜質(zhì)的混入，對(duì)于提高金屬材料質(zhì)量、促進(jìn)晶粒組織優(yōu)化有著積極的作用。而伴隨著溶解度的擴(kuò)大以及精細(xì)晶粒的析出，金屬材料的韌性和強(qiáng)度隨之提高，耐腐蝕性和韌性也達(dá)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(dǎo)體性能。

1.2 快速凝固技術(shù)方法

1.2.1 動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)

該種方法也被稱為熔體急冷技術(shù)，簡(jiǎn)單理解就是在減少容積體積和散熱表面積比例的同時(shí)減少熔體與熱傳導(dǎo)性能，通過傳導(dǎo)的方式散熱，實(shí)現(xiàn)界面熱阻[1]。因此，在熱傳導(dǎo)能力提高的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)熱流導(dǎo)出速度的增加，進(jìn)而促進(jìn)凝固界面的快速凝固。

1.2.2 熱力學(xué)深過冷快速凝固

這種方法以凈化手段為基礎(chǔ)，避免或消除異質(zhì)晶核的形核作用，從而實(shí)現(xiàn)臨界形核功的增加。整個(gè)過程當(dāng)中液態(tài)金屬會(huì)突然形核并實(shí)現(xiàn)快速凝固組織的獲取，且整個(gè)過程不受外部散熱條件以及液態(tài)金屬體積的限制。另外，該種方法在不同的需求之下?lián)碛胁煌姆诸?，例如大體積液態(tài)金屬可以通過熔融玻璃凈化、循環(huán)過熱法以及二者相結(jié)合的方式達(dá)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(dá)到深過冷。熱力學(xué)深過冷快速凝固最明顯的特征在于粒晶尺寸的細(xì)化，并形成新的亞穩(wěn)相，同時(shí)在凝固的過程中會(huì)以很快的速度實(shí)現(xiàn)定向生長(zhǎng)的特征。

1.2.3 快速凝固技術(shù)在金屬材料開發(fā)中的應(yīng)用研究

當(dāng)前，快速凝固技術(shù)在金屬材料開發(fā)中被廣泛應(yīng)用于快速凝固新型合金材料以及快速凝固非平衡態(tài)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?yàn)殒V合金、耐熱鋁合金的研究。以鎂合金為例，因?yàn)槠渚邆浔壤?、?qiáng)度高的特征，所以成為了航空航天以及電子制造領(lǐng)域當(dāng)中的絕佳選擇，不過在實(shí)際的生產(chǎn)過程中鎂合金耐腐蝕性能較差，且加工成型難以實(shí)現(xiàn)，而通過應(yīng)用快速凝固技術(shù)，鎂合金會(huì)在快速凝固的過程中展現(xiàn)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(dá)到加工標(biāo)準(zhǔn)，更能促使耐腐蝕性能達(dá)標(biāo)。

快速凝固非平衡態(tài)新型金屬材料研究方面，主要的研究方向?yàn)榭焖倌谭蔷B(tài)合金、快速凝固準(zhǔn)晶態(tài)合金以微晶合金材料和金屬納米結(jié)構(gòu)材料。以納米材料為例，納米材料被廣泛應(yīng)用于各種尖端領(lǐng)域，整個(gè)納米材料組織結(jié)構(gòu)具備特殊性，大量原子處于晶粒之間的界面，所以同常規(guī)晶體材料和非晶態(tài)材料相比，納米材料性能更加優(yōu)越。而且納米材料表面的晶粒細(xì)小均勻且清潔度較高，在提高力學(xué)性能方面有著明顯的特點(diǎn)。利用快速凝固技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加工，能夠提高其強(qiáng)度硬度，更能展現(xiàn)出良好的塑性。

2 快速凝固激光加工技術(shù)介紹

快速凝固激光加工技術(shù)快速、靈活、易加工、熱影響區(qū)小。在快速凝固理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光表面合金化技術(shù)和激光表面工程技術(shù)已成為現(xiàn)代表面工程的新技術(shù)。這2 種技術(shù)都可以設(shè)計(jì)和合成具有高質(zhì)量零件的先進(jìn)涂層材料。近年來，隨著快速成形技術(shù)的發(fā)展，激光快速硬化材料加工的基本原理不斷得到發(fā)展。兩者結(jié)合后，高性能金屬零件的激光加成技術(shù)也得到了快速發(fā)展。高性能金屬零件的激光添加技術(shù)已成為激光技術(shù)、材料科學(xué)、材料加工工程等學(xué)科的主要研究對(duì)象。該技術(shù)是一種將復(fù)雜金屬格狀零件的材料設(shè)計(jì)、材料合成和快速成形相結(jié)合的制造技術(shù)，具有進(jìn)步化、知識(shí)化和數(shù)字化的特點(diǎn)。

利用RSP 技術(shù)快速凝聚產(chǎn)生納米晶、半晶、非晶等新型穩(wěn)定非平衡結(jié)構(gòu)和新型功能材料，改善了傳統(tǒng)金屬?gòu)?fù)合材料的性能，將金屬轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料。將充分利用當(dāng)今原料特性的發(fā)展?jié)摿?，開發(fā)原料特性。不成比例原料的快速團(tuán)聚技術(shù)和快速團(tuán)聚的基礎(chǔ)理論是商業(yè)科學(xué)與工程項(xiàng)目邊界內(nèi)重要科研網(wǎng)絡(luò)和凝聚態(tài)物理國(guó)際前沿的熱點(diǎn)之一。在金屬?gòu)?fù)合材料完成快速凝固的過程當(dāng)中，激光表層的快速熔化技術(shù)在凝固和冷卻速度方面表現(xiàn)得比較突出，這也促使其成為一種凝固方法。利用激光技術(shù)對(duì)材料表面進(jìn)行快速熔化，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金元素靈活地進(jìn)行熔池添加，更能促進(jìn)合金粉末在徑向力的作用之下實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，與此同時(shí)附著于零件表面，可以到達(dá)激光涂層[2]。它迅速凝結(jié)，并提供了一個(gè)良好平衡、精細(xì)平衡的不平衡機(jī)制。在此過程中，無論是固化成分、固化結(jié)構(gòu)還是基本性能都展現(xiàn)出了與基體金屬的巨大差異，表面獨(dú)特的金屬涂層的原材料設(shè)計(jì)，具有卓越而獨(dú)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(chǎn)加工。

激光表層細(xì)晶強(qiáng)化與激光熔覆激光金屬表面處理技術(shù)基于快速凝聚基礎(chǔ)理論的發(fā)展趨勢(shì)，已成為優(yōu)秀特種新型涂層原材料、新材料的產(chǎn)生、生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案與零件上的高質(zhì)量涂層有機(jī)結(jié)合的新型金屬表面處理技術(shù)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(shù)

鈦合金的低密度、高耐腐蝕性在各類金屬材料中表現(xiàn)得尤為突出，同時(shí)其具備的生物相容性十分良好，高比強(qiáng)度更加突出，因此被廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、船舶等領(lǐng)域。但是，鈦合金也有一些缺點(diǎn)，如耐磨性低、易黏附、摩擦系數(shù)高、高溫高速摩擦和易燃等。但同時(shí)，鈦合金多用作這些領(lǐng)域的摩擦件和磨損副，其缺陷不影響應(yīng)用效果。為了提高鈦合金的耐磨性、阻燃性和摩擦系數(shù)，使運(yùn)動(dòng)部件達(dá)到理想的摩擦磨損效果，需要采用先進(jìn)的表面工程技術(shù)來改變鈦合金的表面缺陷。最經(jīng)濟(jì)靈活的方式是將鈦合金零件的基本材料與硬質(zhì)金屬結(jié)合，形成耐高溫、耐磨、阻燃性強(qiáng)的特殊材料。將激光表面合金化技術(shù)和激光熔覆技術(shù)與耐磨材料表面改性層相結(jié)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(shù)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，難熔金屬?gòu)?fù)合物可增強(qiáng)鈦合金表面的高溫耐磨涂層，達(dá)到快速凝固的效果。在上述涂層結(jié)構(gòu)中，它們都是硬度較高的金屬間化合物，溫度與硬度的關(guān)系不正常，金屬鍵和共價(jià)鍵并存。通過研究發(fā)現(xiàn)，這些金屬化合物在室溫或極低高溫下的摩擦系數(shù)、磨粒磨損率、滑動(dòng)磨損率和干擾腐蝕率、耐腐蝕性能不斷提高。這些研究為應(yīng)用鈦合金作為機(jī)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(yùn)動(dòng)部件的應(yīng)用環(huán)境非常惡劣，大多被用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油設(shè)備等設(shè)備中。所以在惡劣環(huán)境的包圍下，對(duì)部件的性能也有著更為嚴(yán)苛的要求。除耐高溫和具有低摩擦系數(shù)的特征，更要具備超強(qiáng)的生物相容性。同時(shí)對(duì)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(zhì)量的涂層制備技術(shù)。因此，近年來，許多研究人員將涂層制備技術(shù)與快速凝固激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出新型強(qiáng)涂層材料，不僅大大提高了這些新材料的性能，而且促進(jìn)了凝固。

激光熔覆制備技術(shù)搭載航空、航天、集油等先進(jìn)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(diǎn)，兼容性好、摩擦小，適用于氣動(dòng)執(zhí)行器等高級(jí)設(shè)備。此外，將快速硬化激光熔覆涂層制備技術(shù)與耐腐蝕材料的設(shè)計(jì)原理相結(jié)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(nèi)部顯微組織分開分布。這種新型激光熔覆涂層材料已被應(yīng)用于中國(guó)先進(jìn)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，并已作為高速、高溫滑動(dòng)摩擦副的主要部件。嚴(yán)苛的環(huán)境要求之下，高溫耐博部件性能要求必須達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)才能適應(yīng)整體環(huán)境。這時(shí)候?qū)^渡金屬硅酸鹽的化學(xué)性能提出了更高的要求。由于難熔金屬硅酸鹽農(nóng)藥在摩擦學(xué)、耐磨材料、表面工程等領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢(shì)，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(yōu)異的耐高溫腐蝕性能、極高的耐熱性和耐磨性、低摩擦系數(shù)和摩擦相容性，可以相互配合以改進(jìn)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(yàn)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(diǎn)。

3.3 金屬材料小平面相液-固界面結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)機(jī)制

在硬化理論的研究中，固液界面的結(jié)構(gòu)及面的生長(zhǎng)形態(tài)、生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)機(jī)制一直是主要的研究課題。筆者在研究金屬和增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合涂層材料時(shí)，以它們?yōu)檠芯繉?duì)象，研究了不同凝固和冷卻速率下工作面的液固界面結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)形貌、生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)機(jī)制的差異。結(jié)果表明，在非平衡冷卻速率條件下，TiC 面的生長(zhǎng)形狀非常梯度。當(dāng)未達(dá)到較快退火狀態(tài)時(shí)，TiC 面的液固界面結(jié)構(gòu)為三維晶格分叉；但是當(dāng)達(dá)到最快的硬化狀態(tài)時(shí)，面部的液固界面結(jié)構(gòu)是類似于面部花瓣的一組樹枝狀的結(jié)構(gòu)。但是，無論凝固和冷卻速度條件是否達(dá)標(biāo)，即使凝固形式不同，生長(zhǎng)界面始終具有面特征，表明固液平面界面結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)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(shù)是近年來隨著商業(yè)科學(xué)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，也是一項(xiàng)結(jié)合新材料制備技術(shù)和智能化發(fā)展的快速固化技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵是激光原材料生產(chǎn)加工技術(shù)的快速凝聚，無需模具或?qū)Ｓ霉ぞ呒纯煽焖俪尚?。高性能金屬激光快速成形技術(shù)由于協(xié)調(diào)性高、適應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快而被廣泛應(yīng)用。性能優(yōu)異的金屬材料零件的晶格常數(shù)激光快速成形技術(shù)是管理科學(xué)與優(yōu)秀工程項(xiàng)目、生產(chǎn)技術(shù)和工程項(xiàng)目交叉行業(yè)快速發(fā)展的趨勢(shì)。近年來，新型高性能原材料的生產(chǎn)和單純復(fù)雜零部件新技術(shù)的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，它是快速凝聚技術(shù)性、新材料制備技術(shù)性和智能制造技術(shù)性的機(jī)型之一。使用快速成形技術(shù)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(shí)體模型離散變量滾動(dòng)數(shù)據(jù)信息為電子計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床推動(dòng)，以該技術(shù)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?gòu)?fù)合材料快速硬打底，即可生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)精巧緊湊、配置勻稱、性能優(yōu)良的金屬?gòu)?fù)合材料和半晶格常數(shù)零件，是原材料技術(shù)與生產(chǎn)新技術(shù)集成技術(shù)的應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)方案和新材料制備，利用該技術(shù)制造出的金屬零件，具有高度的靈活性，同時(shí)在適應(yīng)性以及快速反應(yīng)性方面也表現(xiàn)得尤為突出，可以在此基礎(chǔ)上滿足各類高性能的需求，促使金屬材料的制備達(dá)到快速成形的目的。與先進(jìn)的傳統(tǒng)材料制備和零件成形技術(shù)相比，它具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)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(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，根本目標(biāo)在于提高等離子噴涂涂層的耐磨及抗腐蝕性能。對(duì)于等離子噴涂涂層來講有著孔隙度高、層狀結(jié)構(gòu)被隔開且界面結(jié)合形式以機(jī)械結(jié)合為主的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)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(duì)其進(jìn)行激光重熔。在重熔的過程中對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，通過合適的氣體保護(hù)消除涂層表面的孔隙以及氧化類雜質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到提高涂層密度，增強(qiáng)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(diǎn)，所以只能采用粉末冶金實(shí)現(xiàn)制備成形。選擇激光燒結(jié)具備選擇范圍寬、用途廣的特點(diǎn)，該過程為首先在工作臺(tái)鋪設(shè)一層粉末，接下來在計(jì)算機(jī)的控制上有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，此時(shí)接觸裹附在粉末外的樹脂將會(huì)融化，從而與粉末黏結(jié)在一起，經(jīng)過多次處理之后被牢牢地固化，此時(shí)去除多余粉末就會(huì)得到半成品。整個(gè)難熔金屬激光約束熔鑄是一門綜合學(xué)科，其涉及到的不僅只有激光技術(shù)，更包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)，整個(gè)技術(shù)的根本在于快速原型制造技術(shù)以及激光熔覆表面強(qiáng)化結(jié)合，通過金屬粉末的涂層熔化實(shí)現(xiàn)快速凝固，并與基體形成冶金結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)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(dāng)今金屬模具零件制造提供了重要參考。

4 結(jié)語

嚴(yán)苛的環(huán)境要求之下，高溫耐磨運(yùn)動(dòng)部件想要達(dá)到對(duì)環(huán)境的適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，必須要展現(xiàn)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(jié)構(gòu)特征。該種加工技術(shù)在金屬材料快速凝固基礎(chǔ)上提出，利用了金屬的快速凝固效應(yīng)，不僅能夠促進(jìn)各種高性能金屬材料的直接成形，更能實(shí)現(xiàn)全新材料的開發(fā)和應(yīng)用，完成了眾多普通機(jī)械加工技術(shù)所不能完成的重難點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前航空材料表面改性以及各種高質(zhì)量設(shè)備涂層合成等高難度方面的覆蓋。在未來，該種技術(shù)也會(huì)被廣泛應(yīng)用于普通行業(yè)當(dāng)中，前景一片大好。