金属材料快速凝固激光加工与成形

魏咏梅

摘   要：为了明确金属材料快速凝固激光加工与成形原理，本文将在金属材料快速凝固的基础上，运用激光技术，分析其在金属材料加工与成型中的具体应用，以此为相关人士提供有效参考。

关键词：激光加工;快速凝固;激光;激光快速成形;激光表面改性

中图分类号：TN249                                                   文献标识码：A                                                 DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.07.048

快凝技术是制备新型结构和功能材料，如微晶、晶体和非晶体的一种重要方法，它改善了传统金属材料的性能，而快速老化技术和快凝理论是材料科学、技术和凝聚物理的一个重要研究领域。

事实上，低偏析或不偏析，形成不同的转移相，准静态，并具有特殊的物理、化学和机械性能，还能灵活地将合金元素（激光表面合金）添加到熔池中，还能实现零件表面的快速凝固过程，使激光表面快速、灵活、易自动化。事实上，激光表面显影技术是建立在激光表面合金化和激光涂层快速凝固理论之上的，它集成了新型材料特殊的高级涂层设计、新型材料合成及优质零件涂层生产等现代表面技术中的一项新技术。

近几年来，高性能金属零件的激光助剂制造（LAM）或激光直接成形（RPM）技术与快速固化激光加工和快速成形（RPM）的基本原理迅速结合起来。在材料科学、材料加工、先进制造技术、激光技术和计算机科学等交叉前沿领域中具有重要意义。集成有机"材料设计""材料合成""近无缝零件快速原型"是一项先进、经济、数字化、知识化、绿色、快速的制造技術。

一 、钛合金速凝固激光熔覆技术

从2016年开始，本文就钛合金激光快速凝固表面改性技术进行了研究。利用激光表面涂装技术和激光快速凝固技术，制备了一种含有 TiN， TiC， AL2O3，WC，Cr7C3，SiC等耐磨材料的快速凝固复合材料原位涂装层，用于难熔金属间化合物连接用钛合金表面的高温快速凝固。通过室温高温条件下的滑动磨损、磨粒磨损和高温磨粒磨损试验，成功地研制出高硬度、高耐磨性的金属间化合物 Ti5Si3/NiTi2、 Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2、 Ti5Si3/Ti2Ni3Si等新涂层，不仅磨损率低，而且摩擦系数低。

二、激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层

许多重要的高温运动副在高温氧化、热腐蚀等恶劣环境条件下，在航空航天、石化、电力等国防及工业设备领域受到强烈的摩擦磨损。新材料具有优异的高温耐磨性能、低摩擦系数、优异的高温抗氧化性能，为进一步发展耐高温腐蚀性、良好的摩擦学相容性和高品质的涂层修复技术，近几年发展了快速凝固技术激光服装，作为合成材料和高品质涂层修复技术的手段，开展了"先进、耐磨、耐腐蚀的多功能新材料涂层及激光涂层快速固化新技术"的研究。

近几年来，利用过渡金属硅化物独特的物理化学性质，提出了一种新的研究领域，即根据高温、耐磨、耐腐蚀的工况及性能要求，开发出多功能难熔金属硅化物合金涂层。过渡金属硅化物，如Ti5Si3/Ni3Ti2Si，Cr3Si/Cr2Ni3Si，Mo2Ni3Si/NiSi，Ti2Ni3Si/NiTi等具有优异的耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、摩擦系数低、摩擦学性能好等特点，可作为多功能耐磨、耐腐蚀涂层材料。优选出优质的激光镀膜新工艺。5～15金属硅化物的高温耐磨损耐腐蚀涂层，如 Mo2Ni3Si/NiSi，Ti5Si3/Ni3Ti2Si等具有独特的抗粘连性能，例如“异常载荷特性”（材料磨损量不随试验负荷增加），“异常温度特性”（材料磨损量随温度升高而降低），“2 b无金属附着”

三、小面相液固界面结构与生长机制

对TiC-MC硬质合金的液-固界面结构、生长形态及生长机理进行了研究，并以 Jackson因子5-8为代表的TiC-MC硬质合金的表征为研究重点。在高温耐磨复合涂层中， TiC增强金属和金属间化合物在不同凝固冷却速率下的凝固形态、抗液界面组织以及 TiC小表面的凝固机理102-105K/s，均表现为丰富的小平面相形态，从亚快速凝固条件下的三维枝晶分枝网络到快速凝固条件下的“小行星瓣”和“小枝晶群径向辐射”（见图2），发现 tic的生长有很大差异，无论凝固速度和凝固形式如何变化，晶体的生长界面或表面都具有典型的扁平特征。研究发现，对于典型的小平面表面小晶体（如 TiC晶体），生长阶段密度随凝固速度的增加而明显增加，而液相界面的晶面和阻液界面的晶面之间的结晶关系，液相界面的结构和阶梯式横向生长机制的基本特征，不随凝固速度和凝固条件的变化，这是经典多面晶体凝固理论的著名结论，对于原子间结合力强、熔点高的多面难熔碳化物晶体，随着低温的升高，界面结构由平滑变粗糙，生长机制由液相界面转变为连续界面，但这种转变并不常见。

四、高性能金属零件激光快速成形

高效金属近净成形复杂零件激光快速成形技术是以快速原型开发（rp pe）为基础，不需任何工具，由数值计算机系统驱动，采用离散 CAD金属模型切割数据，采用激光镀快速凝固技术，通过金属层沉积实现快速凝固层材料。适应性强，反应迅速，应用广泛。本发明不需备料，不需专用模具及锻造设备，切削量少，生产周期短，成本低，材料利用率高。

从2017年开始，，高温合金与金属化合物相结合，成为国内最早、也是国际为数不多的全面掌握该技术的科研单位之一。以工业纯钛、TC4、BT20、BT2等多种钛合金复合模为对象，进行激光快速成形。用此项技术进行了大规模生产，并利用此项技术进行了试验性生产--模拟发动机用钛合金板以及用镍基高温合金盘形件径向快速冻结试样生成定向微波结构。把握多性能零件快速激光成形的关键技术，采用钛合金与 TiAl混合激光成形、梯度材料Tcata15/BT22制备 Ti/TA15、TA15/TiAl和 Ti/TA15/TiAl

五、结语

激光快速凝固技术是一种利用金属的快速凝固效应制备新材料，将金属零件直接传递给金属零件的新技术。广泛应用于钛合金等先进航空金属材料的表面改性、特种材料的合成、激光材料和激光材料的制备，适用于发动机的耐磨性和耐腐蚀涂层材料及高质量涂层，耐火和高活性金属材料制造，以及低直接原型的高性能金属零件。

（河南技师学院  河南郑州  450000）