金属材料快速凝固激光加工与成形

陈 楠，王 蕊，苏东楠

（长春电子科技学院，吉林 长春130000）

用激光熔化金属材料的表面，可以得到快速凝固后的表面材料，也可以具有结构特征。如分叉和微观结构细化、低或无分离、半结晶、高过饱和度和溶解元素的固溶体。另外在应用激光技术对其表面进行快速融化操作中，可以在熔池内依照不同的需求相应添加合金元素，便可以获得组分更为多样丰富的分基体。这种零件矩阵的组成、结构和性能完全不同，它是一种特殊的金属表面涂层，可以获得具有精细均匀的特性材料。

1 金属材料快速凝固技术概述

1.1 快速凝固技术特点

通过快速凝固技术既可以实现对金属潜在性能的挖掘，又能够促成全新材料的开发。该项技术能够促使重金属或者合金以最快的速度从液态转变为固态，而且在转变的过程中能够扩大金属在液态中的溶解度，使其各部位组织更加紧密，从而实现金属中各元素比例的改变，最终达成性质的改变。凝固过程中凝固结晶分布更加均匀、颗粒更加细小，所以在一定程度上减少了杂质的混入，对于提高金属材料质量、促进晶粒组织优化有着积极的作用。而伴随着溶解度的扩大以及精细晶粒的析出，金属材料的韧性和强度随之提高，耐腐蚀性和韧性也达到了更高的要求，该种方法能够保证金属材料具备良好的半导体性能。

1.2 快速凝固技术方法

1.2.1 动力学急冷快速凝固技术

该种方法也被称为熔体急冷技术，简单理解就是在减少容积体积和散热表面积比例的同时减少熔体与热传导性能，通过传导的方式散热，实现界面热阻[1]。因此，在热传导能力提高的基础上能够实现热流导出速度的增加，进而促进凝固界面的快速凝固。

1.2.2 热力学深过冷快速凝固

这种方法以净化手段为基础，避免或消除异质晶核的形核作用，从而实现临界形核功的增加。整个过程当中液态金属会突然形核并实现快速凝固组织的获取，且整个过程不受外部散热条件以及液态金属体积的限制。另外，该种方法在不同的需求之下拥有不同的分类，例如大体积液态金属可以通过熔融玻璃净化、循环过热法以及二者相结合的方式达到深过冷；如果是微小金属液滴，可以采用乳化热分析以及电磁悬浮熔炼法达到深过冷。热力学深过冷快速凝固最明显的特征在于粒晶尺寸的细化，并形成新的亚稳相，同时在凝固的过程中会以很快的速度实现定向生长的特征。

1.2.3 快速凝固技术在金属材料开发中的应用研究

当前，快速凝固技术在金属材料开发中被广泛应用于快速凝固新型合金材料以及快速凝固非平衡态新型金属材料的研究中。在快速凝固合金材料的巩固研究中，主要的研究方向为镁合金、耐热铝合金的研究。以镁合金为例，因为其具备比例小、强度高的特征，所以成为了航空航天以及电子制造领域当中的绝佳选择，不过在实际的生产过程中镁合金耐腐蚀性能较差，且加工成型难以实现，而通过应用快速凝固技术，镁合金会在快速凝固的过程中展现出突出的非晶形成能力。这样不仅能够保证合金熔体的制备达到加工标准，更能促使耐腐蚀性能达标。

快速凝固非平衡态新型金属材料研究方面，主要的研究方向为快速凝固非晶态合金、快速凝固准晶态合金以微晶合金材料和金属纳米结构材料。以纳米材料为例，纳米材料被广泛应用于各种尖端领域，整个纳米材料组织结构具备特殊性，大量原子处于晶粒之间的界面，所以同常规晶体材料和非晶态材料相比，纳米材料性能更加优越。而且纳米材料表面的晶粒细小均匀且清洁度较高，在提高力学性能方面有着明显的特点。利用快速凝固技术对其进行加工，能够提高其强度硬度，更能展现出良好的塑性。

2 快速凝固激光加工技术介绍

快速凝固激光加工技术快速、灵活、易加工、热影响区小。在快速凝固理论基础上发展起来的激光表面合金化技术和激光表面工程技术已成为现代表面工程的新技术。这2 种技术都可以设计和合成具有高质量零件的先进涂层材料。近年来，随着快速成形技术的发展，激光快速硬化材料加工的基本原理不断得到发展。两者结合后，高性能金属零件的激光加成技术也得到了快速发展。高性能金属零件的激光添加技术已成为激光技术、材料科学、材料加工工程等学科的主要研究对象。该技术是一种将复杂金属格状零件的材料设计、材料合成和快速成形相结合的制造技术，具有进步化、知识化和数字化的特点。

利用RSP 技术快速凝聚产生纳米晶、半晶、非晶等新型稳定非平衡结构和新型功能材料，改善了传统金属复合材料的性能，将金属转化为复合材料。将充分利用当今原料特性的发展潜力，开发原料特性。不成比例原料的快速团聚技术和快速团聚的基础理论是商业科学与工程项目边界内重要科研网络和凝聚态物理国际前沿的热点之一。在金属复合材料完成快速凝固的过程当中，激光表层的快速熔化技术在凝固和冷却速度方面表现得比较突出，这也促使其成为一种凝固方法。利用激光技术对材料表面进行快速熔化，能够实现铝合金元素灵活地进行熔池添加，更能促进合金粉末在径向力的作用之下实现快速移动，与此同时附着于零件表面，可以到达激光涂层[2]。它迅速凝结，并提供了一个良好平衡、精细平衡的不平衡机制。在此过程中，无论是固化成分、固化结构还是基本性能都展现出了与基体金属的巨大差异，表面独特的金属涂层的原材料设计，具有卓越而独特的性能。此外，激光表面固化工艺快速灵活，热损伤总面积小，便于生产加工。

激光表层细晶强化与激光熔覆激光金属表面处理技术基于快速凝聚基础理论的发展趋势，已成为优秀特种新型涂层原材料、新材料的产生、生产的设计方案与零件上的高质量涂层有机结合的新型金属表面处理技术之一。

3 金属材料快速凝固激光加工与成形研究

3.1 将钛合金快速凝固的激光熔覆技术

钛合金的低密度、高耐腐蚀性在各类金属材料中表现得尤为突出，同时其具备的生物相容性十分良好，高比强度更加突出，因此被广泛应用于航天、航空、兵器、船舶等领域。但是，钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易黏附、摩擦系数高、高温高速摩擦和易燃等。但同时，钛合金多用作这些领域的摩擦件和磨损副，其缺陷不影响应用效果。为了提高钛合金的耐磨性、阻燃性和摩擦系数，使运动部件达到理想的摩擦磨损效果，需要采用先进的表面工程技术来改变钛合金的表面缺陷。最经济灵活的方式是将钛合金零件的基本材料与硬质金属结合，形成耐高温、耐磨、阻燃性强的特殊材料。将激光表面合金化技术和激光熔覆技术与耐磨材料表面改性层相结合，可以大大提高钛合金的耐腐蚀性能。此外，将快速硬化的激光表面合金化技术与激光熔覆技术相结合，难熔金属复合物可增强钛合金表面的高温耐磨涂层，达到快速凝固的效果。在上述涂层结构中，它们都是硬度较高的金属间化合物，温度与硬度的关系不正常，金属键和共价键并存。通过研究发现，这些金属化合物在室温或极低高温下的摩擦系数、磨粒磨损率、滑动磨损率和干扰腐蚀率、耐腐蚀性能不断提高。这些研究为应用钛合金作为机械摩擦副零件提供了一种新方法。

3.2 金属材料快速凝固激光制备特种涂层新材料

一般来说，高温运动部件的应用环境非常恶劣，大多被用于航空发动机、柴油设备等设备中。所以在恶劣环境的包围下，对部件的性能也有着更为严苛的要求。除耐高温和具有低摩擦系数的特征，更要具备超强的生物相容性。同时对于其抗氧化能力以及耐腐蚀能力也有着更高的需求。然而，这种用于多功能材料的新型涂层需要高质量的涂层制备技术。因此，近年来，许多研究人员将涂层制备技术与快速凝固激光熔覆技术相结合，开发出新型强涂层材料，不仅大大提高了这些新材料的性能，而且促进了凝固。

激光熔覆制备技术搭载航空、航天、集油等先进设备的发动机，需要许多高温、高速的附加部件，新型多功能涂层材料具有耐高温、耐磨、抗氧化等特点，兼容性好、摩擦小，适用于气动执行器等高级设备。此外，将快速硬化激光熔覆涂层制备技术与耐腐蚀材料的设计原理相结合，可以获得一种性能更好的新型激光熔覆涂层材料。此材料加工性能好，含碳量在9%～12%之间，内部显微组织分开分布。这种新型激光熔覆涂层材料已被应用于中国先进的气动执行机构中，并已作为高速、高温滑动摩擦副的主要部件。严苛的环境要求之下，高温耐博部件性能要求必须达到高标准才能适应整体环境。这时候对过渡金属硅酸盐的化学性能提出了更高的要求。由于难熔金属硅酸盐农药在摩擦学、耐磨材料、表面工程等领域具有诸多优势，已成为一种新型的多功能包覆材料。这种矿物硅酸盐具有优异的耐高温腐蚀性能、极高的耐热性和耐磨性、低摩擦系数和摩擦相容性，可以相互配合以改进激光熔覆为其涂层的制备工艺。在常温金属和高温金属的干滑试验中，以矿物硅化物涂层为例，其具有承载异常、温度异常与金属摩擦、不黏性等特点。

3.3 金属材料小平面相液-固界面结构及其生长机制

在硬化理论的研究中，固液界面的结构及面的生长形态、生长规律和生长机制一直是主要的研究课题。笔者在研究金属和增强金属复合涂层材料时，以它们为研究对象，研究了不同凝固和冷却速率下工作面的液固界面结构、生长形貌、生长规律和生长机制的差异。结果表明，在非平衡冷却速率条件下，TiC 面的生长形状非常梯度。当未达到较快退火状态时，TiC 面的液固界面结构为三维晶格分叉；但是当达到最快的硬化状态时，面部的液固界面结构是类似于面部花瓣的一组树枝状的结构。但是，无论凝固和冷却速度条件是否达标，即使凝固形式不同，生长界面始终具有面特征，表明固液平面界面结构和生长机制的基本特征在凝固和冷却速率范围很广，它随着防冻液的冷却速度而变化。

3.4 高性能金属材料激光快速成形

高性能金属材料激光成形技术是近年来随着商业科学的不断发展而出现的一项新技术，也是一项结合新材料制备技术和智能化发展的快速固化技术。该技术的关键是激光原材料生产加工技术的快速凝聚，无需模具或专用工具即可快速成形。高性能金属激光快速成形技术由于协调性高、适应性强、响应速度快而被广泛应用。性能优异的金属材料零件的晶格常数激光快速成形技术是管理科学与优秀工程项目、生产技术和工程项目交叉行业快速发展的趋势。近年来，新型高性能原材料的生产和单纯复杂零部件新技术的应用受到了广泛的关注，它是快速凝聚技术性、新材料制备技术性和智能制造技术性的机型之一。使用快速成形技术的基本概念，可以在没有模具和特殊工具的情况下快速制作各种零件的原型。以金属材料零件淬火CAD 实体模型离散变量滚动数据信息为电子计算机数控机床推动，以该技术为媒介，制备激光熔覆快速淬火的原材料。分步激光熔积-金属复合材料快速硬打底，即可生产出结构精巧紧凑、配置匀称、性能优良的金属复合材料和半晶格常数零件，是原材料技术与生产新技术集成技术的应用，包括新材料设计方案和新材料制备，利用该技术制造出的金属零件，具有高度的灵活性，同时在适应性以及快速反应性方面也表现得尤为突出，可以在此基础上满足各类高性能的需求，促使金属材料的制备达到快速成形的目的。与先进的传统材料制备和零件成形技术相比，它具有许多突出的优点，如零件不需要毛坯材料制备，不需要特殊模具和锻造铸造设备，且切削量小、加工周期短、成本低等。

3.5 激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层

激光表面熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层主要应用于航空、航天领域，根本目标在于提高等离子喷涂涂层的耐磨及抗腐蚀性能。对于等离子喷涂涂层来讲有着孔隙度高、层状结构被隔开且界面结合形式以机械结合为主的特点，这些特点限制了等离子喷涂涂层的使用寿命和使用范围。激光表面熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层的制造原理在于对其进行激光重熔。在重熔的过程中对相关的工艺参数进行控制，通过合适的气体保护消除涂层表面的孔隙以及氧化类杂质，进而达到提高涂层密度，增强抗腐蚀性能的目的。

3.6 难熔金属激光约束熔铸成形

众多难熔金属合金以及金属间化合物有着极高的熔点，所以只能采用粉末冶金实现制备成形。选择激光烧结具备选择范围宽、用途广的特点，该过程为首先在工作台铺设一层粉末，接下来在计算机的控制上有选择地进行烧结，此时接触裹附在粉末外的树脂将会融化，从而与粉末黏结在一起，经过多次处理之后被牢牢地固化，此时去除多余粉末就会得到半成品。整个难熔金属激光约束熔铸是一门综合学科，其涉及到的不仅只有激光技术，更包含计算机技术、传感技术等先进的机械加工技术，整个技术的根本在于快速原型制造技术以及激光熔覆表面强化结合，通过金属粉末的涂层熔化实现快速凝固，并与基体形成冶金结合。这项技术的应用为难溶高活性、高纯度的合金材料制备和零件成形，开辟了全新的路径，为当今金属模具零件制造提供了重要参考。

4 结语

严苛的环境要求之下，高温耐磨运动部件想要达到对环境的适应标准，必须要展现出更高的性能，用激光熔化金属材料的表面，可以得到快速凝固后的表面材料，也可以具有结构特征。该种加工技术在金属材料快速凝固基础上提出，利用了金属的快速凝固效应，不仅能够促进各种高性能金属材料的直接成形，更能实现全新材料的开发和应用，完成了众多普通机械加工技术所不能完成的重难点突破，实现了当前航空材料表面改性以及各种高质量设备涂层合成等高难度方面的覆盖。在未来，该种技术也会被广泛应用于普通行业当中，前景一片大好。