综述：激光熔覆的研究与发展现状（3）(2)
时间:2022-07-14 13:46 来源:长三角G60激光联盟 作者:admin 点击:次
5 存在的主要问题及发展趋势 5.1. 主要问题 虽然液晶技术目前已用于机械零件的表面强化和修复，但不可否认的是，仍有一些问题有待解决。在液相色谱过程中，在微观结构方面，由于材料不纯或湿粉末、过量保护气体、材料快速凝固和冷却等因素，容易在材料中产生孔隙缺陷。由于各种残余应力的存在，大面积LC中也可能出现裂纹。同时，微观结构中也存在元素偏析问题。在宏观形貌方面，激光熔覆层的宏观尺寸和表面光洁度仍需进一步研究和改进。 在LC的实际应用中，经常用于大型、小型和复杂曲面零件的加固和修复。因此，如何实现LC表面强化或修复的高质量和自动化仍然是一个迫切的问题。 5.2. 发展趋势 一般来说，LC在航空航天、石化、采矿等领域的机械设备零件的表面强化或修复中起着重要作用。这对提高生产效率、节约生产成本具有重要意义。如图17所示，LC具有广阔的前景，未来可以在四个方面得到加强。  图17 LC发展趋势的结构图。 5.2.1. 激光熔覆新材料体系的开发 基于材料选择原则，开发新的材料系统，如多原理HEA、多性能复合材料、非晶和纳米晶材料应是未来的研究重点。 目前，功能梯度涂层可以降低内应力，减少裂纹，改善涂层和基材的冶金结合，这基本上是通过材料成分和结构梯度实现的。因此，梯度涂层的开发对于机械零件的表面强化和修复具有重要意义。优化液相色谱工艺参数以制备材料成分梯度分布准确、性能良好的涂层应是今后研究的重点。同时，有必要加强对精确控制多组分粉末进料速度的装置的开发。 非晶态材料具有硬度高、耐腐蚀性好、弹性应变极限大等优点。同时，LC工艺有利于形成非晶形状。因此，它已成为近年来的研究热点。然而，以下方面有待进一步研究：（1）非晶涂层的成分设计和控制：在液相色谱中，由于熔池的传质和外延生长层成分对衬底的影响，实际成分与设计成分不匹配。同时，合金元素会发生氧化和燃烧，因此有必要根据LC工艺的特点设计合理的材料成分；（2）深入分析液晶非晶/纳米晶涂层的微观结构生长机理和工艺参数优化是今后研究的重点。（3）用液相色谱法制备性能良好的大体积非晶材料也是一个问题。 HEA具有优良的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性。同时，它们很容易形成简单的固溶体相，因此近年来逐渐用于液相色谱。然而，HEA涂层的结晶和凝固理论及其与物理力学性能的关系还需要进一步研究。由于LC工艺的特性，有可能形成非晶相，HEA的特性也有利于结构的非晶化。因此，利用液相色谱制备HEA非晶涂层也是当前的研究热点。同时，原位合成HEA基复合材料的颗粒增强相是一种新的趋势。 5.2.2. 激光熔覆的计算机模拟、监测和控制 LC过程是一个复杂的物理-化学冶金过程。目前，随着计算机技术的发展，对LC过程的温度场、应力场和流场进行仿真分析具有重要意义。基于熔池自由变形表面、对流、浮力和工艺参数的综合影响，建立了更符合液相色谱的能量、动量和传质模型。它可以定量研究熔池中的流体流动和温度变化对熔覆层微观结构的影响。因此，对温度场、应力场和微观组织进行联合仿真分析具有重要意义。同时，对各种材料的非稳态温度场和液相色谱的模拟也是今后研究的方向。  室温下CTi0和CTi1.0涂层磨痕的三维形貌和高度分析曲线：（a）、（b）CTi0涂层；（c），（d）CTi1.0涂层。 LC过程的监测和控制对于表面强化或修复以形成具有良好微观结构和性能的熔覆层具有重要意义。目前，主要检测粉末熔覆过程和熔池温度的信息。在未来，应进一步研究空隙率、稀释率和其他信息的检测和控制。同时，应将大数据、人工智能和LC相结合。通过建立经验数据库，LC朝着自感知、自适应和自决策智能方向发展，这可以显著提高熔覆层的质量和性能。这也是未来发展的趋势。 5.2.3. 激光熔覆工艺和设备的优化 LC工艺直接决定了熔覆层的宏观形貌和微观结构性能。在机械零件的大面积LC中，目前的LC器件功耗低，难以满足实际需要。因此，需要对大功率LC器件进行进一步的研究，以提高效率。对于小型精密零件的表面强化和修复，应研究相应的小型、便携式和原位液晶器件。LC技术应与机器人和控制技术相结合，以进一步提高复杂曲面零件表面强化和修复的自动化水平和监测能力。 此外，为了减少熔覆层的气孔、裂纹和元素偏析等缺陷。超声振动、电磁辅助、热感应辅助等技术逐渐应用于LC，但仍有许多问题有待解决。例如，超声波和电磁场对液晶微结构的作用机理，液晶过程中的超声波频率跟踪技术，以及复杂零件的辅助器件和液晶器件的匹配等。 5.2.4. 激光熔覆的后续处理 LC工艺可以形成稀释率低、与基材冶金结合良好的熔覆层。然而，它仍然存在微观残余应力、宏观尺寸精度和表面质量等问题，无法满足实际需要，因此需要进行后续处理。当前的超声波辅助切割技术对硬脆材料、金属基复合材料和碳纤维增强材料具有良好的加工能力，并且具有减少次表面损伤和表面粗糙度的优点。由于这些材料也主要用于LC，LC和超声波辅助切割的结合有望实现细化晶粒和提高表面硬度。与传统切削技术相比，激光辅助切削具有降低切削力、减少刀具磨损和提高表面加工质量的优点。此外，超声波冲击对于降低熔覆层的表面粗糙度、残余应力和改善疲劳特性等也很重要。因此，未来应加强液晶与超声辅助切割、激光辅助切割、超声波冲击等混合加工方法的结合，实现液晶技术的系统化、集成化发展。 6 总结与展望 本文综述了液晶的最新研究进展。从液晶工艺、液晶材料体系和液晶的应用三个方面详细介绍了液晶的现状。此外，还介绍了LC存在的问题。为了解决这些问题，关于LC未来的前景概述如下： （1）液晶是一个多场相互作用的过程，温度场、应力场和微观结构的联合模拟有待进一步研究。同时，在分析熔池流场时，应充分考虑气体压力的影响。 （2）温度历史与微观结构的生长直接相关，温度场的监测对优化熔覆层上的微观结构具有一定作用。此外，可以通过优化工艺参数和设备（如喷嘴）来提高粉末的利用效率。 （3）外场辅助技术还可以减少熔覆层的裂纹、气孔和元素偏析等缺陷。然而，在多领域综合援助的机制和相关设备的匹配方面，还有待进一步研究。 （4）对于非晶态合金，应进一步分析退火对多层涂层中非晶态相的晶化效应以及HEAs覆层的非晶化。对于液晶中的单晶合金，应考虑杂散晶粒的体积、取向和控制。 （5）研究各种增强相和固体润滑剂对扩大耐磨自润滑涂层的适用温度范围具有重要意义。此外，在原位合成HEA基复合材料包覆层的颗粒增强相时，有必要控制增强相的数量和形状。 （6） LC应与超声波辅助切割、超声波冲击和其他技术相结合，以提高熔覆层的性能。同时，未来LC技术将与大数据、人工智能、5G等技术相结合，向智能化方向发展。 来源：Recent research and development status of laser cladding: A review, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106915 参考文献：Composition optimization of low modulus and high-strength TiNb-based alloys for biomedical applications (责任编辑：admin) |