半导体激光-TIG电弧复合热源表面熔覆工艺及性能研究

在抽油泵、矿山支架、核阀、航空发动机叶片等高附加值工件表面对于表面熔覆方法的要求越来越高。特殊性能的高附加值工件表面工作环境苛刻,对质量和性能要求高,需要达到冶金结合,主要采用堆焊热源;激光、等离子弧、TIG都是常用的堆焊热源,但单一热源具有热源特性调控范围窄、熔覆效率低、稀释率大、裂纹倾向明显等问题。为了解决这一问题提出一种矩形大光斑半导体激光-TIG电弧复合热源表面熔覆方法。首先,建立激光-TIG电弧复合热源熔覆实验系统原型,分析了激光-TIG电弧复合热源特性,以Q235钢为基体材料,采用预置粉末法进行单TIG热源、大光斑半导体激光热源、激光-TIG电弧复合热源表面熔覆Ni60A合金粉末单道熔覆试验;分析了不同热源工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、TIG电流)对单道熔覆层宏观形貌、熔宽、熔高、稀释率、高宽比、浸润角等成形特征参数的影响。其次,根据不同热源模式的作用和单层单道熔覆层横截面的形貌特征,将单道熔覆层成形分成了六种模式。通过对不同热源模式、母材和粉末熔化、传热与成形特征关系的分析,揭示了六种熔覆层成形模式的形成机理。对比不同外加热源的作用,可知激光-TIG电弧复合热源可以增大获得理想熔覆层的工艺范围。最后,分析不同热源表面熔覆方法的工艺参数与熔覆层质量两者间的联系:采用扫描电镜、XRD、EDS(能谱分析)、显微硬度计等检测手段分析单激光、单TIG、半导体激光-TIG电弧复合不同热源参数对熔覆层质量的影响。结合不同热源表面熔覆方法的工艺参数、熔覆层性能、熔覆层成形三者间的联系,得到最优的单道熔覆工艺参数;并通过优化单层多道搭接工艺参数,获得质量、性能良好的单层多道熔覆层,并在工程实际中得到了应用。