摘要
激光熔覆技术因高效率、适合复杂零部件制造与修复等优势在各工业制造领域应用广泛。但熔覆涂层易出现气孔、裂纹等缺陷，涂层凝固组织可控性差等问题制约了该技术的进一步发展。本文针对熔覆涂层中成分偏析及组织不均等问题,在激光熔覆过程中引入高频电流。以TA2钛合金Co基涂层为研究对象，采用有限元模拟与实验相结合的方法，开展不同电流大小对激光熔覆Co基涂层宏观形貌、显微组织和物相、以及显微硬度和耐磨性的研究，主要工作内容和结论如下: (1)建立了TA2钛合金表面Co基涂层激光熔覆的三维瞬态温度场有限元仿真模型，用APDL实现双椭球热源的加载与移动。分别对电流预热升温规律及熔池宏观形貌进行了实验验证，研究了激光功率、扫描速率以及电流大小对熔池内部温度场的影响。结果表明电流预热作用下，激光熔覆温度峰值提高了约60℃，同时减缓了冷却速率，有效降低了各轴向温度梯度，有助于减少裂纹的产生。 (2)通过单道单因素实验，探讨了激光功率(P)、扫描速率(Vs)和送粉速率(Vf)对涂层形貌及显微硬度影响;基于单因素实验，设计了正交试验参数表，以稀释率和显微硬度为考察指标，同时考虑涂层宏观形貌及缺陷，得出最佳工艺参数P=700W、Vs=6mm·s-1、Vf=1.8rad·min-1,其中扫描速率对涂层质量影响最为显著。分析搭接形貌及表面粗糙度得出该参数下搭接率为40％时最优。 (3)经TA2钛合金电流辅助加热实验验证，电流设置为600A、720A、840A、960A,待温度稳定后进行激光熔覆，同时以其稳定温度数值，开展传统预热实验作为对比。结果表明，高频电流对涂层物相组成无明显影响，其相均由γ-Co、α-Ti、CoTi2固溶体和TiC、Cr7C3硬质相构成。高频电流促使了底部柱状枝晶向等轴晶的转变;中部部分胞状晶转变为细窄的多晶组织。但预热使得析出的硬质TiC颗粒变大，晶粒细化效果减弱。在电流作用下，涂层硬度由948.51HV1提高至1032.68HV1,同时也略高于传统预热涂层硬度(979.03HV1),进一步证实了涂层晶粒得到细化。电流辅助及传统预热涂层耐磨性均优于无处理涂层，随电流的增大，涂层耐磨性先增大后减小，其中720A时耐磨性最优，磨损量(1.37mg)较无处理涂层(7.13mg)减小了约80.1％,摩擦系数略微降低，此时传统预热涂层磨损量为1.63mg;传统预热涂层磨损性能与电流辅助相近，即电流的热效应在对涂层耐磨性影响中占主要地位。
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