模具钢基体因素对激光熔化沉积质量的影响研究

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当下,随着工业生产水平的不断提升,模具作为最基础的工业生产装备,其自身高性能要求或恶劣的工作环境,使得模具的表面改性及失效修复具有越来越高的实际应用价值。激光熔化沉积技术是近年来迅速发展起来的一种可用于模具的表面改性与失效修复的新型增材制造技术,并且在其沉积质量影响因素(激光功率、扫描速度等)方面已经进行了很多的研究,但是待沉积基体自身因素对沉积层质量的影响规律很少有人去关注。而基体表面形貌会影响到基体表面激光能量的吸收;基体成分会影响到沉积层凝固过程中化学元素的扩散;基体与激光束相对位姿会影响到熔池内液态金属的流动;这些基体自身因素最终会对沉积层宏观形貌、微观组织、力学性能产生影响。课题的研究是根据各基体因素对沉积层相关特征(宏观形貌、微观组织、力学性能)影响程度不同,设计单道单层、薄壁、多道搭接、多道多层沉积实验,分析实验结果,总结得到基体自身因素对激光沉积质量的规律,最终为模具的改性与修复提供理论及实验依据,为沉积质量的控制提供新思路。本文以316L为沉积层材料,围绕模具钢基体因素对激光熔化沉积质量的影响展开研究,主要研究内容如下:(1)随基体表面粗糙度增大,316L沉积层存在明显影响,结果表明:沉积层宏观形貌尺寸(熔宽、熔高、熔深)会增加,并且氩气环境下,熔高、熔深增加幅度达到了 100%,而熔宽增加的较平缓;沉积层稀释率趋于55%。堆积10层,喷砂基体上高度达到2.5mm,铣削表面高度仅有1.25mm,随着堆积层数的增加,高度影响逐渐减弱;且喷砂基体沉积层内部孔隙率仅为铣削的31%,这是因为粗糙度增大改善沉积层与基体的结合面,使往后的沉积层具有非常好的结合面,从而降低孔隙率。对于多道搭接沉积,粗糙度的影响主要集中在沉积层截面的纵向尺寸,粗糙度的增大使内部柱状晶变得粗大,且不均匀。粗糙度增大,沉积层内部抗拉强度随之增强,一定程度的改善沉积层内部的力学性能。(2)基体成分差异对316L沉积层外观质量及结合区形貌产生很大影响,并且沉积层内部产生不同程度的缺陷;沉积层内部组织生长状态存在很大差别;基材成分会影响到沉积层元素的扩散,致使Fe、Cr、Mn、Ni等主要元素分布明显不同。由于沉积层内部元素含量的不同,使得内部生成不同的化合物,最终导致硬度差别达到65%,结合区附近元素的扩散受影响,也使得热影响区及结合区硬度差别很大。(3)基体与激光束空间相对位姿会对沉积质量产生影响,激光束竖直向下沉积:基体倾角小于30度时,沉积层外观质量同倾角增大而上升,熔宽持续增大,熔高、熔深逐渐减小,稀释率增大,并超过60%;倾角过大时,重力及粉末束作用力共同作用,使外观质量下降。激光束相对基体面垂直:小角度倾斜时,沉积层宏观形貌较好,截面质量可控;此状态下,熔池仅受重力作用,并且光斑能量分布均匀,最终得到沉积层质量更好。两种激光束位姿状态:小角度沉积时,可选工艺过程比较简单的激光束竖直向下沉积;对于沉积层质量要求较高,高精度沉积修复,应采用激光束垂直基体面的位姿。
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