激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验

华南理工大学硕士学位论文激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验姓名：黄勇申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：杨永强;戚文军20041125第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造确定喷嘴芯与中间套的配合面直径Ｄ。

由于此段配合面对中间套而言起到定位作用，同时喷嘴芯与中间套在调整时需要轴向滑移，故取间隙配合，配合公差为Ｈ８／ｈ７。

此配合在极端情况二者存在０．０７ｍｍ的间隙，此间隙在喷嘴芯下端将会出现线性的成倍放大，导致喷嘴芯出现偏摆。

因此通过加大配合面的相对和绝对长度，可有效的减小问隙的放大效应，避免出现偏摆现象。

此配合同时必须保证其与外锥面的同心度。

上述即为喷嘴芯设计中的关键。

图２—８为喷嘴芯的设计图，图２—９为喷嘴芯的实物照片。

图２—８喷嘴芯的设计图Ｆｉｇ．２喝Ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｚｚｌｅｃｏｒｅ图２－９喷嘴芯照片Ｆｉｇ．２－９Ｐｈｏｔｏｏｆｎｏｚｚｌｅｃｏｒｅ１３第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造１外螺纹三处加工面要求严格保证同心。

中间套的照片见图２一１１。

２。

３。

３外套的设计图２－１１中间套照片Ｆｉｇ．２－１１Ｐｈｏｔｏｏｆｍｉｄ～ｆｅｒｒｕｌｅ外套的设计图见图２一１２。

外套的内腔与中间套一并构成了环型水冷通道。

在外套的上端对称的设置了两个由６通孔，用以钎焊进、出水管。

在保证水冷通道有足够宽度的前提下，外套的赢径尺寸应尽可能小，以减小喷嘴头部的尺寸，增加喷嘴使用的灵活性。

外套的制造材料选用黄铜。

外套照片见图２－１３。

华南理工大学Ｊ二程硕士学位论文图２～１２外套设计图Ｆｉｇ．２－１２Ｄｅｓｉｇｎｏｆｏｕｔ—ｆｅｒｒｕｌｅ图２—１３外套照片Ｆｉｇ．２－１３Ｐｈｏｔｏｏｆｏｕｔ—ｆｅｒｒｕｌｅ１６华南理１＝大学工程硕士学位论文图２－１５保护镜片模块照片Ｆｉｇ．２－１５Ｐｈｏｔｏｏｆｍｏｄｕｌｅｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒ２．３．６过渡套的设计过渡套在功能上被赋予了连接和调节二重功能。

其设计图见图２一１６。

在其上部，内孔安装有保护镜片模块，外圆为与调节螺母Ａ相连的外螺纹，实现与离焦量调节模块相连并可调节离焦量。

在其下部内孔为与喷嘴芯相连的内螺纹，外圆的台阶结构与喷嘴芯、调节螺母Ｂ、中间套一起构成了送粉间隙调节模块。

设计上首先要保证上部Ｍ７２Ｘｌ外螺纹与下部Ｍ３３Ｘ０．７５内螺纹同心，这对保证粉末聚焦点与激光束焦点的重合至关重要。

其次是过渡套下端面与上部Ｍ７２Ｘ１外螺纹的垂直度要求，这保证了在装配时喷嘴芯的轴线与光轴以及中间套轴线平行，避免环型送粉通道出现间隙不均匀的问题。

第三是下端面凸缘高度的尺寸控制。

凸缘高度Ｈ、直径Ｄ与调节螺母的厚度、内孔直径应形成一定的间隙，允许调节螺母旋转，但此间隙不能过大，以免影响粉末聚焦点与激光束焦点的重合。

最后是过渡套总长度尺寸的控制。

在基座套、调节螺母、中问套、喷嘴芯及外套的长度尺寸已确定的情况下，喷嘴的总长必须通过调整过渡套的长度保证。

通过调整过渡套的长度，使喷嘴的总长满足聚焦镜片焦距１２５ｍｍ的使用条件。

第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造过渡套的材料选用ＩＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢。

过渡套的照片见图２一ｉ７。

匝Ｉ五ｊ三固图２—１６过渡套设计图Ｆｉｇ．２－１６Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｅｒｒｕｌｅ图２—１７过渡套照片Ｆｉｇ．２－１７Ｐｈｏｔｏｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｅｒｒｕｌｅ华南理工大学下程硕＋学位论文第三章实验设备、材料及方法３．１实验设备激光器选用ＪＴＬ一１ＧＸ一５００Ｂ型ＹＡＧ激光器，最大功率５００Ｗ。

图３—１为实验装置全景。

图３－１实验装置全景Ｆｉｇ．３－１Ｐａｎｏｒａｍａｐｈｏｔｏｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ送粉装置选用ＤＰＳＦ一２型双筒送粉器，如图３—２所示。

粉末储存在该送粉器的贮粉筒中，并与载粉盘相连通。

使用时载粉盘匀速转动，导出粉末。

导出的粉末在送粉气体吹送下从出粉口喷出。

通过对载粉盘转速进行无级调速，可实现对送粉速率的无级调控。

此双筒送粉器的两个载粉盘可单独工作，亦可同时送粉。

其中左侧的贮粉筒设有搅拌电机，在进行两种或多种粉末混合熔覆时，能够将不同粒度、密度的粉末搅拌均匀，从而提高熔覆质量。

第三章实验设备、材料及方法图３－２送粉器Ｆｉｇ．３－２ｐｏｗｅｒｓｅｎｄｅｒ由于送粉器是通过对载粉盘转速的调节实现对送粉速率进行无级调控的，因此实验前必须确定载粉盘转速与送粉速率的相对关系。

对相同时间内不同转速Ｆ实际的送粉量进行称重，可得到该送粉器在单筒送粉的条件下，载粉盘转速与送粉速率的相对关系如图３—３。

图３哆载粉盘转速与送吩速率Ｆｉｇ．３－３Ｒｏｔａｔｅｓｐｅｅｄｏｆｐｏｗｄｅｒｃａｒｒｉｅｒａｎｄｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｓｐｅｅｄ华南理工大学工程硕士学位论文第四章实验结果与讨论４．１粉末聚焦效果图４—１、４－２为粉末在送粉气体吹送作用下，在喷嘴下方汇聚的清晰照片。

此时未发射激光束，送粉量为１５９／ｍｉｎ。

由图４－１所示照片可以看出，粉末通过３个切向送粉口后，出粉均匀，在喷出时无偏聚的现象。

证明了以下两点：１．所设计的分料阀能够将一路粉末均匀地分成三路，并传送到喷嘴上。

２．三个切向入送粉口的设计方案可使粉末沿喷嘴的内腔中形成环形气旋，并充分混合达到均匀化，最后以空心锥体的形式喷出，汇聚于一点。

证明分料阀及切向入送粉口的设计方案已达到预期的效果。

图４－１粉末汇聚效果Ｆｉｇ．４—１Ｐｈｏｔｏｏｆｅｆｆｅｃｔｏｆｆｏｃｕｓｅｄｐｏｗｄｅｒ根据图４—２所示粉末汇聚的照片进行实测，并按比例换算，得到如图４—３所示的结果。

粉末汇聚于距喷嘴下缘１４．５ｍｍ处，汇聚点直径约为１．８９ｍｍ。

而在本论文第四章实验结果与讨论２．２．２节中，所给定的基本设计参数为粉末汇聚点距喷嘴下缘距离为１５ｍｍ，粉末汇聚点的直径设定为巾２ｍｍ。

实验结果与设计参数能够较好的吻合。

图４－２粉末汇聚特写Ｆｉｇ．４—２Ｆｅａｔｕｒｅｏｆｆｏｃｕｓｅｄｐｏｗｄｅｒ图４－３粉末汇聚示意图４－３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｆｏｃｕｓｅｄｐｏｗｄｅｒ华南理Ｔ大学工程硕士学位论文在进行熔覆时，连续熔覆６件试样共约４００ｍｍ长的熔覆层后，以手触摸喷嘴头部，未感觉到喷嘴有明显的升温，冷却效果满足激光熔覆的要求，证明了此喷嘴冷却通道的设计合理，能够满足激光熔覆的实际工况条件。

利用此喷嘴进行激光熔覆实验，得到的熔覆试样外观如图４—４所示。

可见熔覆层外观尺寸均匀，表面质量也令人满意。

图４—４熔覆试样外观Ｆｉｇ．４－４ａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｓａｍｐｌｅ以上几点证明了该喷嘴的设计及制造已达到预期的要求。

４．２激光熔覆层的组织形貌图４－５为１号试样剖面的低倍金相组织形貌。

由表到里（自上而下）可以分为三个区域：熔化区、结合区、基材热影响区。

有文献指出”１，结合区以下为基材热影响区，主要由马氏体组成，这是因为熔池底部的基体温度高于临界点Ａｃ３，当激光束移动后，依靠基体的传热发生淬火得到马氏体组织。

随着离开结合区的距离增加，加热温度不断降低，由相变区、部分相变区最后过渡到基体组织。

第四章实验结果与讨论图４－５ｉ号试样熔覆层金相照片（×５０）Ｆｉｇ．４－５Ｍｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｓａｍｐｌｅＮ０１（×５０）图４—６为１号样熔覆层剖面２００倍金相组织形貌。

可以看出合金熔覆层分为两个区，靠近结合区的涂层下部组织以胞状枝晶生长，而熔覆层中上部组织是以树枝状枝晶生长。

熔覆层中不规则的分布着团状黑斑。

熔覆层的结晶受熔池液相成分和结晶方向上的温度梯度Ｇ和凝固速度Ｒ２＿比的影晌。

在成分相对稳定的情况下，Ｇ／Ｒ决定凝固组织生长形态的类型。

在熔池底部，由于基体的传热作用，熔池与结合区一侧存在较大的正温度梯度，雨凝固速度很小，凝固组织以胞状晶生长：而在熔池中上部，随Ｒ的增大和Ｇ／Ｒ减小，形成了树枝状的晶体生长形态”３。

有文献指出，熔覆层的显微结构主要决定于温度梯度Ｇ、凝固速度Ｒ和冷却速率Ｔ等参数。

Ｃ／Ｒ的比值决定了凝固的显微组织特征。

而Ｇ和Ｒ的乘积则决定了显微结构的尺度。

因此，当Ｃ／Ｒ的比值增大时，凝固特征就由纯粹的树枝状长大改变为胞状枝晶及平面前缘生长。

当Ｇ和Ｒ的乘积增大时，或冷却速度增大时，因为Ｔ：ＧＲ，将使扩散路径更短和组织更细，界面速率很高时，即使在成分上偏离精确的共晶成分很大，也能反映共同生长的类共晶组织”１。

图４－７为１号样中存在的枝晶的形貌。

华南理上大学工程硕士学位论文图４－６１号试样金相照片（×２００）Ｆｉｇ．４－６Ｍｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓａｍｐｌｅＮｏｌ（×２００）图４—７１号试样枝晶的形貌（×５００）Ｆｉｇ．４－６ＤｅｎｔｒｉｔｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓａｍｐｌｅＮｏｌ（×５００）图４－８为１号样的枝晶及晶间的能谱曲线。

经过电子探针分别对其中枝晶及晶间进行成分分析，可定性地确定其所含元素的百分比。

分别见表４—１及表４—２。

华南理工大学Ｔ程硕士学位论文为提高熔覆层的耐磨性，添加一定量的碳化物可碌著提高熔覆层的耐磨性。

有文献指出，熔覆镍基高温合金＋３０％（体积比）ｗＣ，，得到的组织为：Ｙ基体上分布３—６Ｈｍ的质点（球形或短棒状），还有细小的片状共晶组织，共晶组织中存在Ｍ，：Ｃ型碳化物（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ）。

（Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ）。

，由于基体的稀释作用，下半区的Ｍ。

ｚｃ要比上半区多，由于ｗＣ颗粒在熔覆过程中存在着溶解和重新析出，使得第二二相质点呈现多种形态，如棒状、球状甚至片状共晶Ｍ．：ｃ的出现”３。

图４—９为用ＪＳＭ－５９ｉ０扫描电镜对团状黑斑所拍摄的３０００倍照片。

图４一ｌＯ为对其中白色相１及２处进行成分扫描的能谱蓝线。

这两处的面分析均出现了很高的峰值。

汪明了在低５００倍金相照片里，熔覆层中分布的团状黑斑很可能为未完全溶解的ｗｃ颗粒。

有文献指出，熔覆层中ｗｃ的形成有两种方式，一种是在激光熔覆时末完全熔化的部分，另一种是在冷却过程中从液相析出的，新生的ｗＣ可依附于未熔ｗＣ上生长，也可重新形核生长，但重新形核比较困难，它与液相中碳的相对量有关［ＩＤ］张庆茂等指出，ｗｃ颗粒在熔覆层中的分布并不均匀，主要集中分布在界面附近。

形成这一分布特征主要取决于碳化物颗粒进入熔池时的动量、碳化物颗粒与固液界面之间以及颗粒与颗粒之间的相互作用，熔池中的对流传质、微区的冷却速度和生长方向等…３。

图４－９１号样ＳＥＭ照片（ｘ３０００）Ｆｉｇ．４－９ＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓａｍｐｌｅＮｏｌ（×３０００）。