激光熔覆技术专利分析（精选7篇）
激光熔覆技术专利分析 篇1
0引言
激光打标技术是激光加工技术的重要组成部分, 在制造行业有着广泛的应用。随着计算机控制技术和激光技术的不断发展与创新,激光打标技术以精度高、速度快、非接触、污染少为特点,逐渐成为对金属、半导体、石英、陶瓷、塑料、橡胶、木材等多种材料打标的主要手段[1,2]。
在现代信息社会,专利信息对推动科技进步、促进工业发展起着重要作用。本文对我国的激光打标领域的专利申请进行了研究和分析,主要包括历年专利申请数量、专利类型、专利分类、技术来源国家、重点专利等内容,为激光打标领域的专利申请趋势和发展战略提供一些参考和依据。
1激光打标专利数据分析
本文通过对中国专利文摘数据库进行检索,共获取到1985年至今已公开的激光打标技术专利申请857件, 下面将以这些专利申请为基础进行分析。
1.1专利类型分析
我国专利法规定了发明、实用新型和外观设计三种专利类型。众所周知,发明的含金量最高,并且保护期限为二十年,但是其审查周期较长,授权比例较低。 实用新型和外观设计的保护期限均为十年,但是其审查周期较短,授权比例较高。由表1可见,我国激光打标技术的专利申请有29.3%为发明,57.2%为实用新型,13.5%为外观设计。申请人往往将一些技术含量较低的小改进申请实用新型或外观设计,以期更快获得专利权,但是这样不利于后期的技术保护和专利维权。
1.2历年申请量分析
从表2中可见,激光打标的专利申请在2000年以前一共仅有17件,从2000年开始,申请量呈增长趋势。从这组数据还可以看出,在2009年以前,激光打标技术还没有受到申请人的足够重视,每年的申请量均小于50件,但是,该领域的申请量自2009年开始迅速增长, 2009年为63件,2013年上涨到133件,2014年依然有大幅增长。目前,2014年的专利申请还没有全部公开,所以154件还不是2014年的最终申请量。这样的增长趋势表明激光打标技术在迅速发展,申请人不断投入研发力量到该领域中。
1.3技术来源国家分析
激光打标技术最早是从欧美以及日本等国发展起来,但是由统计数据看来,国内申请人占据了该领域总申请量的97%,而国外申请人只占据了3%。可见,中国的市场潜力还未对国外申请人形成足够的吸引力。但是,与国内申请人集中申请实用新型和外观设计专利不同,国外申请大多数都是发明专利,相对于申请的数量,国外申请人更重视申请的质量。目前,国内的研发者和申请人应当抓住国外资本尚未大举进入之际,缩小与国际领先水平的技术差距,做好专利布局,巩固自己的市场地位。
1.4专利分类情况
I P C是国际专 利分类 ( I n t e r n a t i o n a l P a t e n t Classification)的简称,是目前最常用的根据技术领域对专利进行划分的方法,我国的每个发明和实用新型专利申请都会有一个或多个IPC分类号。表4反映了我国的激光打标专利申请分布比较集中的IPC大组。其中, B41J表示选择性印刷机构,B23K表示用激光束加工, B41M表示印刷、复制、标记或拷贝工艺,G02B表示光学元件、系统或仪器,H01L表示半导体器件,B65B表示包装物件或物料的机械、装置或设备,B44B表示用于艺术制品的机器、设备或工具,H01S表示利用受激发射的器件。由表4可见,B41J比例最大,53.2%的申请被分入该组,其次为B23K,占据了22.9%,B41J和B23K是激光打标的基础技术,H01L、B65B和B44B代表了激光打标的应用领域,B41M、G02B和H01S代表了激光打标的关键技术。
1.5重点申请人情况
本文选取了五个有代表性的申请人,包括公司和高校,有的是国内激光打标行业的佼佼者,有的具有雄厚的技术研发能力。以下将从这些申请人的申请量,专利特点等方面进行分析。
1)大族激光科技股份有限公司
该公司在我国有1522件专利申请,其中包括115件激光打标的申请,最早的申请在2000年,最新的申请在2014年。这些申请的内容比较丰富,包括激光打标装置、打标控制系统、激光聚焦镜头、打标精度矫正方法、大幅面打标装置等等。已获得授权的发明专利有硬件装置,例如CN101439617B,请求保护一种激光打标机,其机身本体和工作头分开设置,两者之间用光纤予以连接,标记自由大,且可以对被加工物体实行多维度标记;也有操作方法,例如CN101823382B,请求保护一种对工件表面进行激光打标的方法,将原有的直上直下式的出光打标改为成一定角度的打标,实现包括上下面、侧面在内的所有区域内的工件表面同时打标,可有效去除接插件之类产品的镀金层。由此可见,该公司在激光打标机的研发上具有一定的技术优势。
2)格兰达技术(深圳)有限公司
该公司有25件激光打标的申请,最早的申请在2006年,最新的申请在2010年。其中有多项已获得授权的发明专利涉及IC料条的激光打标,例如CN100459035C, 请求保护一种全自动IC料条激光打标机,对多规格料条芯片进行逐一上料、检测、打标、再检测,并将每次检测到的不合格料条剔除出去,将打标合格的料条推送入下料箱。
3)北京工业大学
北京工业大学有7件激光打标的申请,最早的申请在1997年,最新的申请在2011年。例如已获得授权的发明专利CN102241201B,请求保护一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置和方法,打标时激光通过运动控制系统聚焦在透明材料与导热介质的接触面,介质吸收激光能量转化为热量传导给紧密接触的透明材料,使其在极短时间达到熔化点,从而脱离基材,实现刻痕。发明人陈继民等对金属材料和薄膜材料的打标技术有比较深入的研究[3,4]。
4)西北工业大学
西北工业大学有6件激光打标的专利申请,第一发明人均为何卫平,申请日都在2010年之后。这些申请主要集中在夹具,例如已获得授权的发明专利CN101804743B,请求保护一种激光标刻刀具编码时的可换位夹具,该夹具通过一次装夹就可以同时在刀具的柱面和端部平面两个不同工位下分别标刻明码和二维条码,针对同规格刀具只需一次对焦就可以完成该批刀具标刻。
5)华中科技大学
华中科技大学有4件激光打标的专利申请,大部分申请日在2000年以前。这些申请主要集中在激光器,特别是光学谐振腔,例如已获得授权的发明专利CN1025808C,要求保护一种用于激光打标机的激光谐振腔,能成倍提高打标面积而不需要增加光学系统和激光器的功率。
2激光打标技术研发方向与专利申请方向分析
2.1机器视觉技术
利用机器视觉技术,通过视觉传感器采集现场图像,并做分析和数据处理,之后引导机器进行正确的操作,能够实现自动对位、检测和调整,减少相关工序对人工的要求,采用机器视觉技术可以减少误差,提高打标质量,同时可以提高效率,实现自动化打标。
2.2光纤激光器技术
在光纤激光器出现以前,激光打标系统通常采用以CO2激光器为代表的气体激光器或者以Nd:YAG激光器为代表的钕玻璃激光器。而光纤激光器使得激光参数易于调整,并且其光功率和转换效率更高,体积更小,散热更方便,更适合作为激光打标系统的光源,具有很大的市场潜力。
虽然激光打标技术已经日趋成熟,但是还有很大的创新和改进的空间,申请人需要挖掘更深的技术发展方向,同时提高专利申请的撰写水平,才能获得更好的专利保护。
3结束语
本文统计了我国激光打标领域的专利申请数据,并进行了分析和梳理,从上面的分析可知,目前我国的激光打标专利申请仍在快速增长,说明该领域的竞争比较激烈。但这些申请以国内申请人为主,以实用新型专利为主,申请的技术含量还有待提高。本文还指出了机器视觉和光纤激光器等技术在激光打标领域的发展机会和方向。希望在未来该市场竞争逐渐激烈的情况下,对该我国在该领域技术的发展和研究成果的保护等方面提供有用的参考。
摘要：基于激光打标技术在我国的专利申请状况,统计了该领域自1985年至今的申请总量、专利类型、专利分类、技术来源国家、典型申请人以及专利申请方向等方面的数据,并进行了分析,以期为该领域的技术研发和专利申请提供一些有益的借鉴。
关键词：激光打标,专利分析
激光驱鸟专利技术现状分析 篇2
1 历年申请量分析
激光驱鸟技术相关专利申请数量随年份的变化情况如图1 所示。
由图1 可知, 国际上对于激光驱鸟装置的研究于20 世纪80 年代后期逐步开始, 在1987 年出现第一件相关专利的申请。在随后的27a间, 国际专利年申请量基本上呈增长趋势, 在2011—2014 年相关专利的国际申请数量已经达到72 件, 与1987 年相比增长了710% 。相比于激光驱鸟装置的国际专利申请, 中国大陆的专利申请在2005 年才开始出现, 这反映出中国对于该领域研究的滞后性。在2011—2014 年申请量发生跳跃性增长, 年均申请量达到14. 8 件, 相比于2003—2010 年的总申请量提高了555. 6% 。截至2015 年3 月31 日的公开数据, 有关激光驱鸟装置的国际专利申请共达到116 件, 中国大陆申请量达到68 件。由此可以看到, 随着人类对机场、电力设施等场所安全性要求的增强, 对不影响鸟类生存又能有效驱鸟的相关技术需求度的提高, 激光驱鸟装置的相关研究开始进入热点期。
2 专利申请区域及类别分析
有关激光驱鸟装置的所有国际专利申请中, 不同国家与地区的申请数量差别较大, 如图2所示。
从图2 可以看到, 中国明显是该项专利申请的大国, 其总申请量达到68 件, 比其他全部国际申请案件总量高出41. 7% 。除中国以外, 对激光驱鸟装置的专利申请都集中在发达国家和地区, 显然, 这一领域的研究与国家经济发展水平是有所关联的。
从专利类别上看, 在116 件相关国际专利申请中, 发明专利为65 件, 实用新型专利为51 件, 它们分别占到总申请量的56. 0% 和44. 0% 。其中, 大部分实用新型专利申请出现在中国, 占总量的84. 3% 。发明专利则主要集中在东亚地区, 中、日、韩、台等国 ( 地区) 的申请量占到全部发明专利的73. 8% 。由此可以看出, 尽管中国的科技研发实力迅速提高, 但在科技创造的深度创新能力比其他发达国家仍有进一步提升的空间。
3 申请人身份分析
对专利申请人的分析可以判断该领域相关研发能力的分布情况。主要申请人专利申请数量及排名、不同区域与团队 ( 个人) 专利申请量汇总如表1 和表2 所示。
由表1 和表2 可知, 中国对激光驱鸟装置相关专利的申请主要集中在14 个有关组织或个人中。其中, 国家电网公司申请量为12 件, 排名第一, 远高于其他申请人和组织。而其他申请人和组织的申请数量都小于8 件, 都集中在5 件以下。这表明中国国有企业在研发能力上拥有较强的实力。总体来看, 国际申请中以个人、科研单位和团体作为申请人的比例分别占到23. 3% 、20. 7% 和56. 0% ;而在中国的申请中, 三者比例则分别占到总申请数量的13. 3% 、20. 6% 和66. 2% 。由此可见, 对于激光驱鸟装置相关专利的申请主体都集中在科研单位和社会团体。这主要是因为激光驱鸟装置相关专利的设计难度、创新性要求较高, 需要有雄厚的资金、组织支撑以及较强的团队协作。所以, 将中国专利申请人分布特点与国际申请相比, 国际申请中的个人申请的百分比要比中国高出10. 0% , 这说明中国在激光驱鸟装置领域的研究更加依靠于科研单位与社会团体, 个人在其中所发挥的作用相对较小。
4从专利看中国激光驱鸟技术发展特点
4. 1 激光驱鸟技术基本原理
光是由原子处于激发状态时将能量以光子的形式发射出去形成的, 激光则是经过连续的受激辐射过程而被引诱 ( 激发) 出来的光子队列[6]。由于鸟眼中角膜和晶状体的会聚效应, 激光在视网膜上会聚的光斑直径很小, 产生的强度却足可以损伤视网膜, 对鸟眼实现刺激。江超等[5]根据高亮度激光束与飞鸟眼睛的相互作用机理, 研究了激光波长与激光对鸟眼刺激强度之间的关系以及激光驱鸟的有效性。由于激光波长、入射光辐射度和光的亮度是对鸟眼睛造成伤害和惊吓的主要因素, 因此, 目前激光驱鸟装置大多数基于这一原理进行设计, 采用高亮度激光束对鸟眼进行照射后所产生的强烈刺激作用, 惊吓飞鸟, 使鸟产生恐惧感而迅速离开保护区域[5]。
4. 2 激光驱鸟技术发展特点
2005 年中国的第一件有关激光驱鸟装置专利的申请CN2812589Y基于激光视觉驱鸟的原理, 设计了一种激光驱鸟灯。其特点在于驱鸟效果显著、驱赶区域较大、无噪音污染。随后, 该领域的专利研发数量明显加快, 专利研发的方向主要集中在以下三个方面。
1) 可控化。由于鸟类栖息地不平整, 而激光驱鸟装置的发射角度通常是固定的, 这就使激光驱鸟过程中存在许多盲区, 对驱鸟效果有所影响。因此, 部分专利申请对激光驱鸟装置进行了改进。专利CN10398831A中所设计的激光驱鸟器通过在发射器底部设置角度调节单元和水平传感器, 实现了对激光发射角度的自由调整, 减少了发射盲区。专利CN204032166U提供的激光驱鸟器则通过调节激光发射高度及角度, 增加了激光的照射范围, 提高了仪器的驱鸟效果。专利CN204120059U提供的激光器通过光纤控制激光发射管, 并可以控制激光筒做旋转运动的全方位式激光驱鸟器。 专利CN102812945A则发明了一种可在地面和空中同时通过振镜控制输出的全彩色激光器, 该设备一定程度上解决了现有激光驱鸟方式中激光颜色单一、扫描方式单一、无法阶梯式驱鸟的问题。总体上, 这些专利通过从空间角度和激光波长两方面可控性的调整, 使激光驱鸟装置的驱鸟效果得以大幅提升。
2) 自动化。现有的激光技术通常比较盲目, 仅依靠激光扫射或手持瞄准式激光枪进行驱鸟。这种方式人力成本较高, 瞄准精度低, 驱鸟效果差。因此, 专利CN202890328U设计了一种自动瞄准的多点激光驱鸟装置, 该设备可以在短时间内对多只鸟实现自动检测、跟踪和瞄准, 并利用低功率激光分时对多只鸟照射, 实现驱鸟目的。 专利CN202476328U则基于图像识别系统提供了一种自动化程度高、抗干扰能力强且成本低廉的机场激光驱鸟系统。专利CN204132233U设计了一种针对低空、低光条件的激光驱鸟器, 该装置可以全自动全天候运转, 驱鸟人员可通过摄像头远程监视鸟情, 远程设定激光扫描轨道参数, 变更激光扫描强度、速度和角度, 彻底解决鸟类易产生适应性的问题。专利CN204014870U提供了一种能够吸收太阳能并将其转化成电能予以储存, 并供电给激光发射的变电站智能激光驱鸟装置。专利CN104430293A则发明了一种自感应智能激光驱鸟装置, 该设备可通过智能识别技术探测输鸟类活动, 自动联动智能云台, 开启激光器驱赶鸟类。总体而言, 这些专利主要是减少人力投入, 提供设备的自动化能力, 提高激光扫描、驱鸟的精确度。
3) 多功能。一些发明人认识到目前市场中的驱鸟器方式单一, 在保留激光驱鸟本身优势的同时, 将其与其他驱鸟方式相结合, 设计出一些多功能驱鸟器, 试图提高驱鸟效果, 如专利204032167U提供了一种多功能变电站声光驱鸟器, 该装置采用发射激光和扬声器发声的方式从听觉、视觉两个角度同时控制的方法, 实现驱鸟目的。CN103651326A则设计了一种适用于高压输电线, 利用鸟类对超声波和激光敏感的方式来实现驱鸟的装置。
5 结论
通过上述分析与探讨, 得出了当下对驱鸟装置的需求及今后驱鸟装置的关注点。
1) 近年, 专利申请数量的变化趋势表明, 国际有关激光驱鸟技术的研究正在进入热点期, 随着交通、输电等基础设施的进一步兴建, 对该领域相关设备的市场需求将会增加, 势必创造出更有效的激光驱鸟装置。
2) 激光驱鸟技术领域专利研发的关注点主要在其可控性、自动化和多功能性上, 而这三个方面必将是未来值得继续改进、实现技术突破的重点。
3) 在中国建设创新型国家的过程中, 要继续发挥中国各种科研单位、社会组织大而强的集体优势, 促进团队协作, 保持这些团体在该领域专利申请数量的优势; 要鼓励个人创新, 增强全社会的创新氛围, 提高个人激光驱鸟技术专利申请的数量。
摘要：为了消除鸟类在机场、输电设备造成的安全隐患和损失, 笔者基于2015年3月前已公开的激光驱鸟技术相关专利, 从专利申请量、地域分布、专利类型、申请人和技术发展特点等角度, 对国内外该领域研究的总体状况予以分析。分析结果表明, 激光驱鸟技术的研究正在进入热点期, 其关注点主要在设备的可控性、自动化和多功能上。
关键词：激光驱鸟,专利申请,现状分析
参考文献
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激光熔覆技术专利分析 篇3
激光熔覆3D打印 (即激光熔覆成型) 技术不用模具, 用CAD软件制作一个零件模型, 电脑编程后用成束的激光扫描于工件上, 使工件上的金属粉末熔化、一层一层融合在一起并堆积, 最终形成一个致密的金属零件 (见图1) 。这种技术能一步成型金属零件, 而经智能化过程控制后成型的致密金属零件是近净形的, 几乎不用后续加工, 真正实现快速、熔覆3D打印金属零件。它提供的原型零件既能作为产品开发、设计用的概念、性能检测样品, 又能直接作为功能零件使用。激光熔覆成型技术能使产品的开发至投入市场的时间极大地减少, 并且使产品开发成本极大地降低, 尤其能使产品的制造更快速、柔性、个性化、多样化, 在新产品开发和单件小批量生产中具有无可比拟的优势, 便于实现网络制造, 也适合经济全球化的趋势, 在新型汽车制造、医疗、仪表等民用领域能更高效地制造高精尖零件, 在航天、军工领域能更好地制造高性能特种零件, 特别是能制造以往极难加工的梯度功能材料、超硬材料, 还能快速制造金属间化合物材料零件, 所以此项技术应用前景广阔。
目前激光熔覆3D打印出的零件还有些缺点, 比如质量稳定性较差, 达不到用户要求的精度和粗糙度, 要对零件进一步加工才行, 所以这种技术的局限性导致它没能更好地应用于生产中。零件质量稳定性较差的原因有:在制作零件的过程中, 一些工艺参数会波动, 结果在零件某些地方形成的熔覆带的形状和大小不符合预期;当熔覆进行时还会扩大已形成的缺陷, 使突起的地方更突, 陷下的地方更陷, 厚的地方更厚, 薄的地方更薄 (见第76页图2) 。这样零件粗糙度和精度均不符合预期, 最严重的是导致零件不能成型。
由于激光熔覆3D打印过程中的熔覆状态与工艺参数之间关系复杂, 影响因素众多, 不能找到精确的数学模型, 而传统控制方法依赖于精确的数学模型, 因而难以发挥作用。目前激光熔覆3D打印的过程控制系统的研究还没有大的突破, 控制效果还不好, 制约了这种技术的发展。
智能控制系统无需精确的数学模型, 把智能技术融合于激光熔覆3D打印工艺中, 对熔覆3D打印过程进行在线的实时智能化诊断与控制, 提高和稳定制件质量, 真正实现致密金属零件的快速、熔覆3D打印。因此该项目具有十分重要的意义。
2 3D打印智能化控制技术国内外研究现状
目前国内外尚无系统的智能化激光熔覆3D打印金属零件技术, 也没有把智能技术融合于激光熔覆3D打印技术中的文献报道案例。下面介绍激光熔覆3D打印技术及其控制技术的国内外研究现状与发展趋势。
1979年美国联合技术研究中心 (UTC) 利用高能束沉积多层金属制作出大体积的金属零件, 首创了激光直接快速制造金属零件的技术。20世纪90年代中期, UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了激光工程化净成形技术, Aero Met公司研究开发了Lasform (Laser Forming) 技术, 美国Los Alamos国家实验室开发了“直接光学制造”技术, 美国密歇根大学研究开发了直接金属沉积技术, 美国Stanford University和Carnegie Mellon University合作开发了形状沉积制造技术。这些技术实质上都是激光熔覆3D打印技术, 只不过称谓不同而已。并且此激光技术已经在航空、国防等领域有了一些应用, 例如, Aero Met公司成型的钛合金构件已经用在实际飞机上。相比国外而言, 国内的研究起步较晚, 西北工业大学、清华大学、北京有色金属研究总院、北京航空航天大学、华中科技大学、湖南大学等单位曾有过一些研究。
针对制件质量问题, 有两种措施可以采用, 一种是闭环控制系统 (见图3) , 一种是激光熔覆与铣 (磨) 削组合系统。美国桑地亚国家实验室根据激光三角测量原理实时检测未熔覆点和熔池附近已熔覆点的高度差, 计算出单层熔覆的厚度, 用反馈回来的层厚信息来控制激光的扫描速度或功率, 从而保持单层熔覆厚度与设定值相等且维持不变;美国Los Alamos国家实验室能够控制激光扫描速度和功率, 从而控制单层熔覆厚度在0.3~2.5 mm之间, 且控制成型零件的表面粗糙度约10μm, 精度在±0.12 mm内;美国密歇根大学DMD技术能实时反馈控制熔覆层高度、化学成分和显微组织;E Fearon等提出调节粉末流几何形状控制熔覆带高度。国内清华大学宁国庆等对熔覆层高度进行实时监测, 检测出凹凸点, 调节粉末输送量, 控制制件质量。长沙嘉程机械制造有限公司刘继常等提出了实时运动控制的方法。激光熔覆与铣 (磨) 削组合系统的例子有:美国Missouri Rolla大学开发了一套五轴混合PR系统, 其采用的激光辅助制造工艺吸收了沉积—去除制造技术;德国弗朗和夫生产技术研究所应用材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术。总的来看, 激光熔覆3D打印零件质量控制的研究目前主要集中在实时监测系统和反馈控制技术方面, 虽然在一定程度上提高了制件质量, 但是还存在控制精度不高和控制滞后的问题, 而激光熔覆与铣 (磨) 削组合工艺实际上削减了激光熔覆3D打印技术的优越性。
光电子技术和软件设计的发展提高了检测与控制数据的精度和速度, 加快了信息传输速度, 因此激光熔覆3D打印系统硬件越来越完善, 提高了过程控制的精度, 减小了控制滞后的程度。而且控制理论类学科的发展使激光熔覆3D打印过程的控制方法和手段进行了改头换面的革新。
3 3D打印智能化控制技术拟解决的关键问题
1) 设计系统结构。
2) 建立一个便于过程智能控制中快速计算的近似预算模型。
3) 确定用于智能控制的专家系统数据库 (知识库和综合数据库等) 的结构及其数据 (包括知识和定义模型的数据) 管理和更新的规则、方法。
4) 设计过程诊断与控制的算法, 即计算机如何判定过程中实时熔覆状态是否达到预期要求和如何根据熔覆状态与工艺参数间的复杂关系调节工艺参数实现控制目标的方法。
5) 确定检测方法, 即如何从不规则的熔覆层表面实时检测到诊断与控制所需的即将熔覆前后的状态特征量的方法。
4 该项目的创新之处
1) 首次提出应用智能技术解决激光熔覆3D打印金属零件中的问题。
2) 采用近似模型计算与知识运用相结合的方法提供工艺参数的控制值, 即所谓的“中西医结合疗法”。
3) 专家系统是“自学型”的, “专家”是系统本身。
4) 近似模型可在制造过程中在线修正, 基本上是在线进行知识补充与更新, 数据库的数据源由实时检测到的工艺参数值、熔覆状态数据组成, 与一般的主要在过程结束后收集数据不同。
5 结束语
激光熔覆技术专利分析 篇4
2010年3月, 某钢厂的一离心式空压机在运行中振动增大, 停车后, 检修人员发现有异物进入旋转叶轮中, 与叶轮碰撞, 导致整个叶轮出气边叶片受损, 使机组无法继续运行。
该离心空压机的设计流量为60m3/min, 介质为空气, 转数为4 950r/min, 转子材料为17-4PH不锈钢, 工作温度200℃, 该叶轮为第三级叶轮。
由于离心式空压机转速高, 因此若仍采用传统的叶片磨损修复措施, 则难以满足工作要求。而且传统的修复手段存在修理周期长、成本高及材料性能变化大等缺陷。通过调研, 拟采用激光熔覆堆焊方式进行修复。激光熔覆技术是用激光束将已制备的合金粉末涂层熔化, 成为熔覆层的主体合金, 同时基体金属有一薄层熔化, 与之构成冶金结合的一种表面处理技术。
一、试验与结果
1.试验方法
选用与叶片材质成分非常相近的激光熔覆粉末, 材料成分见表1。使用激光熔覆方法堆焊成图1形状的试验样板, 并按国家标准制作各种测试试样。
%
使用HXS-1000A和SANSCMTS-305进行硬度和拉伸性能测试, 使用OLYMPUS BX51M进行显微组织观察。
2.试验结果
(1) 显微组织
激光熔覆的金相组织致密、无缺陷。焊材与基体结合良好且热影响区非常小。
(2) 力学性能
从图2基体与激光熔覆区域硬度对比图, 可以看出激光熔覆部位、熔覆热影响区的硬度与基体基本相同。
从图2基体与激光熔覆区域拉伸性能对比图, 经拉伸试验发现, 其性能与基体性能基本相同, 更为重要的是断裂在基体上, 不在焊缝和热影响区。
(3) 试验结果分析
激光熔覆技术有着传统焊接技术无法比拟的优越性, 由于激光不仅具有近似绝热的快速加热熔化过程, 而且具有非常快速的冷却过程, 类似于快速淬火, 使晶粒组织细化、化学元素成分分布均匀, 从而使堆焊部位获得非常好的性能。
此外, 通过工艺优化控制激光的输入能量, 可以将基体材料的稀释降到较低的程度。
因此, 从上述分析可以看出, 激光熔覆后热影响区、激光熔覆区域的HV、σb、σ0.2保持优良的性能, 基本与基体保持一致。
二、激光熔覆的施工工艺
针对风机叶轮的损坏情况, 基于上述的试验结果, 决定采用激光熔覆技术进行修复。施工工艺流程图如图4所示。
1.检测、清洗
叶轮出气边的八个叶片均有不同程度的缺损, 其中最大缺损面的长约35mm、宽约30mm、叶片厚2mm。对工件表面进行清污除锈处理, 检测外形尺寸等, 并进行无损探伤。
2.原型线测量
选择相对完整的叶轮型线进行测量, 并与在新转子上采取的型线样板和测量的原始数据进行对比。最终确认叶轮型线样板。叶轮型线对压缩机的性能有重大影响, 决定了压缩机的性能好坏。
3.叶轮表面预处理
叶轮本体表面腐蚀疲劳层、型面及端面磨损和损伤部分进行清理打磨处理, 主要去除表面的氧化层。全面无损探伤检查及熔覆前的表面洁净处理。
4.激光熔覆专用材料配置
由于叶轮对硬度、耐磨性要求较高, 经分析比较, 采用高强度不锈钢金属粉料作为激光熔覆金属的粉料。该合金粉料与叶轮原材料相比, 不仅具有有自我脱氧和造渣的性能, 而且具有优异的耐蚀和耐磨性, 熔覆后具有满足工件使用要求的机械性能, 与基体材料有较好的结合强度和理想的金相组织。
5.激光熔覆工艺参数确定及熔覆加工
根据上述确定的叶轮待加工尺寸、专用的激光熔覆金属粉料, 制定熔覆工艺参数。每层熔覆厚度为0.6mm, 扫描速度12mm/s, 熔覆到要求尺寸并留有足够的后续机械加工余量。
6.机加工
对照已绘制好的叶轮型线样板, 对叶轮表面进行磨削加工, 保证叶轮外形恢复到其原来的设计尺寸。在此过程中还需要进行多次着色探伤, 对此过程中发现的裂纹进行打磨和再熔覆处理。最终对处理好的叶轮进行精修, 确保其修复后尺寸精度。
7.叶轮检测
叶轮加工完成后, 再次对转子进行几何尺寸、形位公差、无损探伤检测。在型面检测完成后对叶轮表面进行抛光处理。
8.低速动平衡
进行低速动平衡试验, 保证叶轮重新校验到标准动平衡精度G2.5级。试验过程中要注意部件的润滑, 防止旋转摩擦部位磨损, 影响动平衡试验精度。
三、应用效果
激光熔覆技术专利分析 篇5
轧辊是轧钢工业中经常耗用的工具,作为轧钢机的直接工作部件,其质量的好坏直接关系到轧板的质量和产量。轧辊失效形式主要有剥落、断裂、裂纹等,任何一种失效形式都会直接导致轧辊使用寿命的缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式,找出延长轧辊使用寿命的有效途径。本文利用激光强化技术对轧辊表面进行熔覆实验,分析了基体层、过渡层和熔覆层的显微硬度以及所出现的裂纹等缺陷,寻求提高轧辊类零件表面性能更有效、更经济、更方便的新方法、新工艺。
1 激光熔覆实验
1.1 实验材料
实验在DL-HL-T5000型高功率横流CO2激光器上进行。选择轧辊作为实验的基材,其成分见表1,选择的铁基自熔性合金粉末为Fe250,其成分与硬度见表2。
1.2 实验步骤
(1)实验基体材料为轧辊,试样尺寸为高12mm的正三棱柱。实验前将待涂敷面用砂纸打磨(表面粗糙度Ra=0.8 μm),并用丙酮清洗干净吹干。
(2)将试样放在机床的工作台上夹紧,调节激光功率、扫描速度、送粉速度,采用预置法进行粉末的输送,用激光器进行激光熔覆处理,处理时用氩气保护。
(3)实验结束后,将熔覆好的试样沿横截面经线切开,先粗磨、精磨再用金相砂纸从粗至细抛光,然后用金刚石研磨膏抛光,经质量分数为5%的硝酸酒精溶液腐蚀后,在L2003A高倍金相显微镜上观察金相组织形态和成分的变化,在HVS-1000数显显微硬度计上测量熔覆层表面及沿径向深度方向的硬度值,用高倍显微镜观测熔覆层表面状况。
2 实验分析
2.1 裂纹分析
激光熔覆技术在国内尚未实现产业化的原因是多方面的,其覆层质量的不稳定是最主要的原因,覆层缺陷主要是裂纹,其次是气孔、成分不匀等。本文结合实验研究过程对激光熔覆层的开裂现象从以下几个方面进行分析探讨,为激光覆层质量的控制提供参考依据。
轧辊表面熔覆Fe250粉末实验结束后,对熔覆层表面进行清洗并观察表面,发现熔覆层表面的成形情况不太好,四道单层和光斑直径分别为Φ2 mm和Φ4 mm的熔覆层出现比较细的裂纹,而五道三层熔覆存在贯穿了整个熔覆层的粗大宏观裂纹(见图1),该裂纹呈现较深的氧化色,外形曲折(见图2)。分析产生这种裂纹的原因如下:
(1)与选用的基体材料的形状和熔覆层厚度有关。如果基体材料形状复杂、厚度不均,就会在较薄的型腔区域产生裂纹。本实验所选的基体材料为12 mm的正三棱柱,与产生裂纹的关系较小。实验中熔覆的层数为3层,厚度较大,容易产生裂纹。这是因为在Fe250自熔性粉末中,含有较多的脱氧元素,如C、B、Si,这些元素在高温下易与基体材料中的元素发生氧化还原反应,从而形成熔点低、流动性好的熔渣。这些熔渣比重较轻,在第一层熔覆过后,会覆盖在熔覆层表面,熔覆第二层时,熔覆层中就含有杂质,随着熔覆层数目的增加,杂质也相应增多,就成为了主要的裂纹源。由于Ni、Co元素能降低熔覆层开裂的敏感性,所以适量减少合金粉末中C、B、Si元素,增加Ni、Co元素,减少熔覆层数,可预防裂纹的产生。
(2)与温度环境有关。激光熔覆是种表面改性技术,它通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基体表面形成冶金结合的熔覆层,使整个零件获得较高的综合性能,从而达到修复的目的。但由于激光熔覆是快速加热和冷却的过程,使得熔覆层内存在很大的拉应力,当局部应力超过材料的强度极限时就会产生裂纹。在进行本次实验前对基体材料没有经过预热处理,也是产生裂纹的原因之一。因为预热可以抑制马氏体发生相变,降低温度梯度,从而减小基体层和熔覆层的残余应力。除此之外,在实验过程中采用惰性气体保护熔池,可防止大量气体进入。若没有惰性气体保护,在快速冷却时,大量湿气来不及逃逸熔覆层表面,从而形成气孔,会产生裂纹。此外通过加大功率,减慢扫描速度,延长熔池寿命,增大能量输入,也可减小裂纹的产生。
(3)材料的原始状态和原始组织对激光熔覆处理有着很重要的影响。在结构钢中,铸态、锻造状态、焊接状态、热轧状态和冷轧状态的材料中,如果组织疏松,会使激光熔覆后在表面产生裂纹,还会使表面的硬度降低。因为激光相变硬化在处理过程中是急热急冷的,如果原始组织疏松,在处理时组织的变化很大,所以很容易导致裂纹的产生。图3为Fe250熔覆层内的组织疏松。
(4)在进行激光熔覆表面强化实验过程中,由于熔覆层合金的膨胀系数与基体金属不一致,膨胀系数过大,降低了熔覆层材料自身的塑变能力,从而增大了其内部的残余拉应力。当这些残余拉应力超过了当时温度下材料的抗拉极限强度时,就会产生裂纹。所以选择熔覆层与基材的线膨胀系数应尽可能接近,以减小熔覆层开裂的敏感性。
2.2 显微硬度分析
本次实验对显微硬度的测试采用HVS-1000数显显微硬度计,力施加方法为自动加卸试验力2 N,测量显微镜放大倍率为100(观察时)和400(测量时),试验力时间为5 s,微压痕最小分辨率为0.625 μm ,试件允许最大高度为65 mm,压头中心到机身距离为85 mm。
激光功率高,加热速度极快,使金属基体与合金粉末材料瞬时熔化,元素来不及氧化烧损,随后激光束快速移动使金属自冷,同时熔池与基体金属间有元素的扩散,使得硬度分布具有一定的梯度。
激光熔覆Fe250粉末五道三层,功率3.5 kW、光斑直径Φ4 mm、扫描速度500 mm/min,得到的从熔覆层顶部到基体材料的显微硬度变化曲线见图4。显微硬度测量方法是从熔覆层的顶部开始,在同一水平线上(以0.3 mm为间隔)测量显微硬度值,显微硬度的变化也分为3个区域:熔覆层、热影响区和基体。熔覆层的厚度大约在1.8 mm左右,从熔覆层表层到结合界面,熔覆层的显微硬度变化不大,基本保持在HV460左右,与熔覆层显微组织的变化规律是对应的。这就说明了熔覆层的组织比较均匀,而过渡层的显微硬度比熔覆层的显微硬度要大,基本保持在HV500左右,因为过渡层的组织大多数为针状或者是柱状的马氏体,所以硬度和熔覆层的显微硬度相比较大。但是从过渡层过渡到基体层时,显微硬度发生了很大的转折,显微硬度达到了HV686,几乎是熔覆层的1.5倍,还有就是基体层的显微硬度又是很不均匀的,说明了基体层含有的组织比较复杂,主要组织为珠光体+贝氏体+马氏体+碳化物,因此影响着基体层的强度、硬度以及韧性,所以基体层的显微硬度呈现出不均匀性。
3 总结
本文以实际生产为目的,用铁基合金粉末在轧辊表面进行激光熔覆修复的实验数据进行研究,重点分析了熔覆层裂纹、组织疏松以及显微硬度。研究结果对在大面积和熔覆较厚合金层的激光熔覆修复中如何去得到符合要求的基体热影响区,对选用的激光参数和加工工艺对合金粉末的利用率、熔覆层和基体的冶金结合质量及熔覆过程中基体组织的影响等将有很大的帮助。
摘要：利用铁基粉末激光(窄带)熔覆轧辊的实验数据,对实验中显微硬度与所出现的裂纹进行分析研究,寻求提高轧辊类零件表面性能的更有效、更经济、更方便的新方法和新工艺。
关键词：激光熔覆,裂纹分析,铁基合金,显微硬度
参考文献
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[2]周笑薇,王小珍.激光熔覆技术在工业中的应用[J].中州大学学报,2005,22(4):110-111.
[3]赵海欧,李春华.激光熔覆工艺特性及裂纹敏感性研究[J].金属热处理,2001(1):18-21.
激光熔覆技术专利分析 篇6
关键词：半导体激光器,产业发展,专利技术
科学技术的进步推动了社会的发展, 当今时代的特征是电子信息时代向光子信息时代的衔接与过渡, 人们将迎接全新的“光子时代”的到来。诞生于20世纪60年代的激光器, 一开始就是光子技术起步和发展的关键基础, 经过数十年快速发展和广泛应用, 已经成为光电子领域的核心技术。特别是半导体激光器, 得益于其能耗低、体积小、寿命长、易于调制、成本低廉的特点, 已经广泛应用到通讯、精密加工、医疗设备等产业中。各国都将半导体激光器列为重点发展的前沿技术, 给予高度重视。
我国的半导体激光器技术早期与国外发展同步, 但是长期受制于产业发展滞后的影响, 一直徘徊在科学研究的范畴。直到新世纪, 随着我国经济的快速发展和产业的进步, 作为高新技术产业的半导体激光器行业也得到了巨大提升。那么我国半导体激光器产业到底发展到什么程度, 或者说如何定位我国半导体激光器产业的发展阶段呢?我们有必要对我国半导体激光器产业的技术现状作出分析。
随着市场经济的发展和成熟, 我国建立了完备的专利制度, 专利的状况现在已经能够在一定程度上反映技术的发展水平, 这就提供了一种技术研究或者经济研究的方法:专利分析方法。通过对专利状况的分析, 我们可以确定一个企业、一个单位的技术实力, 也可以了解国家和地区产业的技术发展状况。基于此, 本文将从专利分析的角度, 尝试对我国半导体激光器产业的技术现状作一些梳理。
一、专利数据的获取
本文所用数据, 来自中国专利文献检索系统CNABS数据库, 检索时间范围1990年1月1日至2013年8月30日, 获得涉及半导体激光器的专利申请达10, 939件, 授权专利6, 689件, 有效专利5, 101件, 其中, 国内申请4, 976件, 授权专利3, 146件, 有效专利2, 101件;国外来华申请5, 963件, 授权专利3, 543件, 有效专利3, 000件。本文在这一数据基础上从发展趋势、国内地区分布、主要专利申请人分析、重点技术分支专利申请人分析等角度对半导体激光器的专利进行分析。
二、专利分析
(一) 专利申请发展趋势。
首先我们来关注专利申请数据的总体趋势。图1显示了半导体激光器的中国专利申请总量以及国内申请人与国外来华申请人申请总量随年代变化的趋势。
在半导体激光器技术分支领域中, 从1990年到1999年间, 中国专利申请量处于萌芽阶段, 国内申请量很少, 增长缓慢, 国外来华申请从1993年开始稳步增长, 进入发展阶段。
从2000年开始, 国内申请和国外来华申请都进入了快速增长期, 其中国内申请量一直保持快速的增长 (考虑到专利公开延迟性的影响, 2012~2013年的数据不作参考) , 而国外来华申请由于全球金融危机的影响, 从2007年开始出现了申请量降低的情况, 并且到目前为止也没有反弹的趋势。
值得一提的是2009年, 统计的半导体激光器中国专利申请量, 国内申请人的总申请量首次超过了国外申请人。
(二) 国内区域分布状况。
截至目前, 国内共有30个省、直辖市、自治区拥有涉及半导体激光器的专利申请, 如图2所示, 我们对申请量前20名的省市作了排名。从图中可以看出, 中国内地半导体激光器申请量分布极不均衡, 北京以绝对优势占据首位, 上海、广东、江苏等东部经济发达地区申请量排名也相对靠前, 这表明强劲的科研实力和雄厚的经济实力是专利申请的保障。湖北、吉林、陕西三省的经济实力并不雄厚, 但是因为高校和研究院所的资源丰富, 也具有一定的竞争实力。
(三) 主要申请人分析。
下面我们看主要申请人的情况, 根据统计, 拥有半导体激光器的中国专利申请的专利申请人共计2, 588位。本文针对主要申请人的申请量进行分析。
图3展现了专利申请量前十名的申请人的份额, 前十的申请人的申请量之和占据总申请量的大约22%的比例, 说明半导体激光器技术分布比较分散, 没有垄断地位的申请人。中科院半导体所, 基于长期专业的研究工作和优秀的人才储备在申请量排名前十的申请人中占据首位。然而, 紧跟其后的是松下、索尼、半导体能源等6家日本公司, 除了上海光机所占据第9的位置, 与中科院半导体所略有呼应外, 排名前十位的申请人基本被日韩企业垄断。
再来看国内申请人的情况, 图4显示了在半导体激光器领域, 专利申请量排名前十的国内申请人的申请量占据总申请量的26%, 申请人分散。相对而言, 申请量较大的前5名依次是中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、北京工业大学以及浙江大学, 这些高校和科研院所一直处于我国半导体激光器研究方面的领先位置。前十名的国内申请人还包括了西安炬光和福州高意通讯两家企业, 说明企业的力量也已经开始显现。
(四) 重点技术分支专利申请人分析。
我们对半导体激光器技术进行分解, 并且找出近年来比较热点, 专利申请比较集中的重点技术分支进行分析, 看看更前沿的技术状况又该如何。
在半导体激光器的光学谐振腔方面, 垂直腔面发射型的激光器, 沿垂直于衬底方向发光, 具有谐振腔短、截面积小、发散角小、光束窄等优点, 将在光互连和光信息处理等方面得到重要应用, 但是制作工艺难度很大, 属于国内外研究和开发的重点。
在半导体激光器的激活介质方面, 含有量子阱的结构的激光器, 电流密度大幅降低、激光光束变窄、温度系数变小、相应速度提高, 属于划时代的技术革新, 也是国内外关注的重点所在。由此, 我们将垂直腔面发射型半导体激光器, 以及含有量子阱的半导体激光器, 作为两个重点技术分支, 进行分析。
从表1和表2所示的重点技术分支的申请人来看, 前十申请人只剩下一家中国申请人, 中科院半导体所, 一方面说明中科院半导体所在重点技术的研究上还是代表了国内的最高水准, 另一方面说明越是重点的技术领域, 国外申请人越是占据先机。
另外, 我们也可以看到, 前十名中的跨国公司已经不再属于日韩的天下, 欧洲的皇家飞利浦和奥斯兰姆奥普托半导体, 在具有垂直腔的半导体激光器领域占有重要地位, 而美国的加利福尼亚大学则在具有量子阱的半导体激光器方面具有实力。这说明了越是重点的技术领域, 越是受到更多技术强国的重视。
三、我国半导体激光器产业的技术现状梳理
(一) 技术研发保持快速发展势头。
经过二十年的起步和发展, 半导体激光器领域的国内专利申请人已经从专利申请总量上超过国外专利申请人, 并且持续增长的势头明显, 表明技术研发处于快速发展期。
(二) 技术发展的区域分布不均衡。
东部经济发达地区的专利申请量明显多于西部地区, 高校和科研院所集中的省市也具有相对多的专利申请量, 表明地区间的技术发展不平衡。
(三) 技术集中突破的情况没有出现。
半导体激光器领域的专利申请人相对分散, 尚未出现部分竞争者垄断技术的局面。并且由于集中度不高, 也没有出现技术集中突破的现象。
(四) 行业的技术来源主要是科研院所和高校。
国内专利申请人主要是高校、科研院所, 国内企业专利申请量小, 代表着产业主体的国内企业没能够走到技术前沿。
(五) 日本企业利用专利布局对我国半导体激光器产业形成压力。
日本企业在华的专利申请量较大, 并且形成组团布局的情况。日本在半导体激光器技术上具有世界范围的领先地位, 并且比其他国家更加注重在中国的专利布局。国内企业在技术发展上面临日本企业的巨大压力。
四、结语
激光熔覆技术专利分析 篇7
钛合金是20世纪50年代兴起的一种重要的结构金属, 具有强度高、耐蚀性好、耐热性高、生物相容性好等优点,已经在航空航天、化工、生物医学等方面得到应用［１，２］。由于成本及加工技术的限制,钛合金部件的强度、韧性、耐磨等性能达不到实际使用的要求。采用激光熔覆在钛合金表面制备符合使用性能的涂层,既可以改善耐磨性、耐高温等性能,又克服了原来钛合金加工工艺上的难题,实现了高性能材料的低成本制造［３，４］。熔覆层表面组织、性能与涂层材料和基体材料在冷却、凝固过程中发生的相变有关。关于激光熔覆的研究,主要侧重对熔覆层组织性能、熔覆工艺参数、特定材料的研究,然而对激光熔覆的理论模型、激光熔覆的机理研究较少［５］。本实验利用热力学相图计算软件Thermo-Calc对Cr-Ti-Al-V体系进行相图计算,利用动力学分析软件DIC- TRA对熔覆体系元素进行扩散模拟。在Ti6Al4V钛合金表面激光熔覆纯Cr金属粉末,对熔覆层显微组织、相的组成、元素分布、显微硬度及摩擦磨损性能进行研究。通过热力学相图及动力学扩散理论与试验相结合的方法,研究在激光熔覆过程中,熔覆层各元素扩散凝固的过程,揭示各增强相形成的规律。
1实验
实验使用的基体材料为Ti6Al4V钛合金;将基体材料加工成尺寸为 Φ50mm×10mm的圆柱块,将其表面用砂纸打磨光滑,去除污垢及氧化膜;用酒精清洗,并进行干燥处理。 所用的熔覆材料为纯Cr粉,与水玻璃黏结后压实在基体材料表面。
采用HL-5000型横流CO２激光器,对预置涂层表面进行扫描。激光扫描工艺参数:输出功率为2.0kW/2.2kW/ 2.5kW,扫描速度为2mm/s,光斑直径为3.5mm,焦距为240mm。制备金相试样,选用日立S3400型扫描电镜观察熔覆层、基体及其交界位置显微组织。采用X射线衍射仪分析熔覆层不同位置的相组成。
2热力学分析
Thermo-Calc软件是世界著名热力学相图计算软件,由瑞典皇家工学院在1981年推出,经过30多年的发展,已逐渐成为数据库种类全、结构完整、功能强大的热力学计算软件。Thermo-Calc软件由平衡计算、相与性质图计算、热力学量制表、数据库管理、模型参数估价、试验数据处理和专业图形表达的后处理等几个基本和特定模块组成,可以计算相平衡时的固、液相线温度以及各相的成分及比例等)、计算相图及热力学参数,还可以将热力学数据制成表格,计算化学反应的热力学函数变化及驱动力、评价化学系统的相平衡及相转换,通过自动绘图程序绘制各种类型相图［６，７］。
CALPHAD(计算相图)方法由数据、模型和计算机技术3个要素组成。而最重要的是确定描述各相的热力学模型,这是因为各相的热力学模型是基于各相的结构和物理因素建立的描述各相吉布斯自由能的数学表达式,也在一定程度上决定了最终计算结果所能达到的精确度［８］。模型由一系列参数组成,这些参数通过优化输入的实验数据得来,目前已经建立了一些能够较好地反映材料内部原子之间相互作用、且具有较好通用性的模型。本实验建立了Cr-Ti-Al-V体系热力学模型,通过Thermo-Calc计算了所得Cu-Ti-Al-V体系平衡相图。
2.1 Cr-Ti-Al-V体系平衡相图
图1为熔覆层材料及基体所涉及到元素Cr-Ti-Al-V体系平衡相图,在凝固过程中可能产生的相有LIQUID、BCC、 HCP、LAVES四种。Cr在β-Ti中无限互溶,所以液相在冷却过程中,首先发生匀晶转变析出BCC相,随着温度的降低,BCC相不断增加。当Cr含量在体系中小于12%(质量分数,下同)时,发生共析转变BCC→HCP+α-Cr２Ti,随着Cr含量的不断增加,BCC会转变为Laves相γ-Cr２Ti。同时,Al在β-Ti中的溶解度达到最大,析出Ti３Al。当Cr在体系中的含量大于60%时,在冷却过程中只发生BCC→Laves转变, 无其他形式的相产生。
2.2 Cr-Ti-Al-V体系元素扩散
运用DICTRA软件模拟计算凝固过程及元素扩散行为, 设置开始时熔覆材料Cr的含量为98.9%,基体中Ti的含量为90%,Al的含量为6%,V的含量为4%,设置凝固开始温度为2000K,凝固时间为180s。
各元素浓度分布情况如图2所示,0.5~10s由于冷却初期温度梯度及各元素浓度梯度较大,元素扩散速度很快, 在100s后元素扩散达到均匀。从图2中可以看到,在熔覆层区Cr、Ti的含量骤然下降,元素扩散均匀后Cr含量为53.2%,Ti含量为41.11%,Al含量为4.27%、V含量为1.65%。
3试验结果分析
3.1熔覆层物相分析
图3为熔覆层的XRD图谱。图3(a)表明熔覆层与基体结合处由Cr、Ti、AlTi3组成。图3(b)表明熔覆层由α-Ti、Cr2Ti及Cr1.97Ti1.07组成。熔覆材料中Cr元素与基体元素相互扩散,主要与基体中的Ti元素发生反应,生成Cr2Ti、Cr1.97-Ti1.07。从图1中可以看到,Cr与Ti只形成Laves相,而在试验过程中产生了Cr1.97Ti1.07结构的中间相。
3.2熔覆涂层微观组织及能谱分析
图4为纯Cr粉激光熔覆Ti6Al4V表面形成熔覆层微观组织形貌及能谱线扫描结果,可见,熔覆层主要为Cr、Ti元素在不断扩散,Al元素扩散缓慢,V含量基本没有变化。由此可以说明熔覆层主要以Cr-Ti化合物为主,远离基体表面的区域组织不均匀程度较大。在成分扫描线0~30μm范围内,Cr与Ti含量都有一个突变的过程,表明开始阶段元素的扩散速度都很快。在30~130μm范围内,元素含量的变化曲线斜率恒定,说明此阶段元素经历了一个均匀扩散的过程。
图5表明熔覆层主要由树枝状、细小针状及片状3种组织形态组成。表1为3种不同形态组织的能谱分析结果。 在凝固初期,Cr元素扩散到基体的量很少,结合能谱分析结果Cr含量较低,对应于B点树枝晶,Cr的含量仅为4.29%。 随着液相温度梯度的减小及Cr元素与基体元素不断相互扩散,过冷度减小,产生小的成分过冷,晶体以平面生长的方式形成稳定的片状组织,如图5(b)所示,该形态组织中,Cr含量为46.64%,Ti含量为51.78%。结合XRD分析结果,确定该形态组织为Cr１．９７Ti１．０７、Cr２Ti金属间化合物。当元素扩散结束,形成的细小针状组织填充在树枝晶间隙,此时元素扩散均匀,形成的组织主要是Cr２Ti及剩余的Ti。少量的C杂质来源于纯Cr粉或基体材料。
4熔覆层各相形成机理
在激光作用下纯Cr粉形成熔池,同时,通过热传导热量到达基体表面,通过对流传质的方式,熔覆层和基体元素之间进行扩散。从熔覆层成分线扫描曲线可知,熔覆材料与基体材料中相互扩散的主要元素为Cr和Ti及微量的Al元素,V元素基本没有扩散。在冷却初期,由于液固界面温度梯度较大,元素之间来不及扩散,凝固过程就结束了,熔覆层主要为Ti元素的富集,其生长方式主要是以树枝状方式长大;当体系中Cr元素的扩散量达到一定值时,开始析出Cr- Ti化合物,由相图可知Cr-Ti之间只形成Cr２Ti形式的金属间化合物。
结合XRD分析结果,根据扩散的不断增加,会在中间过程中析出亚稳态结构的Cr1.97Ti1.07,此时Ti元素富集,液相温度梯度平缓,产生小的成分过冷晶体以平面生长的方式形成稳定的片状组织。同时,随着温度的降低会发生同素异构转变β-Ti→α-Ti,析出α-Ti。Cr2Ti的生成方式主要有两种,当体系中Cr的含量小于15%时,发生共析转变β-Ti→α-Ti+α-Cr2Ti析出Cr2Ti。当Cr的含量大于15%时,发生共晶转变Liquid→β-Ti+Laves,析出Cr2Ti。当体系中Cr的含量大于60%时,只会析出Cr2Ti,无Ti-Al金属化合物析出。
5熔覆层性能分析
如图6所示,显微硬度试验得到基体的显微硬度值约为270HV0.05,熔覆层最大显微硬度值约为1200HV0.05,约为基体的4倍,熔覆层显微硬度有很大的提高。结合熔覆层整体微观组织分析,在熔覆最表层,组织不均匀造成显微硬度有一定的波动性,快速冷却过程形成的细小均匀的树枝晶起到细晶强化的作用,使涂层的硬度提高,其作用机理表现为细化显微组织、增大位错运动阻力提高熔覆层受载时的加工硬化率[9]。从熔覆层相组成分析,Cr元素与基体材料中的Ti作用,熔覆层由Laves相(Cr2Ti)及亚稳态Cr1.97Ti1.07组成,Cr2Ti在室温维氏硬度高达9~10GPa[10]。生成Cr-Ti金属间化合物以金属键方式结合,有很强的结合力,对提高熔覆层显微硬度有显著影响。不同功率下涂层显微硬度分布趋势大致相同,但随着功率增大,显微硬度值反而减小。
熔覆层与基体的摩擦因数随时间变化在0.45~0.52之间变化,其平均值要略大于基体材料,且波动性明显很大。 结合对组织及相的分析,熔覆层中含有亚稳态相Cr１．９７Ti１．０７, 先后结晶的组织结构不均匀,所以会形成一定的波动性。摩擦磨损试验结果显示,熔覆层磨损量小于1.5mg,基体磨损量为8.19mg,从磨损量看出熔覆层耐磨性能有较大提高。 Cr２Ti金属间化合物之间原子结合力很强,其结合键除具有金属键外,还有共价键成分,能较好地抵抗粘着磨损和磨粒磨损,提高熔覆层的耐磨性能。摩擦过程中氧化膜迅速产生,有利于防止或减少金属基体间的直接接触,从而减少“粘着”的影响和深度方向的划伤。
6结论
(1)由Cr-Ti-Al-V体系计算相图可知,Cr-Ti之间只能形成Cr２Ti形式的金属间化合物。当体系Cr的含量大于60% 时,在凝固冷却过程中,只发生BCC→Laves转变。
(2)由熔覆层成分线扫描曲线结果可知,熔覆层主要为Cr、Ti元素在不断相互扩散,主要参与反应的是Cr与Ti元素;DICTRA模拟结果显示扩散充分后,基体中Cr含量为53.2%、Ti含量为41.11%,与能谱测得的B、C点的含量相近,表明扩散模拟结果具有一定的实用性。
(3)XRD表明熔覆层主要由 α-Ti、Cr２Ti及亚稳态结构的Cr１．９７Ti１．０７组成。结合相图分析,α-Ti主要是通过BCC (Ti)发生同素异构转变生成的。随着Cr元素不断扩散到基体,当其含量未达到形成Cr２Ti的量时,形成Cr１．９７Ti１．０７中间相。
(4)熔覆层主要由片状、树枝状及细小针状组织组成。 树枝晶主要组成元素为Ti,含量近94%。片状晶Cr的含量要大于针状晶,片状晶先于针状晶形成,两种组织中主要为Cr２Ti金属间化合物。
摘要：为研究在激光作用下元素之间的扩散及作用机理,采用激光熔覆方法在Ti6Al4V表面熔覆纯Cr粉,利用热力学相图分析软件Thermo-Calc对Cr-Ti-Al-V四元体系进行平衡相图计算分析,利用DICTRA软件模拟合金体系的元素在Ti6Al4V基体中扩散分布情况。X射线衍射图谱表明熔覆层主要由α-Ti、Laves相Cr2Ti及亚稳态Cr1.97Ti1.07组成;扫描电镜实验结果显示熔覆层主要由片状、树枝状及细小针状组织组成。熔覆层元素体系中主要为Cr、Ti元素在不断相互扩散,Al元素扩散缓慢,V含量基本没有变化,整个体系中主要参与反应的是Cr与Ti元素。