双道激光加工小模数齿轮齿面镍基合金涂层的应用研究

摘要

为了提高小模数齿轮表面镍基合金涂层的质量效果，本文中提出一种使用双道激光依次加工齿轮齿顶和齿底部位镍基合金涂层的加工方法，并与传统单道齿面激光熔覆的效果进行对比分析。主要研究内容如下： （1）分析了激光工艺参数对熔覆层宏观形貌的影响以及齿面单道激光熔覆在不同激光功率密度下的熔覆层显微组织形貌以及元素成分，实验结果表明：随着激光功率密度的增加，熔覆层内部的柱状晶枝变多，晶间组织的含量越少，熔覆层与基材之间亮白色冶金结合带越发明显，熔覆层表面的均匀性和连续性都有较大提高并且截面形貌发生改变。当激光功率密度为31.8KW·S·CM-2时可以看出熔覆层冶金结合带区域与基材之间的孔隙基本消失，熔覆层与基材之间的结合牢固，过渡更加自然，但熔覆层的稀释率较大、对基材的齿顶部位的烧蚀明显、基材熔深深度较大以及涂层组织晶粒过于粗大的问题并没有得到很好解决。 （2）对小模数齿面单道激光制备镍基合金涂层容易产生熔覆缺陷的原因进行分析：一方面激光光源为高斯热源，光源中间能量较高，容易造成齿面中部基材熔深较大影响涂层组织性能；另一方面小模数齿轮齿形特殊，齿顶部位较薄，在加工过程中容易对齿顶部位产生过度烧蚀，增加后期齿形修复难度。因此提出了双道激光加工小模数齿面镍基合金涂层的加工思路，即在保证激光总输入能量不变的条件下，将原有单束激光的能量按一定的能量配比方案分配到两个小光斑上，依次加工齿轮的齿顶部位和齿底部位。 （3）将单道与双道激光工艺下加工出的熔覆涂层进行综合对比判断，在双道1mm光斑下的激光熔覆工艺对原有高斯激光光源的能量分布状态起到了一定的优化作用，激光能量由在齿轮中间部分过于集中转变为按照功率密度配比4:6的方式分配到齿轮的齿顶和齿底部位，不仅基材齿顶部位的宽度相比单道激光熔覆由340.84?m增加到460.61?m，而且涂层稀释率由34.54%降低到27.28%，其次采用双道1mm光斑下的涂层组织相比单道激光熔覆更加均匀细腻，基本上都呈现出细条状分布的趋势，涂层与基材之间存在一条元素相互扩散形成的冶金结合带，组织内部主要都是晶枝和晶胞状的结构，对组织细化作用明显；最后对比了熔覆层显微硬度发现，双道1mm光斑下的激光熔覆涂层显微硬度比单道激光熔覆要高，主要是由于组织中含Fe、Ni的晶状奥氏体析出较少，富含Cr的粒状渗碳体析出较多，因此熔覆层组织整体的耐磨性和强度都要优于单道激光熔覆。综上所述，在1模数齿轮齿面加工1mm厚的镍基合金涂层的工艺参数为P=250W，u1=2.5mm/s，u2=1.67mm/s，光斑直径d=1mm，激光功率密度为31.8KW·S·CM-2。经过双道激光熔覆工艺加工后的齿轮齿面硬度较高，具有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，满足齿面硬、芯部韧的工艺要求。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 激光熔覆技术

1.2.1激光熔覆技术概述

1.2.2激光熔覆技术的应用

1.3镍基合金熔覆涂层的相关基础研究

1.4齿面激光熔覆技术的应用研究

1.5本文的研究内容及技术路线

1.5.1研究内容

1.5.2技术路线

第2章 激光工艺参数对熔覆层宏观形貌的影响

2.1引言

2.2激光熔覆过程中金属材料的熔凝机理

2.2.1材料在激光热作用下的物态变化

2.2.4激光熔覆过程中熔池的转变过程

2.3实验材料及设备

2.4激光熔覆工艺参数的制定

2.5熔覆涂层形貌尺寸的变化规律

2.6涂层截面形貌与涂层稀释率的关系

2.7本章小结

第3章 齿面单道激光熔覆涂层的制备与分析

3.1引言

3.2实验材料及设备的选取

3.3齿面单道激光熔覆涂层工艺参数的制定

3.3.1齿面边缘防塌陷工艺研究

3.3.2齿面单道激光熔覆工艺参数的选取

3.4基材合金化区域面积对涂层稀释率的影响

3.5激光功率密度对涂层显微组织构成的影响规律

3.6激光功率密度对涂层元素含量变化的影响规律

3.7齿面单道激光熔覆功率密度的确定

3.8本章小结

第4章 齿面双道激光熔覆涂层的制备及分析

4.1引言

4.2齿面单道激光熔覆涂层的优化思路

4.3齿面双道激光熔覆涂层工艺参数的制定

4.3.1双道1mm光斑下熔覆涂层的制备及分析

4.3.2双道1.5mm光斑下熔覆涂层的制备及分析

4.4双道激光工艺对熔覆层组织、相结构的影响

4.5单道与双道激光工艺下熔覆层质量对比分析

4.5.1齿顶烧蚀程度和涂层稀释率的对比分析

4.5.2熔覆层显微组织形貌对比分析

4.5.3熔覆层显微硬度对比分析

4.6齿面双道激光熔覆工艺参数的确定

4.7本章小结

第5章 结论与展望

5.1研究工作的主要结论

5.2研究工作的创新点

5.3研究工作的展望

参考文献

致谢