《TIG電弧輔助雷射熔注陶瓷顆粒與液態鋁相互作用機制》是依託哈爾濱工業大學，由李福泉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：TIG電弧輔助雷射熔注陶瓷顆粒與液態鋁相互作用機制
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李福泉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對鋁合金表面雷射熔注的主要難點，提出採用TIG電弧輔助雷射熔注的新方法實現陶瓷顆粒對鋁合金基體表面的注入，獲得顆粒強化的鋁基表面複合材料層。在TIG電弧的輔助作用下，無須預熱鋁合金基材，實現了表面的陶瓷顆粒注入，該技術具有明顯的套用優勢。TIG電弧輔助雷射熔注過程中顆粒穿透熔池分為兩個階段：顆粒穿過熔池表面；顆粒在熔池中的運動。鋁合金表面氧化膜的存在是阻礙顆粒穿過鋁合金熔池表面的主要因素。氧化膜的去除和重新形成是動態的過程，其變化會影響顆粒注入情況及其隨後在液態鋁中的運動。研究熔池凝固前注入顆粒在液態鋁熔池流場和溫度場共同作用下的運動規律。對非平衡態條件下陶瓷顆粒增強相與液態鋁之間溶解、擴散及其界面化合物形成機制進行解析。建立鋁基表面複合材料層的強化機理，為TIG電弧輔助雷射熔注在表面複合材料層製備上的套用提供理論指導。
結題摘要
雷射熔注技術製備顆粒增強金屬基表面複合材料層是近年來研究的熱點。針對鋁合金雷射熔注存在的困難，本項目方案提出採用TIG電弧輔助CO2雷射熔注的專利技術方法，在不需預熱的條件下在鋁合金表面製備了顆粒增強的複合材料層。研究最佳化工藝參數，採用旁軸送粉方式在鋁合金表面成功製備了WCp/Al和SiCp/Al的表面複合材料層。由於複合熱源對熔池複雜的作用機制，熔注層的相組成和顯微組織呈現出複雜的多樣性。性能實驗結果表明，鋁合金表面熔注層的硬度和耐磨性能都得到了明顯的提高。對TIG電弧輔助雷射熔注的液態鋁熔池溫度及流場進行模擬，獲得不同工藝參數下熔池的流動規律。通過對熔注的WC陶瓷顆粒的軌跡計算，分析WC顆粒能夠注入鋁熔池的條件，對WC顆粒注入熔池所需的最小速度進行分析計算。通過流場模擬分析了WC顆粒在熔池內部的運動情況。 前述研究工作是基於CO2雷射器的設備條件，要實現陶瓷顆粒注入到鋁合金基體中必須利用TIG電弧的輔助作用。而由於雷射設備的改善，採用了新型的光纖雷射器。基於此設備研究了同軸送粉方式進行鋁合金表面雷射熔注陶瓷顆粒製備複合材料層。陶瓷顆粒的注入鋁不須電弧輔助或基體預熱就可以實現。在工藝最佳化基礎上，對獲得的WCp/Al複合材料的強化相與基體反應機理進行了研究。所獲WCp/Al複合材料基體中存在Al4W及Al4C3相。脆性的Al4C3相及粗大Al-W相不利於MMC的性能。項目研究中採用了絲粉同步雷射沉積方式，同步添加WC顆粒與Ti粉的新方法，實現WCp/Al複合材料的製備。Ti合金化作用下，Al4C3脆性相的生成被抑制，並形成了新的Al-Ti相。合金化元素Ti引起了TiC、AlTi3等的生成，有效抑制了Al4C3脆性相生成，避免了Al-W相的生長。絲粉同步雷射沉積方法製備複合材料具有靈活性，能夠實現梯度成分及性能複合材料構件的直接增材製備，為解決金屬基複合材料難以焊接及加工的難題提供途徑。雷射沉積研究製備的WCp/Al複合材料中包括反應生成原位增強相與外加注入陶瓷增強相，其共同作用有利於材料綜合性能的提高。 項目研究工作已發表及錄用論文11篇。其中SCI論文4篇，影響因子（IF）＞1.5SCI論文3篇，SCI單篇影響因子達3.501；EI論文3篇；核心期刊論文1篇；國際會議論文2篇；國內會議論文1篇；申請發明專利2項。培養博士生1名，碩士生3名。
