电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展_王茜.pdf
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1、 表面技术 第 52 卷 第 6 期 166 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期:20220331;修订日期:20220517 Received:2022-03-31;Revised:2022-05-17 基金项目:国家自然科学基金(51874091,52101087);辽宁省教育厅优秀青年科技人才项目(2020LNQN01);辽宁科技大学青年教师科研基金(2019QN02)Fund:National Natural Science Foundation of China(51874091,52101087);Outstanding Youth Science
2、 and Technology Foundation of the Educational Department of Liaoning Province(2020LNQN01);Youth Fund in University of Science and Technology Liaoning(2019QN02)作者简介:王茜(1991),女,博士,副教授,主要研究方向为材料表面改性、高温腐蚀与防护。Biography:WANG Qian(1991-),Female,Doctor,Associate professor,Research focus:material surface mod
3、ification,high temperature corrosion and protection.通讯作者:张峻巍(1973),男,博士,教授,主要研究方向为激光先进制造技术、材料成形与热处理。Corresponding author:ZHANG Jun-wei(1973-),Male,Doctor,Professor,Research focus:laser advanced manufacturing technology,material forming and heat treatment.引文格式:王茜,张亮,李倩,等.电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展J.表面技术,2023,5
4、2(6):166-179.WANG Qian,ZHANG Liang,LI Qian,et al.Research Progress of Electromagnetic Field Assisted Laser Cladding TechnologyJ.Surface Technology,2023,52(6):166-179.电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展 王茜1,张亮2a,3,李倩1,张峻巍1,班春燕2b(1.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;2.东北大学 a.材料科学与工程学院 b.材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳 110819;3.抚顺隆烨化工有限公司,
5、辽宁 抚顺 113217)摘要:激光熔覆技术在装备制造、石油化工等领域有着广泛应用,但熔覆层裂纹、气孔和夹杂、溶质元素分布不均匀及表面起伏等问题严重制约了其应用。因而,提高熔覆层质量,特别是减少高硬材料熔覆层裂纹,对发展激光增材制造和再制造技术具有重要意义。电磁场辅助激光熔覆技术具有组合形式多样、工艺可控性强、作用效果显著等特点,通过在激光熔覆过程中施加电磁场,利用电磁力对熔池的搅拌作用改变传质传热过程,可以实现提高熔覆层质量、细化微观组织、改善性能的目的。在介绍电磁场辅助激光熔覆技术的应用背景及技术特点的基础上,系统总结了国内外关于电磁场辅助激光熔覆技术相关研究的最新进展。梳理概括了电磁场对
6、激光熔覆过程的影响机制,讨论了电磁场对熔体运动行为和凝固过程的影响机理。电磁场对熔体运动行为的影响主要体现在电磁搅拌效应、电磁制动效应、热电磁流体效应、电迁移效应、趋肤效应等方面;对熔体凝固过程的影响主要体现在晶粒破碎作用、原子团起伏效应、焦耳热效应等方面。同时,详细分析了不同电磁场形式(单一磁场、单一电场及电磁复合场)对激光熔覆涂层组织和性能的影响,并对比分析了不同电磁场形式的优缺点和差异性。归纳了现阶段应用于电磁场辅助激光熔覆的涂层材料体系,包括铁基涂层、镍基涂层、钴基涂层及复合涂层,重点讨论了电磁场对各类涂层组织成分均匀化和析出相及强化相分布规律影响的内在机理。同时结合电磁超声多场耦合辅
7、助激光熔覆技术的最新成果,阐述了电磁场和超声场的耦合作用对激光熔覆涂层的影响。最后对现阶段电磁场辅助激光熔覆技术存在的问题及未来发展方向进行了展望。关键词:激光熔覆;电磁场;研究进展;材料体系;多场耦合 中图分类号:TG178 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)06-0166-14 DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.015 第 52 卷 第 6 期 王茜,等:电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展 167 Research Progress of Electromagnetic Field Assisted Laser Claddin
8、g Technology WANG Qian1,ZHANG Liang2a,3,LI Qian1,ZHANG Jun-wei1,BAN Chun-yan2b(1.School of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Liaoning Anshan 114051,China;2.a.School of Materials Science and Technology,b.Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials of
9、 Ministry of Education,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3.Fushun Longye Chemical Co.,Ltd.,Liaoning Fushun 113217,China)ABSTRACT:Laser cladding technology has been widely applied in the equipment manufacturing,petrochemical and other fields.However,problems including cracks,holes,inclusi
10、ons,uneven distribution of solution elements and surface fluctuation in the cladding coatings have restricted its application.Thus,in order to develop the laser manufacturing and remanufacturing technology,it is of great significance to improve the quality of the cladding coatings,especially to redu
11、ce the cracks in the coatings with high hardness.Electromagnetic field assisted laser cladding technology has the characteristics of multiple combination forms,strong controllability and remarkable effect.By applying electromagnetic field during the laser cladding process,the stirring effect of the
12、electromagnetic force on the molten pool can change the mass and heat transfer process,which can finally improve the quality of the cladding coating,refine microstructure and improve performance.The application background and technical characteristics of electromagnetic field assisted laser cladding
13、 technology were introduced and the latest research progress of electromagnetic field assisted laser cladding technology in China and abroad was systematically reviewed.The effect mechanism of electromagnetic field on laser cladding process was summarized,and the effect mechanism of electromagnetic
14、field on melt motion behavior and solidification process was discussed in detail.The effect of electromagnetic field on melt movement behavior was mainly reflected in electromagnetic stirring effect,electromagnetic braking effect,thermoelectric magnetofluid effect,electric migration effect and skin
15、effect.The effect of electromagnetic field on melt solidification process was mainly reflected in grain breakage effect,radical fluctuation effect and Joule heating effect.The effects of different electromagnetic fields(single magnetic field,single electric field and electromagnetic composite field)
16、on the microstructure and properties of laser cladding layers were analyzed in detail.The advantages and disadvantages of different electromagnetic fields were also compared and analyzed.Moreover,the material systems of electromagnetic field assisted laser cladding coatings were summarized,including
17、 Fe-based coatings,Ni-based coatings,Co-based coatings and composite coatings.The internal mechanism of the effect of electromagnetic field on the homogenization of the microstructure,together with the distribution regularity of the precipitation and strengthening phases in the coatings,was discusse
18、d emphatically.Combined with the latest achievements of electro-magnetic-ultrasonic multi-field coupling assisted laser cladding technology,the effect of electromagnetic field and ultrasonic field coupling on laser cladding coating was described.Finally,in view of the main problems existing in elect
19、romagnetic field assisted laser cladding technology at present,the future development direction was prospected.KEY WORDS:laser cladding;electromagnetic field;research progress;material system;multi-field coupling 激光熔覆是一种利用高能激光束作为热源,在基体上沉积具有特殊性能合金涂层的表面改性技术1-2。它具有稀释率低、热影响区小、与基材结合强度高、对环境污染小等优点,因此被广泛应用于
20、汽车制造、石油化工、矿山机械等关键部件的表面修复和强化3-4。激光熔覆是一个涉及物理、化学和材料等学科的复杂冶金过程,其急热骤冷的凝固特征使熔覆层常常存在裂纹、气孔等缺陷,同时还存在内部溶质元素分布不均匀、表面起伏等问题,特别是对于高硬合金涂层,其开裂问题已成为激光熔覆技术应用和发展的瓶颈5-10。在以往的研究中,国内外学者主要通过材料设计、工艺参数优化等方式来消除或减少激光熔覆涂层的缺陷11-12。但对于高硬合金涂层,改变现有工艺仍然很难完全消除组织缺陷,这就需要考虑通过施加外场来调控涂层凝固组织,进而改善涂层的质量13-16。电磁场作为一种外场辅助技术,具有组合方式多样、可控性好、环境友好
21、等优点,已在铸造、焊接、激光加工等领域得到应用17-19。利用电磁场产生的电磁力对熔体进行搅拌,能够引起熔池内液态金属强烈的对流,使熔池温度场和溶质分布均匀化,起到降低过冷度、细化凝固组织的作用。近些年,研究者们将电磁场应用于激光熔覆过程中,围绕电磁场辅助激光熔覆技术开展了一系列相关研究工作。本文通过归纳总结168 表 面 技 术 2023 年 6 月 国内外关于电磁场辅助激光熔覆的相关研究成果,阐述了电磁场辅助激光熔覆的作用机理,讨论了不同电磁场形式对激光熔覆涂层组织和性能的影响,并对比分析了不同电磁场形式的优缺点和差异性。同时,综述了电磁场辅助激光熔覆研究中涂层材料体系和电磁超声多场耦合辅
22、助激光熔覆技术的最新研究成果,并对电磁场辅助激光熔覆技术未来的发展方向进行了展望。1 电磁场对激光熔覆过程的影响机制 电磁场属于非接触式外场辅助手段,在激光熔覆过程中电磁场会与熔池中的金属熔体发生交互作用而产生电磁力,电磁力会改变熔体的对流运动及传质传热过程,进而影响熔覆层的凝固过程20。因此,电磁场对激光熔覆过程的影响主要是通过改变熔体运动行为和凝固过程来实现的。1.1 熔体运动行为 电磁场对熔体运动行为的影响主要体现在电磁搅拌效应、电磁制动效应、热电磁流体效应、电迁移效应、趋肤效应等几个方面。1)电磁搅拌效应。当电磁场作用于激光熔覆过程时,会在熔池中产生电磁力,电磁力会对熔池产生机械搅拌作
23、用,影响熔池中的对流,进而影响熔体的运动21-22。2)电磁制动效应。在外加磁场作用下,导电熔体在磁场中做切割磁感线运动,产生感应电流。根据楞次定律,感应电流与磁场相互作用会产生洛伦兹力,其方向与熔体运动方向相反。这种抑制熔体运动的现象即为电磁制动效应,也称哈脱曼效应23。通常用哈脱曼数来表征磁场对熔体的抑制程度24,如式(1)所示。222B LHa=(1)式中:Ha 为哈脱曼数;为熔体的电导率;B 为磁场强度;L 为特征长度;为动力黏度。3)热电磁流体效应。热电磁流体效应与异质材料的赛贝克效应有关25。不同电导体之间的温度差将引起两者之间的电压差,从而产生热电流,这种由温度差而产生电流的效应
24、被称作赛贝克效应。在激光熔覆过程中,固液界面为非等温界面,存在较大的温度差。因为金属熔体和固相金属均为导体,由赛贝克效应可知,固液两相具有不同的热电势,两相之间会产生热电流。在外加磁场作用下,热电流与磁场作用产生热电磁力,进而驱动熔体运动26。一般认为,电磁制动效应和热电磁流体效应是相互制约、共同存在的。4)电迁移效应。电迁移是指金属熔体中各种离子在电场作用下发生定向移动的现象27。各种离子所带电荷数不同,在电场作用下通常会以不同的速度进行运动,因而引起熔体的内部流动。电迁移效应有助于促进溶质原子扩散,进而改变凝固过程中的溶质分配系数,后者会对凝固组织的类型产生重要影响。5)趋肤效应。当交变电
25、流作用于熔体时,其在熔体横截面上分布不均匀,电流趋向集中于熔体的表层区域,而熔体中心区域的电流密度很小,甚至为028-29。以柱状熔体为例,其横截面上的电流密度分布由表层至心部呈指数衰减规律。1.2 熔体凝固过程 电磁场对熔体凝固过程的影响主要体现在晶粒破碎作用、原子团起伏效应、焦耳热效应等几个方面。1)晶粒破碎作用。电磁力除了能对熔池产生电磁搅拌效应外,还可以对熔体中已形核晶粒产生破碎作用。电磁力可以破碎熔体中已形成的晶粒,破碎的晶粒能够作为新的形核中心,增大形核率30。同时,破碎的晶粒在固液界面前沿的高温作用下发生重新熔化,会增大固液界面前沿的过冷度 T,更有利于新晶核的形成。2)原子团起
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