基于“光束中空, 光内送粉”技术在无保护气氛室条件下成功制备了钛合金熔覆组织。实验结果表明, 中空光内送粉技术能够进行钛合金自由成形制造, 熔覆层微观组织中未见明显的氧化痕迹和气孔, 熔覆层组织呈现柱状晶形态, 晶粒尺寸约100 μm, 亚结构为钛马氏体α′相, 硬度约540 HV0.2, 远高于TC4钛合金基板的硬度360 HV0.2。此外, 与TC4钛合金基板具有良好的冶金结合, 无气孔和裂纹等缺陷。分析表明, 中空激光光内送粉技术利用气阱原理, 有效地实现了阻隔熔覆过程中熔池与外界气氛的交互作用, 保证了熔池不受高温氧化影响。

根据光内同轴送粉激光快速成形工艺, 建立了扭曲薄壁件激光熔覆成形温度场瞬态有限元数值模型, 模拟了扭曲薄壁件激光快速成形过程的温度场演变过程, 分析了扭曲薄壁件熔覆成形过程中定点温度的热循环, 通过仿真实时控制模型中输入激光功率的大小, 模拟得到了保持熔池温度稳定时激光功率的变化值; 通过层高控制调节激光器功率, 控制熔池的温度稳定, 成功熔覆成形了扭曲薄壁件。性能分析表明: 成形件表面光滑, 没有粘粉, 尺寸与设计数值基本相同, 组织细小致密, 与基体形成冶金结合, 且成形件硬度较高。

针对“光束中空, 光内送粉”激光熔覆工艺方法, 通过改变激光功率、送粉速度、扫描速度、离焦量等工艺参数, 分别进行单熔道表面形貌、熔道宽度和高度的实验对比研究, 分析了环形光光内送粉的激光熔覆工艺参数对熔道成形质量的影响规律。结果表明, 激光功率较小将导致熔覆不均匀, 激光功率过大又会使熔道表面烧损, 随着功率的增加熔道宽度有增大趋势, 高度先增大后减小; 扫描速度过快会导致粉末不能充分熔化, 扫描速度过慢会增加熔道的厚度, 影响熔覆质量, 随着扫描速度的增加, 熔道宽度和高度均减小; 送粉速度增大导致熔化金属粉末增加, 但熔道宽度增加不明显, 当送粉速度过大时大量未熔化的金属粉末粘结在成形件的表面, 影响成形件质量; 随着离焦量的增加, 熔道宽度明显增加, 高度明显减小, 离焦量较小时熔道会烧损, 较大时熔道会无法形成。

利用环形激光光内同轴送粉喷头进行单熔道试验和测试, 就中空环形光离焦量对45# 钢表面熔层平整度、平宽度、平高度以及熔覆截面微观组织的影响进行试验研究。通过改变离焦量, 获得单道熔覆层, 并进行单层熔宽、熔高及表面平整度的测试和微观组织的对比, 分析了离焦量对熔层组织、性能和表面状态的影响规律。结果表明: 熔覆层组织在小离焦量情况下细密, 环形光激光熔覆层的硬度、表面平整度随离焦量的变大先增后减, 在较小负离焦状态下可得到最大值。