TIG电弧辅助激光熔注陶瓷颗粒与液态铝相互作用机制

针对铝合金表面激光熔注的主要难点，提出采用TIG电弧辅助激光熔注的新方法实现陶瓷颗粒对铝合金基体表面的注入，获得颗粒强化的铝基表面复合材料层。在TIG电弧的辅助作用下，无须预热铝合金基材，实现了表面的陶瓷颗粒注入，该技术具有明显的应用优势。TIG电弧辅助激光熔注过程中颗粒穿透熔池分为两个阶段：颗粒穿过熔池表面；颗粒在熔池中的运动。铝合金表面氧化膜的存在是阻碍颗粒穿过铝合金熔池表面的主要因素。氧化膜的去除和重新形成是动态的过程，其变化会影响颗粒注入情况及其随后在液态铝中的运动。研究熔池凝固前注入颗粒在液态铝熔池流场和温度场共同作用下的运动规律。对非平衡态条件下陶瓷颗粒增强相与液态铝之间溶解、扩散及其界面化合物形成机制进行解析。建立铝基表面复合材料层的强化机理，为TIG电弧辅助激光熔注在表面复合材料层制备上的应用提供理论指导。

激光熔注技术制备颗粒增强金属基表面复合材料层是近年来研究的热点。针对铝合金激光熔注存在的困难，本项目方案提出采用TIG电弧辅助CO2激光熔注的专利技术方法，在不需预热的条件下在铝合金表面制备了颗粒增强的复合材料层。研究优化工艺参数，采用旁轴送粉方式在铝合金表面成功制备了WCp/Al和SiCp/Al的表面复合材料层。由于复合热源对熔池复杂的作用机制，熔注层的相组成和显微组织呈现出复杂的多样性。性能实验结果表明，铝合金表面熔注层的硬度和耐磨性能都得到了明显的提高。对TIG电弧辅助激光熔注的液态铝熔池温度及流场进行模拟，获得不同工艺参数下熔池的流动规律。通过对熔注的WC陶瓷颗粒的轨迹计算，分析WC颗粒能够注入铝熔池的条件，对WC颗粒注入熔池所需的最小速度进行分析计算。通过流场模拟分析了WC颗粒在熔池内部的运动情况。.前述研究工作是基于CO2激光器的设备条件，要实现陶瓷颗粒注入到铝合金基体中必须利用TIG电弧的辅助作用。而由于激光设备的改善，采用了新型的光纤激光器。基于此设备研究了同轴送粉方式进行铝合金表面激光熔注陶瓷颗粒制备复合材料层。陶瓷颗粒的注入铝不须电弧辅助或基体预热就可以实现。在工艺优化基础上，对获得的WCp/Al复合材料的强化相与基体反应机理进行了研究。所获WCp/Al复合材料基体中存在Al4W及Al4C3相。脆性的Al4C3相及粗大Al-W相不利于MMC的性能。项目研究中采用了丝粉同步激光沉积方式，同步添加WC颗粒与Ti粉的新方法，实现WCp/Al复合材料的制备。Ti合金化作用下，Al4C3脆性相的生成被抑制，并形成了新的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相的生长。丝粉同步激光沉积方法制备复合材料具有灵活性，能够实现梯度成分及性能复合材料构件的直接增材制备，为解决金属基复合材料难以焊接及加工的难题提供途径。激光沉积研究制备的WCp/Al复合材料中包括反应生成原位增强相与外加注入陶瓷增强相，其共同作用有利于材料综合性能的提高。.项目研究工作已发表及录用论文11篇。其中SCI论文4篇，影响因子（IF）＞1.5SCI论文3篇，SCI单篇影响因子达3.501；EI论文3篇；核心期刊论文1篇；国际会议论文2篇；国内会议论文1篇；申请发明专利2项。培养博士生1名，硕士生3名。