通过研究激光加工参数，包括激光功率、光束扫描速度以及送粉率对热输入效率η和熔覆层形状系数ζ的影响规律，并结合激光快速修复过程对热输入效率和熔覆层形状系数的要求，建立了TC4激光快速修复的加工参数带。采用文章所确定的加工参数带中的参数，有利于减小激光快速修复件的变形，得到的修复件无熔合不良缺陷。
钛合金零件的近形制造技术多年以来一直是研究者关注的热点。20 世纪90 年代以来，随着一种新型自由实体成形技术--激光快速成形技术的发展，众多研究机构开始将激光快速成形技术用于制造钛合金零件。目前的工作主要集中在Ti-6Al-4V 钛合金激光快速成形的研究上，已经可以获得与锻件力学性能相当的成形零件。同时，激光快速成形技术所具有的"离散+堆积"的增材制造特点，不但使这项技术可以用于金属零件的三维实体制造，而且也可应用于零件在加工过程中误加工损伤或服役损伤的快速修复，进而提高零件的使用寿命，降低钛合金零件的成本。激光快速修复技术结合了快速成形和激光熔覆的优点，克服了电刷镀和喷涂的修复层薄、熔焊技术热输入量大导致零件变形大、以及奸焊的零件本体与修复层之间结合强度低的弱点。在激光快速修复过程中，热影响区小，因此有利于减小修复过程中的应力及变形;修复结合部位为致密的冶金结合，修复区域材料的力学性能相当于甚至高于零件本体;另外，修复区域形状可以根据零件缺损形状进行控制成形，因此修复后仅需少量的加工即可交付使用。整个修复过程由计算机控制，无需人为干涉，保证了零件修复的可靠性和重复性，可修复具有复杂形状的零件。
在激光快速修复过程中，激光快速修复件的几何性能主要是由沉积特性决定的，包括单层熔覆厚度、单道熔覆宽度、行程轨迹和多道间搭接率等相关特征参数。行程轨迹和多道间搭接率的选择决定了修复区不同熔覆层之间的搭接状况，以及修复过程能否顺利进行，同时，单层熔覆宽度和单道熔覆高度比值对搭接率的选择也会造成一定的影响。另外，在激光快速修复过程中，对修复区热输入的控制也是非常重要的。过大的热输人一方面容易使修复区组织粗大，弱化修复区的综合力学性能;另一方面，会使热影响区扩大，进而对修复件本体的组织和性能产生较大的影响;更严重的是，过大的热输入更易使修复件产生较大的残余应力和变形，所有这些因素都与激光加工参数的选择密切相关。因此，激光加工参数的选择对修复件的形状和性能具有重要的影响。本文重点针对TC4钛合金零件激光快速修复的激光加工参数选择问题，从热输入和几何特性控制的角度，研究可获得无熔合不良缺陷且具有很小变形的激光加工参数。
1 试验
本研究是在实验室自建的激光快速修复装备上进行的。该装备包括JK-2000 YAG 固体激光器、工作台、高精度送粉器、惰性气体保护箱以及同轴送粉喷嘴。整个修复过程在氧含量小于10*10-6的惰性气体保护箱内进行，以防止TC4钦合金被0、N、H等杂质元素污染。载粉气体和同轴送粉喷嘴保护气均采用纯氩。
修复试验用基材为TC4钦合金板材，熔覆材料为气体雾化法制备的球形TC4钦合金粉末，其化学成分见下表。
试验前对TC4钦合金粉末进行真空烘干处理，以除去粉末中所吸附的水分。用砂纸将基材表面的氧化膜打磨掉，再用丙酮将工作面清洗干净。试验中，激光功率为400-1800W，光束扫描速度为3-15 mm/s,送粉率为2.4 g/min。在TC4板上进行熔覆试验以考察激光加工参数对修复件的影响。nextpage
2 试验结果与分析
图1为单道单层傲光溶理TC4钛合金的典型组织和熔搜层形状。图1a)中，b区为熔区，熔区组织由粗大的β柱状晶组成，如图1b)所示;c区为热影响区，出现了明显的重结晶长大，如图1c)所示;e区为TCA板材的原始组织，为等轴a+β组织，如图1e）所示。图1d)显示热影响区和TC4板材之间有明显分界.图中上半部分较白的区域为热影响区，而下半部分为TC4板材的原始组织。这样，根据不同组织区域的面积比，本文定义有效能量输人η为熔区面积与热影响区面积之比。针对激光熔覆的特点和修复区几何形状和尺寸精度的要求，本文进一步定义单道熔覆宽度与单层熔覆厚度之比为熔覆层形状系数ζ。
图1 单道单层激光熔覆TC4钛合金典型组织和熔覆层形状
nextpage 对于有效能量输η，和熔援层形状系数ζ，主要的影响因素包括激光功率P、光束扫描速度v以及送粉率m等。如果激光劝率过小则不能保证进入熔池的粉末完全熔化;过大，则产生过大的热影响区，使原来零件的组织被破坏，甚粟由于过量的热翰人而使修复件产生严重的变形，这实际体现了有效能量输入η的影响。同时，选择不同的激光功率、光束扫描速度和送粉率对熔覆层形状系数也有很大的影响。若熔覆层形状系数ζ＜3,修复过程中易于产生熔合不良缺陷，进而影响修复件的性能。另一方面，前期的研究也表明，若熔覆层形状系数ζ>3，加工中为获得熔合良好的零件可选择的搭接率范围较宽，而这对成形件获得良好的综合几何性能是非常重要的。
图2为激光扫描速度对有效能量输入η的影响。可以看到，送粉率和激光功率一定时，η随扫描速度。增大而减小。扫描速度和激光功率一定时，送粉率增大，η值也增大，这是由于送粉率增大时更多的能量用于熔化粉末，从而减小了热影响区的面积，同时熔区面积也有所增加导致的。扫描速度和送粉率一定的情况下，激光功率增大，η值也增大。当激光功率大于1400W时，由于送粉率相对较小，不能满足熔池“吞噬”的粉末量，而相对过量的热输人导致了η的不规律变化，主要体现见图2a)。
图2 激光加工参数对有效能量输入η的影响
熔覆层形状系数ζ的确定涉及到了两个重要的成形几何参数(单道熔覆宽度与单层熔覆厚度)及二者之间的相互影响。图3为工艺参数对单层熔覆厚度h的影响。如图所示，当光束扫描速度和送粉率一定时，激光功率增大，熔化的粉末量增多，h增加;但当激光功率增至一定程度，由于功率增加而送粉不足，过多的能量输人导致熔覆层发生变形，h减小。当激光功率和送粉率一定时，光束扫描速度减小，熔池吞噬粉末量增加，h增加。当激光功率和光束扫描速度一定时，送粉率增大，进人熔池的粉末量增加，五增加。当激光功率和光束扫描速度一定时，送粉率增大，进人熔池的粉末量增加，h增加。同时，当速度较小，而激光功率增大到一定程度时，送人熔池的粉末不能满足熔池能够“吞噬”的粉末量，人就会减小，见图3。由于图3a)的送粉率小于图3b )的，因此图3a)中v=3,5,9mm/s时,h均先增大后减小，而图3b)中只有当c=3 mm/s时h先增大后减小。
图4为工艺参数对单道熔覆宽度ω的影响口可以看出，当光束扫描速度和送粉率一定时，激光功率增大，ω增加;当激光功率和送粉率一定时，光束扫描速度减小，、增加;当激光功率和光束扫描速度一定时，送粉率增大，ω增加不明显。nextpage
图5为工艺参数对熔覆层形状系数ζ的影响。可以看到，扫描速度增大，ζ有增大趋势。从图3,图4可以看出，扫描速度增大时，单道熔覆宽度减小得慢而单层熔覆厚度减小得快，这就导致ζ增大。送粉率增大，ζ有减小趋势，这是由于送粉率增大，其他参数不变，单道熔覆宽度变化较小，单层熔覆厚度增大的缘故。V=15 mm/s时，ζ随激光功率的增大，降低幅度很大，原因是激光功率较小时，速度太大导致粉末未能完全熔化，单层熔覆高度较小，但是光斑大小一定，因此单道熔覆宽度相对较大，此时若值较大;当激光功率增加时，单层熔覆高度和单层熔覆宽度都随功率增大而增加，但单层熔覆高度随激光功率增加的速率较单道熔攫宽度随激光功率增大的速率大，因此ζ值逐渐减小。当激光功率大于t400W时，由于送粉率相对较小，不能满足熔池“吞噬”的粉末最，一导致爹的无规律变化。
通过以上分析可知，对于有效能量输人η，光束扫描速度减小和激光功率增加时，η值增大;而对于熔覆层形状系数ζ，光束扫描速度减小时，ζ值增大，激光功率对ζ的影响不大。根据零件修复的要求，综合考虑ζ和η值的影响，即:有效能量输人η大于1，此时熔区面积大于热影响区面积，激光能量输人主要用于熔化金属粉末，有利于降低成形件的变形程度;另外，按照前面的分析，熔覆层形状系数ζ不应小于3。因此分别根据η和ζ这两个指标可以确定出满足要求的激光加工参数范o如图6建立坐标系，并根据ζ和η可取时的P和V描点，用横向和纵向的线将满足η和ζ的点分别连接起来，得到ζ和η可取时的P和v的取值区域，即图6所示的两种阴影区域。用这个加工参数带中的参数，一方面可以提高热输人效率，减小热影响区，减小激光快速修复件的变形;另一方面有利于获得无熔合不良缺陷的修复件。
3 结论
(1)激光功率和送粉率一定时，光束扫描速度减小，η值增大;光束扫描速度和送粉率一定时，激光功率增加时，η增大; η增大使得用于熔化粉末的热量增加，而产生热影响区的能量减小，这不仅使激光能量的利用率增加，而且热影响区减小也使修复过程中输入的能量对修复件本身性能的改变减小，进一步体现了激光快速修复技术的优越性。
(2)激光功率和送粉率一定时，光束扫描速度减小，ζ值增大。光束扫描速度和送粉率一定时，激光功率对ζ的影响不大。
(3)基于有效能量输人η大于1和熔覆层形状系数ξ不应小于3的准则，建立了优化的TC4零件激光快速修复加工参数带。这个参数带的采用有利于获得热影响区小、变形小、搭接良好的激光快速修复件。
