激光合金化

综述报告题目激光合金化Laser Alloying任课老师任振安学生姓名苏雷学号********** 学院材料科学与工程学院专业材料加工工程前言自70年代以来,我国开展了激光处理的研究,开发和应用。

四十多年以来，我国的激光处理已取得了可喜的成绩,有些研究成果已达到了国际领先水平。

激光处理技术已在工业上取得了广泛的应用。

例如,西安内燃机配件厂1990年10月建成全国第一条缸套激光热处理生产线,至1998年底已建成24条激光热处理生产线,生产能力达到年产120万只激光缸套;青岛中发激光技术有限公司已开发生产了5种型号的激光强化机,据统计,该公司产品已在国内80家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用,取得了明显的经济效益。

激光热处理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。

其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基础上发展起来的新工艺,这二种方法均具有改变基材表面的组织能力,同时还具有改变基材表面成分的能力。

这二种方法为在各类材料生成与母材结合良好的高性能(或特殊性能)的表层提供了有效途径。

目前,对激光合金化和激光熔覆两种处理还没有严格的定义和区别,一般认为母材表面成分改变相对较少的方法称激光合金化,而对母材表面成分改变较大或熔覆一层与母材成分完全不同的表面层的方法称激光熔覆。

目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性,在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层;提高材料的耐腐蚀性,即在材料表面熔覆一层具有高耐腐蚀性的合金层;改变母材表面性能,形成一层具有特殊性能的表面层。

如重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上,在比强度高,耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆Ca5(PO4)3#(OH)羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。

该熔覆层具有优良的力学性能,也改善了植入材料弹性模量与生物模量及生物硬组织的匹配性[1]。

本文主要介绍激光合金化。

激光表面合金化是金属材料表面改性的一种新方法,它是利用高能激光束将基体金属表面熔化,同时加入合金化元素,在以基体为溶剂,合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层,从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。

激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层,用于取代昂贵的整体合金,节约贵重金属材料和战略材料,使廉价基体材料得到广泛应用,从而使生产成本大幅下降。

与常规热处理相比,激光表面合金化能够进行局部处理,而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点,具有很好的发展前景。

目前,激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁,而且还涉及到了钛合金、铝合金等有色金属[2]。

1.激光合金化工艺的制定原理及方法1.1 激光表面合金化选材原则在选择合金化材料时,首先应考虑合金化涂层的性能要求,其次要考虑合金化元素与母材金属熔体间相互作用的特性,还要考虑表面合金层与母材冶金结合的牢固性,以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。

在合金化组元的选择上,既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo等金属元素,也有C、N、B、Si等非金属元素,以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔颗粒。

1.2 激光合金化送粉方式激光表面合金化过程中,合金化粉末的加入方式有:预置材料法、送粉法和激光气体合金化。

其中预置材料法当前应用较为广泛;送粉法则易于实现自动化,能够充分利用能量、气孔率低、生产效率高,可以得到良好的表面合金层质量,具有广阔的发展前景。

激光合金化典型送粉方式如图1所示。

1.3 激光合金化涂层质量控制激光表面合金化后,合金化涂层在微观上是不均匀的，熔池的冷却条件、液体对流方式、对流强度及合金元素间的相互作用等对其都有影响。

合金化涂层质量的控制主要包括合金化程度的控制、合金化涂层成分的控制、合金化涂层的裂纹与孔洞的防止,以及合金化表面不平整度的控制等。

研究认为,调整工艺参数、预热合金化后处理可以得到理想的合金化涂层。

图1 激光合金化典型送粉方式2 激光表面合金化涂层组织特性与性能2.1 激光表面合金化涂层组织特征激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。

激光表面合金化过程中,温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化,所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征,主要组织特征类型有三种:①平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;②胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；③胞状树枝晶→树枝晶。

合金化涂层典型组织,如图2所示。

2.2 激光表面合金化涂层性能当前研究认为,激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合,结合强度高,能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能,获得了广泛应用。

图2 激光合金化涂层的典型组织2.2.1 耐磨性目前,激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末(如SiC,WC,TiC等),或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。

激光合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以提高合金化涂层的硬度和耐磨性,A.Hussain首次采用850W CW CO2激光器对AISI 1010低碳钢电镀10Lm 镍进行激光表面合金化,合金化涂层微观组织均匀且无裂纹,合金化涂层含镍5%(位于Fe-Ni相图AyA+B线上)时,硬度为基体的3倍,原因是由于快速冷却,合金化涂层中出现马氏体组织。

2.2.2 耐蚀性通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性,是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支,对不锈钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果,但其耐蚀性机理较为复杂,目前处于探索阶段。

K.H.Lo等预涂WC粉末对AISI316L 不锈钢进行激光合金化,采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化涂层,在3.5%的NaCl溶液中的抗空蚀性能可提高30倍。

研究认为,抗空蚀性能的提高可能是由于激光合金化过程中WC的分解,从而使钨在熔体中的固溶度提高及枝晶碳化物的析出所引起的。

Muthukanann Duraiselvam等则对T-i 6A-l 4V 添加Ni/T-i TiC开展激光表面合金化研究,所得到的合金化涂层致密,几乎无裂纹。

腐蚀实验显示,合金化涂层耐蚀性相对基体增加1.2~1.8倍,耐蚀性的增加主要是由于合金化涂层中金属间化合物所贡献的。

3.激光合金化存在的问题3.1大功率激光加工设备的稳定性和配套性尚未达到工业生产应用水平激光合金化需要大功率或大面积光斑技术(聚焦法、宽带法及转镜法),但当激光输出功率一定时,光斑面积越大,功率密度越低。

光束直径的增大,将使功率密度以平方关系下降。

为了保持激光的高能密度和超快速加热特征,当激光输出功率为Zkw时,光斑的最大理论面积只能为ZommZ,当输出功率为skw时,光斑最大面积只能为50mm2。

若采用宽带扫描装置,光束由圆形变成矩形时,虽一次扫描的面积增大了,但它是以显著降低扫描速度为前提的,且光束的光学特性欠佳。

因此大面积光斑技术是有局限性的。

若采用大功率技术就有一个激光器的功率稳定性问题。

3.2合金化工艺和理论研究尚不成熟与相变强化相比,激光合金化的研究尚不深入,工艺的重现性和可信度不大,实验结果往往难以相互引用,这些问题除继续深入探讨外,尚可寻求其它的工艺方法,如在适当气氛中通过激光束熔化基体表面实现合金化处理。

合金元素可以渗入较深的表面。

表面粗糙度主要取决于样品原始粗糙度、成分、气流速度及喷咀角度,既能控制表面平整度又能强化表层性能。

3.3基体材料对合金粉末的选择性选择合金化粉末时,除了考虑所需要的性能(如合金层硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能等)外,还必须考虑在激光作用下合金化材料进入金属表面时的行为及其与基体金属熔体的相互作用特征,即它们溶解形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数和比容等,以保证满意的合金化效果。

一般要求合金化层与基体达到冶金结合,以提高其结合强度,以及合金层的韧性、抗压、抗弯曲等性能。

激光合金化的合金材料的选择,不仅要考虑表面性能,还须考虑合金化区的表面及内在质量以及合金材料的利用率、来源及价格等。

3.4组织不均匀性合金化组织不均匀性有三个方面:一是合金化熔池内的组织不均匀性,在其横截面内出现组织梯度;二是熔池内的宏观组织不均匀性;三是大面积合金化的搭接区。

激光合金化区组织梯度是指在激光合金化的同一熔池内,由于合金熔池整个截面内存在温度梯度和晶体长大速度的差异,则使最终的激光合金化组织不是单一的凝固组织,而是一种复合性的凝固组织,即沿合金熔池的深度方向出现不同的凝固组织区域。

3.5合金化层的成分控制目前国内外已在从事这方面研究,但还不能做到对合金成分的精确控制,激光熔化过程中各元素烧损系数的系统测定及元素溶入量的精确控制问题仍未解决。

另外,用于激光合金化的自动送料装置尚不完善亦给合金成分的精确控制带来一定困难。

4.激光合金化技术的发展前景及研究方向近年来在工业实践中,尽管传统的表面强化技术有了重大发展和新的突破,但可精确控制的高能激光表面强化技术显示出较大的生命力,在金属表面进行各种物理、冶金强化方面,在石油、化工、电力、运输、纺织机械等方面,在开发超高性能激光应用复合生产中有效利用激光的控制性、灵活性的生产系统有着广阔前景。

随着数千瓦乃至万瓦级大功率激光器的成熟稳定,组合镜或转镜的不断完善,随着大面积合金化工艺的规范化,随着冶金学、金属材料研究方法与激光强化技术的结合,有可能对材质和性能的最优化组合以及金属材料的研究与生产产生重要影响。

为发挥其优势,今后应着重研究解决以下几方面问题。

1.研究和完善大功率激光器及与之配套的适合于合金化的扫描装置。

2.研究开发激光合金化的专用合金化材料,做到对合金层成分进行精确控制。

3.为获得预期的合金化层及优良的性能,需进行激光工艺规范的优化设计。

4.从理论上研究合金层表面不平整的机理,提出克服措施。

5.在裂纹敏感材料中,基体预热和后续处理对开裂倾向的影响规律。

6.在固体状态下,实现气体合金化、硬质粒子喷射合金化、复合硬质合金化,为激光表面合金化提供一种全新的手段。

7.激光合金化后的热处理、机械变形(如喷丸)对表面性能的影响等。

[9]参考文献1.金属表面激光合金化及熔敷处理的研究进展居毅，郭绍义 [J] 20022.材料表面激光合金化研究进展李贵江，许长庆 [J] 20083.Cavitation erosion behavior of WC coatings on CrNiMo stainless steel by laser alloying [J] Xiao-bin Zhang,Chang-sheng Liu 2008.04.28ser Alloyed Coatings of TiB/Graphite on 9Cr18 Stainless Steel Surface2[J] 2007ser Alloying on Chromium-Coated Surface of Nodular Cast Iron [J] 1998.09.30ser alloying of aluminium alloys with chromium A.Almeida,M.Anjos 19957.K H Lo, F T Cheng, C T Kwok, et al. Improvement of cavitation erosion resistance of AISI 316 stainless steel by laser surface alloying using fine WC powder[J]. Surface and Coatings Technology, 2003,165:258-267.8.K Y Chiu, F T Cheng, H C Man. Corrosion behavior of AISI 316L stainless steel surface-modified with NiTi [J]. Surface & Coatings Technology,2006,200:6 054-6 061.9.激光合金化存在的问题和前景陈传忠，孔翠荣 [J] 1996。