激光熔覆 作业

2015 年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

学生所在院（系）:材料学院

学生所在学科:材料加工工程

学生姓名:王保全

学号:14S D09004

铝合金的激光熔覆

摘要：阐述了铝合金激光熔覆的研究进展，介绍了激光熔覆的原理、方法、特点等，提出了今后铝合金激光熔覆工艺的发展趋势。

关键词：激光熔覆；铝合金；表面强化

Laser Cladding on Al Alloys

Abstract: The research development of laser cladding on Al alloy surface was summarized. The principle, procedure, characteristics, etc. of laser cladding on Al alloys was introduced. Finally, the development trend of laser cladding on Al alloys was put forward.

Key words: laser cladding; Al alloys; surface hardening

1前言

铝合金分为两类，即变形铝合金和铸造铝合金。铝合金由于合金元素的加入大大提高了强度，同时又保留了铝的其他特性，因此在许多场合是其他材料难以取代的，被大量应用于各行各业。作为一种轻金属，铝合金除在航空航天领域广泛使用外，也越来越受到交通运输等部门的高度重视，如铝质发动机已广泛应用于轿车之中，而全铝结构轿车也已经问世。

但是，对有些要求表面具有良好耐磨性的零件，采用常规铝合金往往不能满足使用要求。如为了提高铝质发动机阀座和活塞等零件的耐磨性，不得不采用整体合金化或镶嵌铜质垫片等方法。这些方法或者造价昂贵或者工艺复杂。因此，对铝合金表面进行强化处理是提高表面耐磨性的必由之路，而使用激光则是最有效的途径。

激光熔覆的实验研究始于20 世纪70 年代,早期对激光熔覆的研究主要集中于熔覆层性能、熔覆工艺、熔覆层的微观组织结构以及激光熔覆工艺应用等方面的研究。现代激光熔覆主要集中在激光熔覆基础理论和模型，激光熔覆专用材料研制，激光熔覆机制，激光熔覆过程检测与控制，激光熔覆送粉系统研制用激光熔覆制备新材料，基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究。

总体来说，激光熔覆的研究主要包括熔覆材料，工艺参数设计，涂层组织性能研究，熔覆过程的数值模拟和专用设备研制等方面。

2激光熔覆原理和方法

激光熔覆是材料表面改性技术的一种重要方法，它是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。

根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种（图1），即合金预置法和合金同步供应法。

合金预置法是指将待熔覆的合金材料以某种方法预先覆盖在基材表面，然后采用激光束在合金预覆层表面照射，合金预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热传导将表面热量向内部传输，使整个合金预覆层及部分基材熔化，激光离开后熔化的金属快速凝固而在基材表面形成冶金结合的合金熔覆层。

（a）（b）

图1 激光熔覆原理示意

（a）预置式；（b）同步式。

合金材料可以是粉末，也可以是丝材或板材。对于粉末类合金材料，主要采用热喷涂或粘结等进行预置。热喷涂包括火焰喷涂和等离子喷涂，其主要优点是喷涂效率高，涂层厚度均匀且与基材结合牢固。不足之处是粉末利用率低，需要专门的设备和技术。粘结法是采用粘结剂将合金粉末调和成膏状涂在基材表面，该方法的主要缺点是效率低，且难以获得厚度均匀的涂层，故通常只在实验室使用。

对丝材类合金材料，既可以采用专门的热喷涂设备进行喷涂沉积，也可以采用粘结法预置。对板类合金材料主要采用粘结法或者将合金板材与基材预压在一起。

合金同步供应法是指采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料直接送入激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔化，然后冷却结晶形成熔覆层。合金同步供应法工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好，可以熔覆甚至直接成型复杂三维形状的工件。合金同步供应法使用的合金材料可以是粉末、丝材或板材。由于激光熔敷合金材料多数为粉末形式，从80年代以来，同步送粉激光熔覆技术受到高度重视。图2所示为同步送粉激光熔覆系统示意图。送粉系统主要包括送分器和送粉头两部分。

图2同步送粉激光熔覆系统示意

送粉器根据粉末送出原理一般分为自重式、气送式或两者兼用。气送式送粉器具有较高的柔性，是激光熔覆应用的首选。其原理和结构与等离子体粉末用送粉器没有本质的区别，但对送粉精度和送粉的稳定性要求较高。

简单的送粉头是由粉末自重流出，或通过气流喷射。这种送粉方式粉末束形状和落点均无法有效控制，更无法配合光束形状，因此无法保证熔覆层质量的均匀性，且粉末浪费严重。我国国家产学研激光中心研制开发的一种汇聚粉末束的喷粉装置克服了这种缺点。该系统利用通州保护气，通过喷头将粉末束汇聚在气帘中。根据光斑形状，喷头有圆形和矩形两种结构形式。图3所示为圆形喷头粉末自由束流与同轴气保护汇聚束流的比较，这种汇聚束流使粉末具有良好的挺度和可控性，可用于任意复杂工件表面的激光三维熔覆。

激光熔覆的主要目的是在廉价金属表面形成高性能的合金层，达到降低成本、提高零件表面耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化等综合性能。因此，希望合金层处于最能保持其本身性能的状态，即在保证与基材冶金结合的同时，最少地被基材稀释。基于以上原因，激光熔覆要求其稀释率要尽可能的低。一般认为其稀释率应小于10%，最好在5%左右，以保证高的表面涂层性能。

3铝合金激光熔覆特点及适用范围

与其他表面强化处理相比，激光表面强化具有以下特点：

⑴加热、冷却速度快，处理效率高。

⑵激光能量、光斑大小和形状以及激光照射时间可以精确控制，强化效果

好。

⑶只在需要的部位改性处理，热输入低，工件变形小，甚至基本无变形。

⑷激光束易于传输和导向，因此可以对复杂零件表面进行处理，如深孔和

沟槽表面。

⑸易于实现自动化控制，劳动生产率高。

⑹节省能源，不产生环境污染。

激光相变硬化原理是在激光照射下使材料表面快速加热至奥氏体化温度，随后通过热量往机体内部的传导，使被加热表面以很快的速度冷却，从而获得细小的马氏体组织，以提高零件表面的耐磨性。它还可以通过在表面产生压应力来提高疲劳强度，但仅适用于固态具有多形性转变的钢铁类材料。

激光熔凝硬化是在激光照射下使材料表面局部区域快速加热至熔化，随后借助于冷态的基体金属的热传导作用，使用化区域快速凝固，形成组织结构极其细小的非平衡铸态组织。这种组织硬度高，耐磨，抗蚀性好。当加热速度很快或激光照射时间极短时，对于某些合金，熔化层快速凝固后将得到非晶表面，具有极好的耐磨损和抗腐蚀性能，这就是激光非晶化，有时也叫激光玻璃化。变形铝合金中，那些不可以用热处理方法强化的铝合金多为单相合金，其强度的获得只是靠固溶强化和冷作硬化。对于这类合金，采用激光熔化处理后，硬度的增加并不明显。对于变形铝合金中那些可以热处理的强化的铝合金，激光重熔后的强化效果取决于合金的初始状态。

激光合金化中为了使合金化元素对铝基体产生强化作用，引入的合金元素必须与铝基体满足液态互溶、固态有限互溶或完全不容的热力学条件，这样才能在