激光表面合金化

2 实验结果与分析
2.1 微观组织分析
在激光作用下， 由于热扩散和合 金化的共同作用，熔化部分和未熔化 部分在温度梯度和Ni 浓度方面存在差 别，因而表、里层处理后得到的组织 不同，如图1 所示。可见，垂直于激 光扫描方向的截面形貌明显分层：有 合金化层、过渡区、热影响区和基体。 合金化层的组织形态为细小的枝晶； 过渡区组织具有枝晶网状结构； 而且 越靠近热影响区，越具有明显的网状 特性。
的弯曲路线分布；热影响
区晶粒分布出现不均匀， 偶尔有粗大晶粒出现，对 硬度有一定程度的影响。
图2(c)为合金化层微 观形貌。可见，合金化层 的微观组织结构与镍含量
有关， 在镍含量较低的地
方为极细小的马氏体，另 外还有铁素体+碳化物相；
而在镍含量较高的地方为
以奥氏体为基的胞状树枝 晶，其中碳化物在奥氏体 晶间形成连续网。
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）耐磨耐蚀性
在某些恶劣的工况条件下,要求工件能够具有一 定的耐腐蚀磨损性能,以满足实际工况需要。不同
的研究人员实验表明,采用合适的工艺对基体材料
进行激光合金化表面处理,合金化涂层的耐磨耐蚀
速度高，所以偏析极小，并且细化晶粒效果显著。
利用激光合金化技术可使廉价的普通材料 表面获得有益的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能， 从面可以取代昂贵的整体合金；并可改善不锈 钢、铝合金和钛合金的耐磨性能；亦可制备传 统治金方法无法得到的某些特殊材料，如超导 合金，表面金属玻璃等。所以对节能、节材， 提高产品零件的使用寿命具有重大的意义。
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[13 ] 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。 Mut hukanann Duraiselvam 等则对Ti26Al24V 添加Ni/ Ti2TiC 开展激光表面合金化研究,所得到的合金化涂层致密,几
性、抗压、耐弯曲等性能。
2. 激光表面合金化的磨损性能
静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时 的耐磨性比45钢（淬火态），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提 高12倍。宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。
在冲击磨损条件下，合金化后材料的耐磨性也有很大的提
高。WC/Co合金层的耐磨性相当于45钢（淬火态）的6倍。在 C/Co中加入Ti20％(质量分数，下同）和TiC30％后，耐磨性也 分别提高3仿与5倍。
合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷 层厚度不易控制。
2、硬质粒子喷射法
在工作表面形成激光熔池的同时，从一喷嘴中将碳 化物或氮化物等难熔硬质粒子，用惰性气体直接喷入激 光熔池得到弥散硬化层。厚度一般为0.01-0.3cm，它取 决于扫描速度、激光功率和光斑尺寸。典型操作条件是： 光斑直径 2mm，激光功率6kW、扫描速度5cm/s 。通过 向激光熔化的AISITI和M2高速钢制切削工具表面注入六 方结构氮化硼粉末，能产生具有超高硬度的高质量合金
化层。
3、激光气体合金化
在适当的气氛中（氮气、渗碳气氛等），采用
激光加热熔化基材表面、通过气氛中的气体与基材
的反应使材料表面的成分发生改变。激光气体合金
化的厚度比那些经过长时间固态反应处理所获得的 厚度要大得多。它主要用于AI、Ti及其合金等软基 材合金化处理，分别可获得TiN、TiC或Ti（C，N） 等表面化合物层，硬度高达HV1000以上。
图2(a)为基体微观 形貌。可见，基体区与 激光辐照表面相距较远， 而体积较大，热量传到
此处其能量密度较小，
不能引起基体组织发生 变化。经激光合金化处 理后，仍然保持它原有 的一切特性，仍为铁素
体+珠光体。
图2(b)为合金化后的 微观形貌。可见，合金化 层晶粒细小均匀，热影响 区次之，基体晶粒最为粗 大。合金化区的小片状碳 化物在胞状组织的枝晶区 以不规则方式沿枝晶组织
基于上述特点，激光合金化在金属加工工业
中逐渐开始获得各种应用。迄今适合于激光合金
化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、
钴合金和铝合金，合金化元素包括Cr、Ni、W、Ti、 Mn、B、V、Co、Mo等。
二、激光表面合金化的强化机制
1、合金层硬度
以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV， 由于碳化物量很高，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达
激光表面合金化的强化，应是相变硬化、
固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果。而
合金层能获得超出基体材料的硬度及大幅度提
高耐磨性，主要是碳化物第二相强化的结果，
所以在以耐磨性为目的的合金化研究中，碳化
物第二相强化是最主要的强化机制。
三、激光合金化工艺
激光合金化采用的工艺有三种： 1、预置法； 2、硬质粒子喷射法； 3、气相合金化法。
合金化，可以根据合金化成分来控制，得到高硬度的合金层。
当然，并不是所有的合金元素或化合物都能很好的与基体金属
达到激光合金化的理想效果。为达到预期目的和实际生产的需要,在 研究中普遍遵循如下的原则；
1）必须考虑到合金化元素或化合物与基体金属熔体间相互作用的特性,
如可熔解性、形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数及比容等。 2）必须考虑在合金化区形成的物相对合金化强化效果的影响,如硬度、 耐磨性、耐蚀性及高温下的抗氧化行为等。 3）必须考虑表面合金层与基体间呈冶金结合的牢固性, 以及合金层的脆
激光表面合金化的强化机制，是相变硬化、固溶强化和碳 化物强化的综合强化结果。WC/Co合金化后基体为马氏体，M6C 型碳化物的硬度为1300HV左右，在磨损时，将首先选择性磨损 马氏体基体，碳化物渐渐露出磨面，由于碳化物网的支撑作用，
所以合金化展表现出极高的耐磨性。
在Cr3C2/Ni-Cr的合金化层中，基材含有较多奥氏体；硬 度较低（600～800HV）。在磨损时，基体磨损很快，但一显露 出网状碳化物后，因其碳化物M7C3硬度很高（2100HV），就起 了很好的支撑作用。呈现了较好的耐磨性。
四、激光表面合金化涂层组织特性与
性能
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织特征类型有三种: ①平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;
激光表面合金化
一、激光合金化概述
激光合金化(Laser Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性 处理的一种新方法，激光合金化工艺属于材料表面改性处理的范畴。它是指 在高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金 元素同时快速熔化、混合，在很短的时间（0.1~10s）内形成厚度为10-
性能够同时得到改善。
田永生对Ti26Al24V 分别添加碳、氮、硼进行激光 合金化的硬度为1 100～1 300 HV ,明显高于Ti26Al24V (约405 HV) ,磨损试验表明,合金化涂层的耐磨性是基 体的3～4 倍。当采用碳、氮、硼或TiC、TiN 等粉末进 行复合合金化后,分别进行激光合金化后合金层的硬度 为可达1 600～1 700 HV ,耐磨性能高于基体5 倍以上,
合金层的磨损表面比较平整,形成的沟槽较浅,未发生粘
着磨损。而基体的磨损表面粗糙,存在较深的沟槽,并呈 现粘着磨损,经稀土化处理后,其耐蚀性得到进一步提高。
45 钢激光表面合金化
1 、实验材料和方法
基材为45 钢，表面镀镍，镀镍层厚2～3μm。镀镍后，将试样表 面黑化，以增强材料表面对激光的吸收。实验工艺参数如表1 所示， 保护气体(氩气)流量为5L/min。 采用JHM-1GX-200B 型Nd：YAG 脉冲激光器进行合金化实验；用
2.2 显微硬度分析
通过微观组织分析，选取合金化效 果较好的试件1#～4# 测试显微硬度， 结果如图3 所示。可见，基体硬度约为 200HV，镀镍层硬度约为300HV，比基体 硬度有所提高， 而合金化后显微硬度 最高可达700HV，明显高于基体硬度。 随着层深的增加硬度减小，这是由于镍 含量减少所导致的。在合金化层与过渡 区附近硬度明显下降， 但仍然高于基 材组织的显微硬度； 而在热影响区硬 度又有所改善，硬度缓慢升高，硬度值 低于合金区；随着合金化层深的增加， 硬度又依次递减。
②胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;
③胞状树枝晶→树枝晶。
激光合金化涂层典型组织
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。
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。
1000HV以上。
Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布着网状碳化物，析出的碳化 物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较
稀。故表层硬度也只有1000HV左右。
在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中 出现奥氏体。Ni的加入量越多，奥氏体量越高。硬度也随着下降。激光表面
激光表面合金化工艺的最大特点，是只在熔化区和
很小的影响区内发生了成分、组织和性能的变化，对基
体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它 既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特 性。由于合金元素是完全溶解于表层内，因此所获得的 薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也不敏感。 其另一显著特点是所用的激光功率密度很高(104-108 W/cm2)。熔化深度由激光功率和照射时间来控制，在基 体金属表面可形成深度为0.01-2mm的合金层。由于冷却
4XB-TV 金相显微镜分析微观组织形貌；用HXS-1000 数字式智能显微
硬度计测试合金化层的显微硬度，载荷4.9N，保压20s。 由于主要观察区为合金区， 而合金区镍原子浓度比较高， 故采 用镍基合金腐蚀液(4gCuSO4·5H2O 、20ml HCL、20ml H2O)充分擦拭 之后，进行金相观察。
2000um的表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达l05-108℃／s，相
当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作 用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅仅在报短时间内(50us-2ms)形
成具有要求深度和化学成分的表面合金化层，快速熔化非平衡过程可使合金
元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不容易 得到的化合物、介稳相和新相，还能在合化元素消耗量很低的倩况下获得具 有特殊性能的表面合金。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能，所以 就达到了表而改性处理的目的。
1、预置法
采用电沉积、 气相沉积、 离子 注入、 刷涂、 渗层重熔、 火焰及等 离子喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要 求的合金粉末事先涂覆在要合金化的 材料表面，然后激光加热熔化，在表
面形成新的合金层。这种方法在一些
铁基表面进行合金化时普遍采用。粘 结剂涂刷预涂覆的优点是经济、 方便、
不受合金元素的限制以及易于进行混
与普通电弧表面硬化和等离子喷涂相比，激 光合金化有下列优越性
① 激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播。 ② 是一种快速处理方法，能有效利用能量。 ③ 能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧硬化 与等离子喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热 冲击，造成交形和开裂，往往需要校直和打磨加工。 ④ 能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦， 在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。