激光加工技术 (1)

第十二讲 激光加工技术 (三) 段段 作作 梁梁电子工程学院光电子技术系主 要 内 容12.1 概述12.2 激光切割 12.3 激光焊接 12.4 激光淬火 12.5 激光熔覆与激光合金化 12.6 激光微细加工 12.5 激光熔覆与激光合金化一、激光熔覆 1、激光熔覆技术 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方法，它是利用高能激光束 (104-106W/cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到 102-104/s ，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料能充分发挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计的成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着下列优点： 熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高； 涂层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好； 由于激光作用时间短 (ns级 )，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，对熔覆层的冲淡率相对低 (常规为 5%-8%)，因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的覆层材料； 高达 106/s 的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的组织结构超弥散相、非晶相等； 激光熔覆过程易实现自动化生产，且覆层质量稳定。通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果：a）结合强度高，即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合；b）重熔层平整、缺陷少，即要求重熔层熊充分熔合、脱氧，变得均匀密实；c）涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释，以保持涂层材料特有的高强度或者说要求避免基体和涂层的混合。2、激光熔覆材料(一 ) 激光熔覆材料设计的一般原则(1) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的线膨胀系数的差异，所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配，考虑涂层与基材的线膨胀系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能的影响。目前，大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为，为防止涂层开裂和剥落，涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性原则，即二者应尽可能地接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基材和涂层的加热和冷却过程不同步，熔覆层的线膨胀系数在一定范围内越小，熔覆层对开裂越不敏感。(2) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配在激光熔覆技术中，需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质是其熔点。熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大，形成不了良好的冶金结合。(3) 激光熔覆材料对基材的润湿性除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学稳定性，硬化相质点与新结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中，润湿性也是一个重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层，必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面，主要基于以下原则： 选择适宜的激光熔覆工艺参数，如提高熔覆温度，以降低覆层金属液体的表面能。 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金元素，如在 Cu/Al2O3体系中加入 Ti提高相间润湿性，在基体中添加活性元素 Hf等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。 改善陶瓷粒子的表面状态和结构，即对熔覆用陶瓷颗粒进行表面处理，以提高其表面能。常用的处理方法有机械、物理和化学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在 A1基复合材料中，用 Ag浸润于陶瓷表面形成胶状熔体而构成 Ag涂层，而 Ag与 Al有很好的润湿性，从而形成了 Al与陶瓷间良好的润湿与结合。 (二 ) 熔覆材料的分类及特点激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等，这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用，熔覆时采用火焰喷焊。(1) 自熔性合金材料自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基合金。其主要特点是都含有硅和硼，所以具有自我脱氧和自我造渣的性能，这就是所谓的自熔剂。自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成 Si02和B202，并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料的硬度与合金的含硼量和含碳量有关，硬度随着硼、碳含量的增加而增高，这是因为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢；镍基合金适合于局部耐磨、耐热腐蚀的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高；钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金对基材有较大的适应性，可用于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。(2) 复合粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的 Ni基、 Co基、Fe基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成了金属复合涂层。复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构可以分为包覆型和非完全包覆型，其区别在于芯核粉末是否被包覆粉末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可以避免在高温时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬质耐磨复合粉末 (如 Co/WC， Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化复合粉末、减磨润滑复合粉末等。自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中，粉末自己产生的放热反应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体系，包括 (Co/Ni)/WC和 (NiCr， NiCrAl)/Cr3C2等系列，这些材料具有很高的硬度和良好的耐磨性，其中 (Co/Ni)/WC适合于低温的工作条件，而 (NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系列则适合于高温工作环境。(3) 氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热、耐磨、耐腐蚀等性能，是一种重要的热喷涂材料，包括氧化铝和氧化镍系列。其中氧化镍陶瓷粉末比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震性，所以主要被用作热保障层材料。尽管激光熔覆金属陶瓷材料 有着诸多优异的性能，受到人们的重视，但在应用中存在的问题仍不容忽视。首先是陶瓷材料与基体金属的线膨胀系数、弹性模量及热导率等性能差别较大，这些性能的不匹配，造成了涂层中出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用过程中将产生变形开裂、剥落损坏等现象。其次，由于激光辐照时，激光熔池中形成的高温，基体熔体和颗粒间的相互作用以及颗粒加人引起熔池中能量、动量和质量传输条件的改变等，这些使涂层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解，并进而影响基体的相组成，使原设计的复合涂层基体和增强体不能充分发挥各自的优势，造成烧损。再者，激光熔覆金属陶瓷技术是通过外加陶瓷相的方法形成的颗粒相，这给熔覆工艺带来了一定的难度，特别是当外加陶瓷相含量较高时，就很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外，硬质陶瓷相和粘结金属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素。为了解决上述问题，在选择陶瓷材料时可遵循如下原则： 选择陶瓷与金属间能够发生化学反应的陶瓷与金属材料； 可能生成的反应产物要与原金属或原陶瓷相间有较好的相容性，即相似的晶体结构，相近的晶格常数等，且产物不能过大过多，最好以复合材料的形式出现； 尽可能减小陶瓷与基体金属材料的线膨胀系数和密度的差异，以避免凝固后形成的固 /固界面不匹配，从而降低裂纹形成的趋势； 从固 /液界面角度，要求预置的陶瓷涂层在熔化时对于基体具有很好的润湿性和铺展性，也就是说，涂层的表面张力必须小于基体的临界表面张力， 涂层 /基体界面并非单层几何面，面是多层的过渡区，这一界面区可能由几个亚层组成，每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。根据固态相变及化学键的理论，可在涂层中添加某些元索，使之对陶瓷及基材产生良好的化学作用，在界面上形成共价键结合，提高界面强度。3、激光熔覆工艺方法 1） 工艺方法分类根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种：合金同步法和合金前置法。2）基材熔覆表面预处理为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀。3）预热和后热处理其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层产生裂纹，因此，适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷缩产生的应力，增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂纹，特别是对于易于开裂的基材必须预热，在熔覆层裂纹倾向较小的情况下，有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。预热的方法主要有火焰枪加热、感应加热和火炉内加热等，其中前两种加热常用于基材表层一定范围内的预热，并可实现预热和激光熔覆同步进行。由于预热降低了表面的冷却速度，因此可能引起激光熔覆合全层的硬度有所降低，但是对于一些合金 (Ni合金等 )，则可以通过后续热处理恢复其硬度。激光熔覆后的后热处理是一种保温处理，可以用于消除和减少熔覆层的残余应力；消除或减少熔覆产生的有害的热影响，并且可以防止冷淬火的热影响区发生马氏体相变。后热处理通常采用火炉内加热保温，经过充分的保温后，随火炉冷却或降到某一温度出炉空气冷却，包括加热温度、保温时间和冷却方式都要视后热处理的目的、基材和熔覆层的特性而定。4）激光熔覆工艺过程因为激光熔覆工艺是一个复杂的物理、化学和冶金过程，也是一种对裂纹特别敏感的工艺过程，其裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的每一个因素，包括基材、合金粉末、前置方式、预涂厚度、送粉速率、激光功率、扫描速率、光斑尺寸等多种因素各自和相互间的影响。实践证明：合理选材以及最佳工艺参数配合是保证熔覆层质量的重要因素。在激光熔覆工艺中还有单道、多道、单层、多层等多种形式。单道单层工艺是最基本的工艺，多道和多层熔覆过程则会出现对前一过程的回火软化和出现裂纹等问题；通过多道搭界和多层叠加，可以实现宽度和厚度的增加。5）激光熔覆层的微观组织特征工艺参数对熔覆层尺寸和组织的影响。在常规功率密度 (103-l06W/cm2)时进行激光熔覆时，可以在 0.11s 的时间内完成整个熔覆过程，如此高的加热和冷却速度使得熔覆层的组织有许多特点。一般来说，激光熔覆层的组织结构分为三个区域：熔化区、过渡区和热影响区，在不同的合金成分以及工艺条件下的实际形态有一些差别。 4、激光熔覆防开裂对策（ 1）裂纹产生的原因裂纹产生的原因很多，但主要还是与激光熔覆处理后材料内部在较大的残余应力有关。其来源可分为两部分：热应力和相变应力。如果基材与熔覆材料二者的热物理参数（如线膨胀系数、热导率等）差别较大，在高能激光束的作用下，很容易导致热应力的产生。激光熔覆层中的裂纹大多是由于在熔覆层内的局部热应力超过材料的屈服强度极限产生的。另一方面，熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材的固态相变等都会发生体积变化，均会产生组织应力。当这两部风应力综合作用结果表现为拉应力状态时，容易在气孔、夹杂物的尖端等处形成应力集中，导致裂纹产生。（ 2）抑制熔覆开裂的方法A调整应力状态，尽可能降低拉应力（ 1）适当降低熔覆层的线膨胀系数；（ 2）预热和熔覆后续处理。B优化工艺方法与参数（ 1）选择合适的粉末尺寸、形状以及使用复合包覆粉末；（ 2）选择合理的功率密度；（ 3）合理的扫描速度、粉粉速度；（ 4）采用复合粉末；（ 5）可设置过渡涂层（ 6）加入稀土元素，可净化与细化。C添加合金元素，提高抗开裂能力。（ 1）合金化增加韧性相。对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素，在满足其使用性能的基础上，增加其韧性相，提高覆层的韧性，对抑制其热裂纹的产生是一种有效的方法。研究也表明： Fe基合金中加入 Ni、 Co能降低合金熔覆层的开裂敏感性。这主要是 Ni使熔覆层组织中韧性相 的含量增加，同时熔覆层组织将由共晶组织想非共晶组织变化，而树枝状非共晶组织可以降低激光熔覆层开裂敏感性。随着 Ni含量的变化，熔覆层搭接区的结晶方向发生了变化而导致裂纹走向与激光扫描方向的夹角减少，直至裂纹消失。然而通过合金化提高熔覆层韧性来抑制熔覆层开裂，亦会有一些副作用，其中最明显的是熔覆层的硬度下降，降低了熔覆层的使用性能。（ 2）合金化改变组织状态。激光熔覆层热裂纹与焊接热裂纹有许多相似之处。对于 Ni、 Cr不锈钢的焊接来说，已有一个较为传统的理论，那就是将合金钢焊缝中单纯的 相，通过调制 Cr、 Ni含量，使焊缝组织中存在 + 两相有利于减少裂纹的产生。这主要是因为 相相对有害夹杂如 P、S有更大的固溶度，大大减少原来有害夹杂物 P、 S在晶界处的偏析，从而减少由于夹杂偏析所造成的热裂纹倾向。其次是 相的分散存在可使 相的枝晶发展收到限制，从而起到一定细化组织作用。 5、激光熔覆技术的应用 (1) 汽车制造业； (2) 航天航空业； (3) 石油工业； (4) 热能动力工业激光熔覆的实际应用存在的问题： 激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置尚未达到工业生产应用的水平。激光熔覆处理要求大功率激光束的稳定性，对光斑的能量均匀分布要求较高。 激光熔理当前存在的主要问题是熔覆层表面不平整，后续机加工量较大，且合金层与基体的交界处易出现裂纹和孔洞等缺陷，给实际应用带来很大的困难。 目前，激光处理系统的固定资产及维持费用相对常规的堆焊和喷镀层来说比较昂贵，这就使得激光处理过的产品成本较高，这也是激光熔覆处理还没有大规模地在油田上实际应用的主要原因之一。综上所述，激光熔覆处理是一种快速凝固技术，它可以产生平衡状态下所无法获得的优异组织和性能。对基材无限制，可根据使用性能要求设计涂层的成分组成，在廉价钢材上可制备出性能优异的高合金钢表层且与基体的结合强度高，是其他表面处理工艺所无法比拟的，特别适合于油田上处于腐蚀、摩擦和磨损工况条件下常见易损件的表面处理与修复。尽管目前还存在一些应用上的问题，但随着人们对其理论和工艺研究的逐渐深入和趋于完善，相信在不久的将来定会在工业中挖掘出它的巨大潜力和产生深远的影响。二、激光合金化 1、激光合金化技术基础 （一） 激光合金化概述知识激光合金化 (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，形成厚度为 10-l000 um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