激光熔覆技术 毕业设计论文.doc

1. 引言1.1 本课题的研究背景及意义激光熔覆技术（laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法1。按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视2。特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密， 因而硬度一般较高， 耐磨、 耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中 都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。 图1.1 激光熔覆原理示意图 1.2 本课题国内外研究现状 激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。目前，激光器主要有3种：co2激光器、yag固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10kw的co2气体激光器，另一种是输出功率为500w左右的yag固体激光器。其中工业上用来进行表面改性的多为co2大功率激光器。近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000w大功率co2气体激光器、100-500w固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用ccd红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授3；2.激光熔覆制备耐磨涂层4；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响5；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响6；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能7；7.mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能8；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能9；3.激光熔覆恢复零件和工具性能10；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余应力分布11，如图3；5.激光熔覆涂层电化学性质12；6.mg合金表面激光熔覆显微组织性能13。北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具,如密歇根大学；(2)激光熔覆tib2制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金,如田纳西大学。亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1)激光熔覆应用于增强零件机械性能,如日本丰田、尼桑汽车公司和三菱公司等；(2)激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层，如新加坡南洋理工大学等；(3)激光熔覆过程显微裂纹和残余应力,如日本名古屋大学guojian xu,munaharu kutsuna等,通过化学成分不变(cccmlc)和化学成分成梯度分布(fgmmlc)多层熔覆层不同的方法,在碳钢jis-sm400b表面熔覆钨铬钴合金和wc合金熔覆层,指出显微裂纹产生的敏感性fg-mmlc低于 图1.2 熔化区与凝固区的形状模型 图1.3 残余应力分布曲线cccmlc14。然而，无论是国内还是国外,对激光熔覆的研究只是限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料的熔覆,而后对激光熔覆层显微结构、组织、显微硬度、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究,指出这些性能均得到了提高;有些学者在激光熔覆加工过程中对某种材料所采用不同的工艺参数(如激光扫描速度不同、激光功率不同等参数)条件下进行激光熔覆加工,而后对熔覆层进行比较,指出这种材料的最佳激光熔覆工艺参数。且激光熔覆加工过程工艺参数的确定每次均是通过几次实验来确定,而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性)的条件下,对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少。伴随着计算机技术的不断发展和进步，激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进15。1.3 本课题要研究或解决的问题及采用的研究手段要解决问题钛合金由于具有密度低、比强度高、抗蚀性优异、高温机械性能好等突出优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但是钛合金存在摩擦系数高，耐磨性差等缺点，严重限制了钛合金作为摩擦磨损副零部件的应用。因此，采用先进的表面改性技术直接在钛合金表面制备耐磨涂层是解决上述问题的有效办法。tic是一种低密度、高熔点、高弹性模量的陶瓷材料。由于其具有较低的反应生成自由能，因而是一种很有潜力的以抗磨料磨损为目标的颗粒增强金属基复合材料的硬质相。本文要解决的问题是如何通过合理控制熔覆过程中的各项工艺参数（如激光功率、光斑直径、扫描速度、作用时间、搭接率等）在钛合金表面涂覆tic，以形成耐磨涂层，达到较好的熔敷效果并控制裂纹的产生。采用方法1.选用bt9钛合金作为试样，试样尺寸为18mm18mm33mm.用平均直径140m的tic丝材在氩气保护的氛围下进行同步送丝熔覆，控制每次只有一个参数发生变化。2.在mm-200型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸10mm10mm10mm.用精度为0.1mg的sartorius bs 110s型电子天平称量试样及标样的质量磨损。3.通过减小温度梯度的方法（如正火、退火）或使用超声波震动的方法减少或控制裂纹的产生。2. 激光与材料的相互作用2.1 原理概述 激光加工主要是利用激光的热能，激光加工的热源是高辐射强度的激光束。激光束经由光学系统聚焦后，其焦点的功率密度为104-1011wcm-2。被加工工件置于激光焦点附近进行加热，所以，激光加工的过程实际上就是高轻度的激光束与工件表面相互作用的过程。激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的16,17。光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子。随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为l= 4dt1/2, 其中l为扩散距离，d为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。它们大致上可以分为以下几个范围：脉冲宽度为10ms左右，聚焦功率密度为104wcm-2作用于金属表面时，金属表面主要产生升温、相变现象，此现象主要用于激光表面硬化热处理；脉冲宽度为数毫秒，聚焦功率密度在104-107wcm-2范围内作用于金属表面时，金属材料主要产生升温、熔化和热应力波现象，该现象主要用于激光焊接和激光合金化的表面处理；当脉冲宽度在0.1ms左右，激光功率达到108wcm-2时，金属材料中除了产生升温和熔化外，主要是汽化，同时还存在着激波和骇波的冲击，这些现象主要用于激光打孔、切割、划片和微调工艺。当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。表一 列出了使用248nm波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。人们认为，采用飞秒脉冲时，由于功率密度高、时帧短，激光与材料间的相互作用发生在多光子非线性过程中。此过程极为迅速，因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子，而不影响临近原子。由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层，因而适合微加工。 材料 激光种类 热扩散率（cm2/sec） 吸收长度（cm） 脉冲宽度(ps) 不锈钢 准分子 0.056 0.00001 446 镍 准分子 0.13 0.00001 114 硅 准分子 0.86 0.00001 29 表2.1 对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于表i中计算的临界值，但这样还不够。还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。选定合适的波长后，就要确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。激光加工与电子束加工、等离子束和一般的机械加工相比较，具有以下特点：1） 激光束的激光焦点小，功率密度大，能加工一些高熔点、高强度的合金材料，也能加工如陶瓷、金刚石、玻璃之类的非金属硬脆性材料以及其他的一些普通工艺难以加工的材料；2） 激光热加工是无接触加工，不需要钻头、刀具和冲压模具等工具。没有磨损工具，断裂和调换工具等问题。故激光束是一种永久锋利的、多用途的、能把材料加工成任意形状的机械加工工具；3） 激光热加工自动化程度高，可用计算机进行控制，加工速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的加工；4） 激光热加工的热影响区小，材料变形小，不需要后续处理；5） 激光处理不需要淬火介质，无公害，有利于保护环境；6） 激光可以透过玻璃加工真空容器内的工件以及处于复杂结构位置的工件；7） 激光热加工与电子束加工相比，不需要严格的真空设备，操作方便。 图 2.1一般来说，激光和金属的相互作用，占优势的机理依赖于激光脉冲的持续时间、波长、功率密度和尖峰结构。对于较低的功率水平来讲，如数量级为105瓦/厘米2或更低的长脉冲持续时间，熔融占优势；当功率水平提高到107瓦/厘米2，脉冲的持续时间大于100微妙时，汽化将占主导地位。 航空发动机副零部件的磨损机理航空发动机副零部件（轴承）是工作在高速高温的环境下。按标准的航空发动机设计，采用双半内圈三点接触式内导引结构，具体工况条件见表2.1。在众多失效形式中，最典型和普遍的是导引面严重破损，而非接触疲劳。图2.2（1）给出了轴承在上述工况下发动机实验前后的照片。轴承产生了严重的磨损，这种磨损发生在轴承内部的主要摩擦面上，包括保持架和内圈之间的导引面、滚动体和外圈的沟道之间。磨损后的轴承内部结构参数遭到彻底破坏，而且出现了如图2.2（2）所示的引导面“软磨硬”的异常磨损现象，即较软的保持架引导面磨损较轻，淬硬的不锈钢套圈磨损较严重，。运转9h保持架直径的磨损量为0.18mm，而套圈的直径磨损量为6.06mm；此外，轴承还出现了热失稳。 严重时产生的局部高温有可能使轴承退火，甚至熔化，导致轴承元件断裂， 套圈和滚动体咬死，如图2.2（3）。 表2.2转速（r/min） 材料载荷谱最大载荷（n）滑油温度（）寿命（h）尺寸（mm）储存期（年）球和套圈保持架径向轴向进油回油 300 9cr18 钢 1500 4000 8015018050256217 810 图2.2（1） 图2.2（2） 图2.2（3） 此外，这种高速高温轴承同样存在磨料磨损，由于采用了牺牲型铸铁密封环，密封面磨损下来的颗粒进入循环的润滑油系统，有限的润滑油存在严重的颗粒污染，因此加剧了滚动体、滚道、保持架等接触部位的磨损。加之钛合金摩擦系数高、抗磨损性差等特点，更加加剧了轴承的磨损。 固体材料宏观光学常量间的关系光波（电磁辐射）在不带电的、各向同性的导电媒质中传播时，服从麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组出发可得：式中，激光在介质中的电场强度e，0和0是自由空间的介电常数和磁导率，r是媒质的相对介电常数。是媒质的电导率。对于磁场强度h也可获得类似的方程。现考虑沿x方向传播的平面电磁波取e的一个分量ey，其表示式为：式中e0为ey的振幅，为角频率，为平面波沿x方向的传播速度。将(2.1.2)式代入(2.1.1)式，得：因为光波在媒质中的传播速度应等于cn，其中n是媒质的折射率，c是真空中光速，因此，有：显然，当0时，n为复数，设代入(2.1.2)式，得对于磁场强度分量hz，可得出相似的式子从上述两个式子得知，0时，光波以cn的速度沿x方向传播，其振幅按e-amx/c的形式下降。这里n是通常的折射率，而则是表征光能衰减的量，称为消光系数。因此，光强按e-2amx/c衰减，即：引入比例系数，得：i，积分可得：称为媒质的吸收系数，它的物理意义是：光在媒质中传播1/距离时能量减弱到原来能量的1/e。将(2.1.8)、(2.1.9)式相比，得吸收系数：式中是自由空间中光的波长。因为将(2.1.11)式代入(2.1.3)，利用实部和虚部分别相等及关系式，并求解方程组得：当0时，。这说明对于非导电性材料，没有光吸收，材料为透明状。在电介质中，电磁波没有衰减地传播；而在导电媒质中，如在金属和半导体中，波的振幅随着透入的深度而减小，即存在光吸收。2.2 激光在固态介质中的微观吸收机理 如上所述，当激光通过固体材料时，激光与固体材料中的电子、激子、晶格振动、杂质和缺陷等发生相互作用，产生了对激光的吸收。以上的讨论仅仅把材料看成一种连续介质，完全不考虑材料的微观结构，因此得出的有关结论没有给出吸收的根源，也无法解释这样一个基本事实，即材料对激光的吸收和激光的波长有关。在某些波长，一些材料对激光是透明的，而对另一些材料却是强烈吸收，对某些材料激光却是被散射的。2.3 激光在金属材料中的吸收 按照激光吸收的洛伦兹模型，金属中的吸收主要由自由电子来完成。自由电子可以在电场力的作用下自由移动，不受回复力作用，0=0,因此，由复介电常数的分量变为：1=n2-k2=1-2pj/(2+2j) (2.3.1)2=2nk=2pjj/(3+2j) (2.3.2)如果只有一种衰减为的自由电子，上两式中求和符号已然无用，于是变为：1=n2-k2=1-2p/(2+2) (2.3.3)2=2nk= 2p/(3+2) (2.3.4) 经抽象化简整理可得：n和k的表达式.由于在大多数金属中，等离子频率p远大于，因此，在激光频率远小于等离子频率时，n和k迅速增大，此时，激光被金属反射，吸收很少;在等离子频率附近，=p-2/2p-p时，n出现一个极小值，而k值单调下降，因此，在等离子频率附近，激光被很好地吸收；当激光频率继续上升，n迅速接近于1，而k迅速变为0，此时金属对激光是透明的。事实上，金属除了对极高能的紫外线和更高频的x射线是透明的以外，对其余辐射都是不透明的；而金属的等离子频率处于紫外到近红外波段，因此从近红外激光、可见光到紫外激光对金属加工较为有利；对于远红外激光，金属几乎是反射的，因此加工金属若是用远红外激光，就必须对表面采取必要的增强吸收措施，或者使用超高能级光束。2.4 激光在固态介质中的散射光散射现象是由于固态介质中存在有非均匀的颗粒结构或因为组成物质的分子和原子的固有振动对光电磁场产生影响，使得一部分光束在原传播方向上略微偏离原光轴，同时还可能伴有光频率的改变。如果散射光的频率未发生改变，那么该散射称为瑞利散射；如果散射光的频率发生改变，那么该散射称为拉曼散射。由物质粒子结构引起的散射现象称为丁达尔散射。散射现象也是使得透射光线减弱的原因之一，因此，在尺度有限的物质中光的吸收包括入射束的吸收和散射减弱。2.5 激光在固态介质中的非线性吸收激光是一种极强的辐射，除了以上讨论的问题外，由于电磁场和物质的非线性相互作用，激光吸收还体现为其他一些非线性吸收现象。2.6 钛合金的性能 金属元素钛处于元素周期表的第四周期iva族，原子序数22，是过渡金属。金属钛的熔点为1675，密度为4.508g/cm3，是典型的负电性元素。钛在882具有同素异构转变点tc，在小于tc的低温侧,其组织为具有密排六方晶格的相,在大于tc的高温侧,其组织为具有体心立方晶格的相。钛与其它常用结构金属的性能如表21所示18，19。 表2.3 钛与常用金属的性能对比以钛为基加入各种金属或非金属元素就形成了钛合金，其中随着钛中加入的合金元素不同，/相变点将发生变化，并产生宽温度的相变区，从而产生+两相区。使/相变点上升，,且在平衡相图上扩大相区的元素是相稳定元素，如al、c、o、n等。反之，使/相变点下降，且在平衡相图上扩大相区的元素是相稳定元素，如mo、nb、v、zr等。根据常温结构相的种类,大致可将钛合金分为型、+型和型三类。 一般来说，具有密排六方晶格结构的金属(如zn、mg等)都具有脆性大、不易产生塑性变形等特点。在室温下纯钛也具有型密排六方晶格结构，但是其晶格常数c=0.46843nm，a=0.29511nm,轴比c/a=1.587，小于密排六方晶格结构轴比的理论值1.633，因而纯钛具有优良的塑性变形能力和加工性能。其中，高纯钛的=5060%,%=7080%，甚至可以在室温下进行冷轧20，21，22。 高纯钛的抗拉强度不高，b=220260mpa，经细晶强化后可达350700mpa。加入某些强化元素(如co、v、nb等)后，钛合金的抗拉强度为7001200mpa，甚至可达到1400mpa23，24，超过了普通钢材的抗拉强度，几乎相当于超高强度钢的强度。然而，钛的密度仅为4.508g/cm3，因此钛及其合金的比强度相当高，而比强度高正是钛合金的最大特性之一。 钛及钛合金的另一个重要特性是具有优良的耐腐蚀性能。钛的标准电极电位为-1.63v，因此钛的化学性质极其活泼，和氧、氮、氢和碳等元素有很强的亲和力。在550以卜，钛及钛合金钝化能力比较强，能在其表面形成致密的氧化膜，与基体结合紧密，具有良好的保护作用25，因而钛及钛合金具有优良的耐腐蚀性能。此外，钛镍合金的形状记忆功能十分突出26，是当前材料工作者研究最多、工业应用最为广泛的形状记忆合金。 钛合金作为一种新型结构材料，近年来得到普遍重视，用量呈现大幅度增加的趋势，被广泛应用于航天航空、石油化工、舰船、汽车、医疗、文体等领域。在先进飞机上，钛合金获得了大量应用。目前，世界各国的高速飞机都广泛地采用钛合金作为结构材料。各种飞机零件，小至螺钉、螺母等连接件，大至机身骨架、隔框等结构件，都可以用钛合金来制造。甚至，长达6米、重达2吨的飞机起落架主支撑梁也可以用钛合金制造。如苏一27飞机上各种钛合金零件占飞机结构重量的15%，美国第三代战斗机f-14和f-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别高达24%和27%，第四代战斗机f-22上钛合金用量已达41%，而素有“全钛飞机”之称的美国yf-12a战斗机是当前世界上应用钛合金数量最多的机种，全机结构的93%用钛合金制造。钛合金的优点也适合航空发动机设计的需要。在航空发动机上，钛合金己部分取代铝合金、镁合金及钢铁材料。目前，先进航空发动机的压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，已实现压气机全钛化方案27，28，29。随着飞机性能的不断提高与钛合金零件加工工艺的不断改进，可以预料钛合金在航空航天材料中将占有更加重要的位置。 除航天航空领域外，钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的地方主要是石油化工行业，特别是对纯钛的应用。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、泵、阀、板、件等。在欧洲几个主要的发达国家，钛合金在化工领域的用量占到钛合金生产总量的40%左右，而在日本，约80%以上的钛合金应用于该领域。 在舰船领域，由于钛合金优良的耐海水腐蚀性能、无磁性等特点，其应用十分广泛。俄罗斯采用钛合金作为核潜艇的耐压材料，使潜艇的安全可靠性得以大大提高、设备体积缩小、重量减轻，从而增加了潜艇的有效载重量，减小了海水系统设备破损事故和维修保养次数，延长了使用寿命，提高战术技术性能。美国也成功地将钛合金用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船，其船用部位有海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器和轴、弹簧、航母上的消防设备等。我国也已成功地将钛合金应用在鱼雷发射装置液压水缸、危急冷却器、泵、阀及管道系统等方面30，31。 在新一代汽车设计中，减轻重量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动是设计者们考虑的重要因素。作为轻合金的钛合金由于其密度小、比强度和比刚度高，将会被更多的设计人员选用32。预计到2006年，我国仅汽车、摩托车用钛总量就将达到5000吨。随着钛合金的成本降低(连铸、连轧等低成本工艺的开发和应用)，钛合金将在汽车工业中占有越来越重要的地位。在生物医学上，由于钛合金无毒、耐蚀、质轻且强度高，是非常理想的医用金属材料，被广泛用作手术器械和植入人体的植入物，如人造髓关节、膝关节等33，34。 在文体用品领域，钛合金正以极高的速度进入市场，并己经形成一定的规模。其中以比赛用自行车和高尔夫球头最具代表性。钛制自行车质轻、强度高且防震性能优越，几乎所有的比赛用自行车都己采用钛材。而高尔夫球头选用钛合金制造后，具有接触球面大、重量轻、易于控制、易击中目标等优点35。 对电子行业而言钛合金无磁性、无毒，是传感器的理想材料。此外，笔记本电脑、手机、照相机、钓鱼用具、眼镜架等已越来越多地采用钛合金材料。 钛是我国矿藏资源较为丰富的元素。开发钛金属的应用领域对提高我国的资源利用率和因际地位具有十分重要的意义。多年来，我国海绵钛和钛加工材的产能和产量均在3000吨/年以下，与美、日、俄等国有数级的差距，仅占世界总产量的3%一5%。这种状况与中国作为世界钢铁大国的状况相比，形成了鲜明的反差，我国的钛/钢比、钛/有色金属比，均低于世界平均水平。因此，尽快解决钛合金材料表面性能较低的缺陷将极大地推动钛合金的应用，其意义十分重大。 作为一种新型的结构材料，钛合金也具有一些性能上的缺点。首先，钛合金的摩擦系数高，耐磨性差，对粘着磨损和微动磨损非常敏感，其表面容易划伤、啮合、咬死等。在550以卜，钛合金表面能在大气中形成致密且与基体紧密结合的氧化膜，起到良好的保护作用。但当使用温度超过550时，氧化膜开始被基体金属吸收，此时基体金属钛便能与大气中的氧、氮等气体发生强烈反应，甚至着火燃烧，从而造成基体金属的严重污染，并使金属迅速脆化，使工件无法使用。此外，钛合金还具有与生物骨组织的生物相容性差以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点，这些缺点都严重制约着钛合金的应用。材料的许多性能往往取决于材料的表面性能，钛合金亦是如此。由于摩擦、磨损、高温氧化等失效行为以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点均起源于钦合金表面，并由其表面的物理、化学性能所决定，因此，提高钛合金关键零部件的耐磨性能、抗高温氧化性能以及生物力学相容性等“表面性能，成为钛合金应用研制进程中必须攻克的重要课题。2.7 tic的性能tic密度4.93g/cm3,浅灰色，立方晶系，不溶于水，具有很高的化学稳定性，几乎不与盐酸、硫酸起化学反应，但能溶于王水，硝酸，氢氟酸以及碱性强氧化物的溶液中。碳化钛是硬质合金的重要成分，用做金属陶瓷，具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点。用作航空航天材料正好能弥补ti合金的不足。2.8 热影响区组织 热影响区分成两部分，一部分是非熔化区，另一部分是切割缝边缘的熔化区。结果表明:tc1钛合金的原始组织由等轴的相和与之相间分布的黑色相组成，其基本相由相和相组成。整个热影响区的组织由内向外晶粒逐渐变大。非熔化区明显比熔化区晶粒细小，组织特征为胞状晶，组织中的相发生了马氏体转变，由初生的相和针状马氏体组成21。与其他金属及合金相比，钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐热性强、耐低温性好、可焊接等优良的综合性能，因此在飞机制造中的应用越来越多22。钛合金的性能与它的显微组织结构有关联，而显微组织形貌与热处理制度有密切关系。在不同的加热、冷却条件下，钛合金中呈现不同组织。图2.3为热影响区的50倍照片，热影响区宽度为150-350m，整个热影响区从上到下有很小的锥度呈上窄下宽，这是由光源位置决定的。由窄向宽的方向是激光入射的方向，激光切割后，切割缝正面的热影响区较反面窄。采用激光切割，切割速度快，能量密度集中，使得热影响区较窄。如图3切口部位金相组织可以分为两部分，第一部分非熔化区组织，范围100-250 m;第二部分激光切缝最边缘部分的熔化区组织，此部分是由熔融的金属冷却后形成的区域，范围10-100 m。不同参数下切割，整个热影响区宽度有所改变。整个热影响区的组织由非熔化区向熔化区晶粒逐渐变大(如图2.4)。组织特征为胞状晶，组织中的相发生了马氏体转变，由初生的相和针状马氏体组成。由于非熔化区的最高加热温度和冷却速度都较低，马氏体相变相对较少，因此此区域的针状马氏体相对于熔化区少很多，也更加细小23。（图2.3）热影响区50倍金相照片 （图2.4）热影响区500倍照片激光切割时高压辅助气体吹走了熔融的合金，在切割缝边缘部分会残留由熔融或者半熔融金属冷却形成的部分，粘连在热影响区边缘部分，形成了切割缝边缘特殊的金相组织。切割缝中晶粒较为粗大，这种情况的发生与tc1合金的物理性能密切相关。tcl合金熔点高，导热性差(是铁导热系数的四分之一)，且比热小36-41。因此过热区高温停留时间长(在相同冷却条件下，比钢长2.53倍)，冷速缓慢，其结果使过热区出现较为粗大的晶粒组织。切割缝的组织为典型的马氏体，属于加热到相变点以上而快速冷却时，出现的无扩散型转变。晶粒内是针状的相，此相为铝及锰在六方晶格的钛中的过饱和相。形成的针状相贯穿整个原晶粒，针与针之间相互平行(如图2.5)（图2.5）熔化区500倍金相照片3 激光熔敷工艺3.1 加工方案选择3.1.1 激光器的组成及分类激光器的组成激光器虽然多种多样，但都是通过激励和受激辐射而获得激光，因此激光器的基本组成通常均由激活介质(即被激励后能产生粒子数反转的工作物质)、激励装置(即能使激活介质发生粒子数反转的能源，泵浦源)和光学谐振腔(即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜)3部分组成。(1)激活介质：激光的产生必须选择合适的工作物质或介质，在这种介质中有亚稳态能级，可以实现粒子数反转，这是获得激光的必要条件。这种激活介质可以是气体、液体，也可以是固体或半导体等。现有的工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。(2)激励装置：为了在工作介质中实现粒子数反转，必须用一定的方法去激励粒子体系，使处于高能级的粒子数增加。通常用气体放电的办法，利用具有动能的电子去激发介质原子，这种激励方式称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；此外还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于高能级的粒子数多于低能级的粒子数。(3)光学谐振腔：有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射的强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。光在谐振腔中的两个镜子之间被反射回到工作介质中，继续诱发新的受激辐射，光得到迅速增强，光在谐振腔中来回振荡，这个过程持续下去，就会造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出得到稳定的激光。 激光器的分类经过30多年的发展，现已开发的激光器超过200种，种类繁多，特点各异，用途也各不相同。激光器可按以下方法进行分类。(1)按工作介质来分有固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器，此外，还有化学激光器(靠化学反应而形成受激状态)和自由电子激光器等。固体激光器：固体激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了用红宝石和玻璃外，常用的还有在钇铝石榴石(yag)晶体中掺入三价钕离子(nd)的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器连续功率一般可达1000w以上，脉冲峰值功率可达109w。一般固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。近年来发展十分迅猛的光纤激光器，其工作物质是一段光纤，光纤中掺不同的元素，能够产生波段范围很宽的激光。液体激光器：常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长的激光(在可见光范围)。染料激光器一般使用激光作泵浦源，常用的有氩离子激光器。液体激光器的工作原理比较复杂，它的优点是输出波长连续可调且覆盖面宽。气体激光器：工作物质主要以气体状态进行发射的激光器，在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞)及固体(如金属离子结构的铜，镉等粒子)，经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体工作物质是所使用的工作物质中数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的一类激光器。气体激光器所采用的工作物质，可以是原子气体、分子气体和电离化离子气体，为此，把它们相应地称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。在原子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，所用的气体主要是几种惰性气体(如氦、氖、氩、氪、氙等)，有时也可采用某些金属原子(如铜、锌、镉、铯、汞等)蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是hene气体激光器。在分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有co2、co、n2、h2和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳(co2)激光器和氮分子(n2)激光器。离子气体激光器是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子(ar+)激光器、氪离子(kr+)激光器等。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、工作介质均匀、光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作的优点。因此，它是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60左右。 半导体激光器：半导体激光器是以半导体材料作为工作介质，目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。半导体激光器的激励方式主要有3种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器一般是由gaas(砷化镓)、inas(砷化铟)、insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励。光泵式半导体激光器，一般用n型或p型半导体单晶(如gaas、insb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用n型或者p型半导体单晶(如pbs、cds、zbo等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式gaas二极管激光器。半导体激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上使用。20世纪70年代末期，由于光纤通信和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。(2)按波长来分，覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外，最近还研制出x射线激光器和正在开发的射线激光器。(3)按激励方式不同，有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等。(4)按输出方式不同，有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲的，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。(5)按激活介质的粒子结构不同，有原子、离子、分子和自由电子激光器。氦氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的，另外还有二氧化碳分子发射的激光器。激光的频率可以连续变化，而且可以覆盖很宽的频率范围。3.1.2 激光器选择熔覆用激光的脉冲宽度一般在几毫秒，聚焦功率密度在104-107wcm-2范围内，而激光熔敷就是利用激光的热能把基材和熔覆材料同时熔化，从而形成新的组织，达到改变材料使用性能的要求。因此，材料对激光的吸收率就显得尤为重要，然而材料对激光的吸收率又跟激光的参数和材料自身的性质有关，常用于激光熔覆的激光器有大功率的连续二氧化碳激光器，但某些场合也用百瓦级的二氧化碳激光器42。但是co2 激光器也有其缺陷，就是波长较长，钛合金对其吸收率较小。随着大功率nd：yag激光器的发展，采用nd：yag做激光熔覆的不断增多4347。由于其光束可用光纤传输，明显提高了零件处理的柔性，方便遥控操作。又由于它波长较之co2 短，能量在工件上的反射损失少，提高了能量的耦合效率。综合各方面因素，这里选用nd：yag激光器。 图 3.1nd：yag激光器是一种用钕掺杂钇铝石榴石晶体作为发光物质的固体激光器，又称钇铝石榴石激光器。它输出的激光波长为1.06微米，落在红外光的范围48，49,50。图3.1为nd：yag激光器的典型结构：其中氙灯或氪灯为能量来源，yag晶体提供离子，氙灯或氪灯激发yag晶体中的离子使之发生能级跃迁产生激光，聚光器把产生的激光聚在一起，全反射镜和部分反射镜组成光学谐振腔，其作用是将经过聚光器聚集的激光进行放大。3.1.3 激光器工作方式的选择激光器的工作方式可分为连续激光、脉冲激光、巨脉冲激光和超短脉冲激光。连续激光是激光泵浦源持续提供能量，在激光工作物质中长时间地建立离子数反转条件，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合用于要求激光连续工作的场合（如激光通信、激光手术等）。脉冲激光是指每隔一定的时间发射一次的工作方式，脉冲激光具有较高的输出功率，适用于激光熔覆、切割、测距等。常见的脉冲激光器有固体激光器中的钇铝石榴石（yag）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等。还有氮分子激光器和准分子激光器。这里选用脉冲激光，其中脉冲时间为0.1s。3.1.4 光学元件和匀光系统选择在激光加工中，激光器输出的激光经过导光系统、聚焦系统或匀光系统等光学系统，照射到被加工工件上，以满足加工的要求。根据加工的不同要求，选择相应的激光波长、输出功率、运转形式(连续或脉冲)、激光模式等，所需的激光元器件也不同。合理选择激光光学元件和光学系统是保证加工质量的重要因素。光学元件的选择光学元件分为反射型和透射型。激光器的全反射镜、导光系统中的高反射率转折镜和光路中的反射镜等是反射型光学元件。反射型光学元件不存在色散，其光学特性是对不同波长光的反射率。用于反射型光学元件的材料应在工作波段有良好的反射率。对于红外激光，用来制作反射镜的材料有铜、钼、硅、锗等。金、银、铜对co2激光的反射率和热导率较大，很容易导出表面吸收的激光能量，所以破坏阈值很高，适合制作c02激光的反射镜。纯铜硬度低，不易进行光学抛光，一般是将铜粗磨后镀镍、铬，再精密抛光，镀金或红外介质膜。钼镜的硬度高，熔点高，激光加工中的溅射物不易黏附在表面，可擦拭污染表面，所以易污染的加工部位可选用钼镜。硅的热导率很大，线胀系数很小，只有铜的15，因而不易受热畸变，热稳定性好，其硬度很高，便于进行光学抛光。硅对c02激光的反射率低而吸收率高，抛光镀膜后可用作反射镜。但其破坏阈值低，一般在低功率密度下使用。锗是co2激光10600nm波长的透射材料，反射率很低，镀膜后反射率可达99以上。锗的硬度也很高，便于进行光学抛光，但它的吸收率随温度的变化很大，只适合于低功率激光器。砷化镓的吸收率小，基底材料抗破坏阈值大于1.5105wcm2，尽管它对红外光的反射率很低，但经过镀膜后反射率可达99以上，可以用作高功率激光器的反射镜。激光器的输出镜、聚焦系统的透镜、光路中的棱镜等均为透射型光学元件。用于透射型光学元件的材料应在工作波段有良好的透过率。在激光加工常用激光器中，co2激光器输出波长为10600nm的红外光，不能透过普通光学玻璃，一般情况输出功率也很高，因此需要特殊的输出窗口和透射光学元件材料；nd：yag激光器输出波长为1064nm的红外光，可以采用普通光学玻璃作为输出窗口和透射光学元件材料，采用最多的材料是硅酸硼冕牌玻璃，其透光波段为0.41.4m，被广泛用来制作透镜、反射镜、棱镜等。常用的co2激光透射材料有三种半导体材料：锗(ge，对10600nm波长的折射率n4)、砷化镓(gaas，对10600nm波长的折射率n3.277)、硒化锌(znse，对10600nm波长的折射率n2.4)。前两者对可见光不透明，后者对可见光的黄光和红光部分透明，用其制作输出窗口时，可用氦氖激光器的红光作为准直光来调光路。锗在超过350c以上时吸收率和透过率将发生明显变化，这将严重影响到激光器的输出功率和稳定性，因此锗材料只能用于小功率激光器，并且窗口还需水冷。砷化镓的热破坏温度最高，适用于高功率激光器。绝大多数材料的吸收率随温度的升高而增大。半导体材料对红外光的吸收主要是自由载流子吸收，吸收随温度上升按指数规律增加。材料吸收红外光后产生热量，半导体内自由载流子受热产生运动又增加了对红外光的吸收，如此循环，当温度升到破坏阈值时，窗口或透镜等透射元件将产生热破坏。由于硒化锌不仅对可见光透射，而且吸收率最低，因此我国的高功率co2激光器多采用硒化锌制作窗口和聚焦透镜。也可以采用氯化钾(kcl)或氯化钠(nacl)作为co2激光的透射材料，它们属于碱金属类红外材料，吸收率很低，对10600 nm波长的折射率为1.5，折射率温度系数为负。根据所选激光器，这里选用普通光学玻璃作为透射型光学元件。匀光系统的选择为获得均匀的激光表面处理带，以及提高处理效率，研制了多种匀光光束处理燕系统。这些系统有反射式、透视式和光纤传输式等。(1) 卡塞格伦光学系统(cassegrain optics)，凸凹面组合镜51。(2)波导积分器52，它是方形截面光管积分镜，可得到方形光斑，能量接近等强分布。(3)旋转多面镜。得到展宽且能量分布较均匀的扫描带。(4)积分抛物面镜53。镜组没有运动而得到线形光斑。(5)振镜，采用一面或互相垂直的两个平面镜扫描。这种镜组柔性较高，但要求控制技术较高54。(6)可变形镜面55，镜片厚度在0.815mm，背部为真空室，由5个平行丝杠支撑，调节丝枉上下，同时调真空度，使镜面变形。获得线形光斑。（7)分割可调组合镜，各镜片由其背后的螺丝调整方向，使镜面的法线不平行，得到光强较均匀的矩形斑。(8)透射式棱锥积分镜为等边棱锥，产生正方形光斑，光斑尺寸可由调节透镜位置而变化。(9)旋转三棱镜，形成环形光斑，可对环形表面实现无起止搭接点回火的硬化带。(10)双束处理系统：主光束为处理加热，辅助(第2)光束(功率较小)作为后热或预热，以减少处理区的温度梯度，防止开裂。使用功率相同的双激光柬，可展宽硬化带。(11)nd：yag激光可用光纤传输，自由传