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 : 1 4 S D 0 9 0 0 4 铝合金的激光熔覆铝合金的激光熔覆 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 1 前言前言 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） 图图 1 1 激光熔覆原理示意激光熔覆原理示意 （a a）预置式；（预置式；（b b）同步式。）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 3 铝合金激光熔覆特点及适用范围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： 1加热、冷却速度快，处理效率高。 2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。 3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。 4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。 5易于实现自动化控制，劳动生产率高。 6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 能在激光照射后的快速凝固条件下达到固溶强化、沉淀强化或第二相强化等效 果。 激光熔覆是以激光束为热源在工件表面熔接一层成分和性能完全不同于集 体而又与基体具有冶金结合的合金表层，以提高表面的耐磨、抗蚀性能。激光 熔覆技术作为材料表面改性技术的一种有效手段，可以显著改善金属材料表面 的强度、硬度、耐磨、抗高温氧化和耐腐蚀等性能。与表面合金化不同，激光 熔覆要求基体材料仅在表面一极薄层熔化，以保证熔覆材料最大限度地不被熔 化的基体材料所稀释。这样的合金熔覆层基本保持了其原有成分和性质不变。 在这种情况下，稀释被认为是一种污染，将降低熔覆层的性能。比之合金化， 激光熔覆能更好地控制表层的成分、厚度和性能。 4 铝合金激光熔覆应用举例及误差分析铝合金激光熔覆应用举例及误差分析 在铝合金零件表面熔覆一层特殊耐磨合金已开始走向工业应用。在汽车工 业中，现在已开始大量采用铝质发动机。但是，铝合金的耐磨性差，对于要求 表面耐磨的零件，可以采用激光熔覆技术在零件表面熔覆一层耐磨合金层。 除了传统意义上的修复受损零件、材料表面改性等应用外，激光熔覆还可 以快速制造金属原型零部件。熔覆过程也可结合填丝技术。图 示出一种活塞环 内体阀座齿圈的熔覆技术。采用了药芯焊丝做填充材料，直接涂敷在各道齿圈 内表面上。激光束和焊丝均沿设计的倾斜角度送达涂敷部位，可有效地完成内 表面的熔覆加工。相对送粉熔覆，涂层质量较光整。 铝合金激光熔覆技术已开始在工业中得以应用，其典型代表是日本丰田汽 车公司在汽车发动机铝合金缸盖上激光熔覆铜合金直接制备出气阀座圈，取代 传统粉末冶金座圈的镶压工艺，使得气阀座的耐磨性、润滑性、耐咬粘性及冷 却性均得到了提高。延长了阀座寿命，改善了汽车发动机的性能。 现在，这种 工艺在日本和美国等国家均已得到应用，并已建立了工业生产线。当前，我国 的航天航空和汽车工业正处于发展阶段，尤其是汽车有着广阔的市场。高强度 铝合金的应用必将越来越广泛。因此，铝合金激光熔覆技术的开发和应用有着 巨大的潜力。 送粉精度和送粉的稳定性要求较高，激光作用时间控制需要准确控制。 5 结语结语 随着科学技术的不断发展和进步，激光熔覆技术将具有更为广阔的发展前 景。但仍需解决以下问题才能适应其发展：研制开发适合熔覆专用的材料体 系采取有效的手段检测熔覆过程中的应力，从根本上消除应力造成的裂纹问 题建立起适用的量化理论!通过数值模拟方法提高熔覆层的质量激光熔覆设 备的改进和研制，研制出光束质量高而且稳定的熔覆装备。 参考文献参考文献 1 ZHANG Jian，WU Wenni, ZHAO Longzhi. Research Progress and Development Trend of Laser Cladding. Hot Working Technology 2013,Vol.42,No.6 2 LIN Gang, WA