（光学专业论文）激光熔覆原位自生ticn陶瓷涂层组织性能研究.pdf

a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gy u l i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 取得 写过 同工 示谢 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年留一年口一年半口 学位论文作者签名：如嘲 签字日期： 1 。乙 两年口 导师签名： 签字日期：了皖彳，7 7 摘要 本文结合激光熔覆和自生复合材料制各技术，提出激光熔覆原位自生陶瓷涂层的新 方法，并以廉价的氮气、钛粉和石墨碳粉为原料，在t i 6 a 1 4 v 合金表面成功制备了以 t i ( c ，n ) 陶瓷相为主的复合陶瓷涂层，结合x 射线衍射( x r d ) 、光学金相显微镜( o m ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 及能谱仪( e d s ) 等测试分析方法和手段，对熔覆层的物相成 分、宏观形貌、显微组织及微区成分分布分别进行了分析和讨论，并通过显微硬度测试 及摩擦磨损试验对熔覆层的机械力学性能进行了分析研究。 ( 1 ) 根据吉布斯自由能( 厶g ) 判据，从热力学角度分析论证了激光熔覆原位生 成t i c c , n ) 陶瓷的可行性，并建立了在本试验条件下t i 与c 和n 反应的热力学判据，粗 略地阐述激光熔覆过程中t i ( c ，n ) 陶瓷的形成机理。 ( 2 ) 工艺参数试验表明，激光工艺参数( 如工作电流、离焦量、扫描速度、氮气 气压、脉冲宽度和脉冲频率等) 对原位生成t i ( c ，n ) 有很大影响。 x r d 和e d s 的分析结果显示，熔覆层中主要的物相有t i c o 2 n o 8 、t i n 和部分n 的氧化物，并且在熔覆层中合金元素t i 、c 、n 的分布也比较均匀。 结合o m 及s e m 分析结果，对激光熔覆层的凝固行为和组织特点进行了研究。研 究结果表明，不同参数下熔池中的温度梯度和冷却速度都有很大差别，因此成分过冷程 度也有所不同，导致形成的组织类型、大小和分布也相差很大，但各试样熔覆层中均以 胞状晶、枝状晶和等轴晶为主。熔覆层凝固时，首先在熔池与基体的交界面处形核，晶 体垂直于交界面向熔池中心方向生长成粗大的枝状晶，然后固液界面推移到熔池内形成 细小的枝晶。 工艺参数试验结果表明，最优工艺参数为：电流取1 5 0 - - - 2 0 0 a 、离焦量取1 5 m m 、 扫描速度取2 0 - 4 0 m m s 、氮气气压取0 2 - - 0 4 m p a 、脉冲宽度取3 0 r n s ，而脉冲频率取 为8 - 1 5 h z 。在以上参数下，钛合金表面可生成以t i c o z n o 8 为主的t i ( c ，n ) 陶瓷层。 ( 3 ) 对熔覆层的显微硬度及耐磨性能进行了测试分析。 显微硬度分析结果表明，熔覆层的显微硬度普遍是基体显微硬度的2 7 倍，且在 纵向呈现出阶梯状分布。在最优化条件下，熔覆层的显微硬度值最高，为1 4 7 0 h v o 2 热影响区次之；基体最低，为3 3 0 h v o 2 熔覆层的硬度提高了4 倍。熔覆层的强化机制 主要有细晶、硬质相弥散、过饱和固溶和位错堆积等。 经优化的工艺参数处理后，材料的耐磨性能得到明显提高。标准试样的平均磨损量 i i i 东北大学硕士学位论文 摘要 为0 0 3 1 9 9 ，试验试样的平均磨损量为0 0 0 3 4 3 3 9 ，则样品相对磨损性为9 3 ，即经过 激光熔覆陶瓷涂层后的钛合金的耐磨性比处理前增强了9 倍。试验试样的磨损表面比标 准试样光滑，磨痕也很浅。熔覆层的摩擦磨损机制主要是磨粒磨损，基体则以粘着磨损 为主。 关键词：激光熔覆；原位自生：w i ( c ，n ) ；显微组织 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f i n s i t us y n t h e s i z e d t i ( c ，n ) c e r a m i cc o a t i n gb y l a s e rc l a d d i n g a b s t r a c t an e wm e t h o dt h a ti n - s i t us y n t h e s i z e dl a s e rs u r f a c ec l a d d i n go fc e r a m i cl a y e rc o m b i n i n g l a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u ea n di n s i t um e t a l m a t r i xc o m p o s i t ep r o d u c i n gt e c h n i q u eh a sb e e n s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h i sr e s e a r c hf i e l di sw i d ea tp r e s e n t i n s i t u s y n t h e s i z e dt i ( c ，n ) c e r a m i cc o a t i n g o nt i 6 a 1 4 vt i t a n i u m a l l o y s u b s t r a t eh a sb e e n s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yu s eo fc h e a pn i t r o g e n ，t i t a n i u ma n dg r a p h i t ec a r b o np o w d e ra sr a w m a t e r i a l t h ep h a s ec o m p o s i t i o n ，m a c r o s c o p i cv i e w , m i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o d i s t r i b u t i o no f t h ec l a d d i n gl a y e r sh a v eb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e db yu s i n gx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， o p t i c a lm e t a l l u r g ym i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e r g y d i s p e r s es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h el a y e r sa r ea l s or e s e a r c h e db y m i c r o h a r d n e s sa n df r i c t i o n a lw e a l t e s t ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eb a s i so f q ，t h et e n d e n c yo ft h e r m o d y n a m i c sf o rp o s s i b l ef o r m e d p h a s eh a v eb e e na n a l y z e d t h er e a s o nw h yt i ( c ，n ) c a nb ef o r m e dh a sb e e ne x p l a i n e d a tt h e s a m et i m e ，t h em e c h a n i s m sa m o n gt i t a n i u m ( t i ) a n dc a r b o n ( c ) a n dn i t r o g e n ( n ) w e r e t e s t i f i e d t h o s ea b o v ec a nb eu s e dt od e s c r i b el a s e rc l a d d i n gp r o c e s so ft h et i ( c ，n ) c e r a m i c c o a t i n ga p p r o x i m a t e l y ( 2 ) t h er e s u l t ss h o wt h a tl a s e rt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( s u c h 鼬w o r k i n gc u r r e n t ， d e f o c u sd i s t a n c e ，s c a n n i n gv e l o c i t y , p r e s s u r eo f n 2 ，p u l s ew i d t ha n dp u l s ef r e q u e n c y ) h a v ea g r e a ti m p a c to ni n - s i t us y n t h e s i z e dt i ( c , n ) c e r a m i cc o a t i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fx r da n de d s ，t h em a i np h a s e sw h i c hw e r ef o u n di nt h e c l a d d i n gc o a t i n ga r et i c o 2 n o 8 ，t i na n ds o m eo x i d eo ft i t a n i u m ，t h ea l l o y i n ga g e n t st i ，c ，a n d nd i s t r i b u t eu n i f o r m l ya sw e l l t h es o l i d i f i c a t i o na n dt h em i c r o s t r u c t u r e so ft h ec l a d d i n gl a y e r sa r ea l s os t u d i e di nt h i s p a p e rw i t i lo ma n ds e mt e s tr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e g r e eo fc o n s t i t u t i o n a l s u p e r c o o l i n gi sd i f f e r e n tf o rt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dc o o l i n gv e l o c i t ya l ed i f f e r e n ti nt h e m o l t e nb a t h 研mv a r i o u st e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，w h i c hl e a d st od i f f e r e n ts t r u c t u r a lt y p e ， s i z ea n dd i s t r i b u t i o n ，b u tt h em a i nc r y s t a ls t ) r l e si nt h ec o a t i n g sa r ec e l l u l a rc r y s t a l ，f i r - t r e e v 东北大学硕士学位论文a b s t r a e t c r y s t a la n de q u i a xc r y s t a l w h e ns o l i d i f i c a t i o no fc l a d d i n gc o a t i n gb e g i n s ，n u c l e u sf i r s t f o r m e di nt h ei n t e r f a c eo fm o l t e nb a t ha n ds u b s t r a t e ，t h ec r y s t a lg r o w st of o r ml a r g ef i r - t r e e c r y s t a lt o w a r dt h ec e n t e ro fm o l t e nb a t hv e r t i c a l l yw i t ht h ei n t e r f a c e ，t h e nt h es o l i d - l i q u i d i n t e r f a c ec o m e si n t ot h em o l t e nb a t ht of o r mt i n yd e n d r i t e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o ri n - s i t us y n t h e s i z e d m e t h o dt o g e tt i c o 2 n o 8c e r a m i cc o a t i n ga r e ：15 0 2 0 0 aw o r k i n gc u r r e n t ，15 r a md e f o c u s d i s t a n c e ，2 0 4 0 m m ss c a n n i n gv e l o c i t y , o 2 o 4 m p ap r e s s u r eo f n 2 ，3 0 m sp u l s ew i d t h ，a n d 8 - 15 h z p u l s ef r e q u e n c y ( 3 ) m i c r o h a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo ft h ec o a t i n ga r et e s t e da n da n a l y s e d t h er e s u l t so fm i c r o h a r d n e s sa n a l y s e sd e m o n s t r a t et h a tt h em i c r o h a r d n e s so ft h e c l a d d i n gl a y e r si s2 - 7t i m e sg r e a t e rt h a nt h es u b s t r a t e ，a n ds h o w sg r a d e dd i s t r i b u t i o nf r o mt h e s u r f a c et os u b s t r a t e u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，t h em i c r o h a r d n e s so ft h ec l a d d i n gl a y e r s h a st h eh i g h e s tv a l u eo f14 7 0 h v o 2 ；t h eh e a t e f f e c t e dz o n eh a sl o w e rm i c r o h a r d n e s st h a nt h e c l a d d i n gl a y e r ；a n dt h e s u b s t r a t eh a st h el o w e s tv a l u eo f3 3 0 h v 0 2 ，t h em i c r o h a r d n e s so f c o a t i n gi sa l m o s t4t i m e sg r e a t e rt h a nt h es u b s t r a t e t h em a i ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so f t h e c o a t i n g a r e f i n e g r a i ns t r e n g t h e n i n g ，h a r d yp a r t i c l e sd i s p e r s i n gs t r e n g t h e n i n g ， s u p e r s a t u r a t i o ns o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ga n dd i s l o c a t i o np i l e u ps t r e n g t h e n i n g w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo ft h ec o a t i n gi si m p r o v e dp r o m i n e n t l yb yl a s e rc l a d d i n g 、i t h t h eo p t i m a ll a s e rp a r a m e t e r s t h ea v e r a g ew e a r i n gc a p a c i t yo fs t a n d a r ds p e c i m e ni s0 0 319 9 ， a n dt h ev a l u eo fe x p e r i m e n t a ls p e c i m e ni s0 0 0 3 4 3 3 9 ，s ot h er e l a t i v ew e a r a b i l i t yi s9 3 i t s e a s yt os a yt h a tt h ew e a r - r e s i s t i n gp m p e r t yo ft h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n gi si n c r e a s e d9t i m e s t h a nt h et i t a n i u ma l l o yw i t h o u ta n yp r o c e s s t h ew e a l s u r f a c eo fe x p e r i m e n t a ls p e c i m e ni s m u c hs m o o t h e rt h a nt h es t a n d a r ds p e c i m e n ，a n dt h eg r i n d i n gc r a c ki ss h a l l o w e r t h em a i n a b r a s i v em e c h a n i s mi nt h ec o a t i n gi sg r a i n a b r a s i o n ，a n dt h a ti nt h e s u b s t r a t ei sm a i n l y a d h e s i o nw e a l k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；i n - s i t us y n t h e s i s ；t i ( c m ；m i c r o s t r u c t u r e v i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 钛合金性能特点及其表面强化2 1 2 1 钛合金的性能特点2 1 2 2 钛合金的表面强化2 1 3 激光加工概述4 1 3 1 激光的特性4 1 3 2 激光加工的特点、类型和应用5 1 4 激光熔覆5 1 4 1 激光熔覆技术及其特点“5 1 4 2 激光熔覆的基础理论一6 1 4 3 激光熔覆技术的研究现状及展望8 1 5 原位反应自生t i ( c , n ) 陶瓷涂层9 1 5 1t i ( c , n ) 陶瓷涂层特点及制备方法9 1 5 2 原位反应自生陶瓷涂层”1 l 1 6 本文研究的目的和内容1 2 第2 章试验设计1 3 2 1 试验技术路线设计1 3 2 2 试验步骤1 4 2 3 试验材料1 4 2 3 1 基体材料1 4 2 3 2 涂层材料1 4 2 4 激光熔覆工艺参数试验样品的制备1 6 v i i 东北大学硕士学位论文 2 5 试验设备 2 5 1 激光器 2 5 2 分析测试设备 第3 章工艺参数对原位生成t i ( c ，n ) 陶瓷及其组织结构的影响 3 1 激光熔覆层的热力学研究 3 1 1 化学反应经典热力学计算方法 3 1 2 物质吉布斯自由能函数( 函数) 计算方程 3 1 3 熔覆层反应体系的热力学计算 3 2 熔覆层截面组织形貌及其快速凝固行为分析” 3 3 激光熔覆工艺参数对熔覆层的影响2 9 3 3 1 电流对原位生成t i ( c , n ) 陶瓷的影响2 9 3 3 2 离焦量对原位生成t i ( c , n ) 陶瓷的影响3 4 3 3 3 扫描速度对原位生成t i ( c ，n ) 陶瓷的影响3 8 3 3 4 氮气气压对原位生成t i ( c ，n ) 陶瓷的影响4 0 3 3 5 脉冲宽度对原位生成t i ( c , n ) 陶瓷的影响”4 3 3 3 6 脉冲频率对原位生成t i ( c , n ) 陶瓷的影响4 5 第4 章激光熔覆层机械力学性能4 9 4 1 熔覆层显微硬度及其强化机制4 9 4 1 1 试样显微硬度测量4 9 4 1 2 激光熔覆层的强化5 3 4 2 激光熔覆层摩擦磨损性能5 4 第5 章结论5 9 参考文献6 l 致谢6 7 作者简历6 9 东：i 匕大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 摩擦磨损是致使材料破坏、失效的形式之一。根据对我国冶金矿山、农机、煤炭、 电力和建材五个工业部门的不完全统计，每年由于磨损而需要补充的配件高达1 0 6 件， 价值1 5 - - 2 0 亿元。由此可见，各种材料耐磨性的优劣对于评价和控制产品质量至关重要， 因而在经济上占有举足轻重的地位【l 】。 摩擦磨损在零件表面发生，疲劳裂纹由零件表面向里延伸。因此如果利用表面技术 将机械产品中那些易损零件表面的耐磨性得以改善，则产品的整体性能就可以得到提 高。 随着现代工业的发展，对机械产品零件表面的性能要求越来越高，要求能在高速、 高温、高压，重载以及腐蚀介质工况下可靠而持续地工作，这就对制造技术提出了挑战， 同时也为表面工程技术在制造业中的广泛应用提供了机遇。 英格兰伯明翰大学t o m b e l l 教授在2 0 世纪8 0 年代提出了表面工程的概念。表面工程 是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属 表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以期获得材料表面和基体 本身都不可能有的优异性能的系统工程。表面工程的功能非常强大，通过改善材料的表 面状况，提高材料或零件的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能、抗高温氧化性，提高材料表 面的强度和硬度，提高材料的耐热、导热、隔热等性能，赋予表面特定的物理性能和表 面装饰特性等。截至目前，表面工程技术已在机械制造、电子信息、建筑装饰、化工技 术、航空航天、军工生产等多个领域得到广泛应用【2 弓】。 现代表面涂覆技术是表面工程中的一个重要分支【6 ，7 1 。现代表面涂覆技术是在传统 涂覆技术的基础上，应用材料科学、机械学、电子学、物理学、流体力学、电化学、摩 擦学以及纳米材料学等学科的原理、方法以及其最新成就综合发展起来的新型涂覆技 术。它研究固体材料表面、界面特征、性能、改性工艺过程和方法。其目的是利用各种 物理、化学、机械的工艺过程在基材表面形成一层或几层金属覆盖层，从而优化材料表 面，赋予原基体某些新性能或提升原基体的某些性能，达到特定使用条件对产品表面性 能的要求，如获得耐腐蚀、耐磨、抗接触疲劳以及吸热等多种表面特殊功能的目的【8 j 。 而激光熔覆技术是近年来表面涂覆技术研究中的热点之一。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 钛合金性能特点及其表面强化 1 2 1 钛合金的性能特点 金属元素钛是继钢、铝、镁之后2 1 世纪的新型金属。金属钛是过渡族金属，它的熔 点为1 6 7 5 。c ，密度为4 5 0 8 9 c m 3 ，是典型的负电性元素；硬度高，抗拉强度为1 8 0 0 n m m 2 ； 可塑性强，比同等质量的铝和钢更结实耐用；腐蚀性能是普通不锈钢的1 5 倍，对海水有 更特别的抗腐蚀能力；无毒、无磁，耐高温。钛的这些特性在飞机、火箭、汽车、轮船、 石油、化工、生物医学等领域被广泛应用【9 d5 1 。钛合金保持并发扬了纯钛的基本特性， 同时抑制了其缺点，使材料的性能提高，尤其是钛铌合金的超导性，钛镁、钛铁合金的 储氢能力等特性在尖端科学和高科技领域发挥着极其重要的作用。钛合金与碳钢、铝合 金性能的比较见表1 1 。 表1 1 钛合金与碳钢、铝合金的力学性能比较 t a b l el - 1t h ec o m p a r i s o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t i t a n i u ma l l o y 、 c a r b o ns t e e la n da l u m i n u ma l l o y 材料 密度g c m 3 弹性模量g p a屈服强度m p a比强度 c p 钛4 5 11 0 5 2 5 0 - - , 4 5 05 0 1 0 0 t i - 6 a i - 4 v 4 4 311 2 9 0 0 - 11 0 02 0 0 , - - - 2 5 0 t i - l c b4 7 9l 10 9 5 0 14 0 02 0 0 - - 2 9 0 碳钢 7 82 0 0 3 5 0 4 5 04 5 一6 0 铝合金 2 87 0 1 0 0 - 3 5 03 5 - - - 1 2 5 虽然有以上诸多优点，但是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5 5 0 以下，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。但当温度超过5 5 0 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，甚至燃烧，从而造成基体金属严重污染，并使金属迅速脆化，使工件无法使用。并 且，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。 1 2 2 钛合金的表面强化 任何材料都有它的优缺点。由钛合金的的特性可以知道，钛合金的性能往往取决于 钛合金表面的性能。由于摩擦、磨损等失效行为以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力 差等特点，均起源于钛合金表面，并由表面的物理、化学性能所决定。因而，提高钛合 金关键部件的耐磨性能、抗高温氧化性能以及生物相容性等“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。 随着钛合金的应用日益广泛，其表面性能的不足也引起了越来越多的工程技术人员 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的高度重视，并针对性地进行了大量的研究【1 6 - 2 1 1 。为了提高钛及钛合金表面的硬度和耐 磨性等特性，几乎所有的金属表面处理方法都曾在钛及钛合金表面改性处理上应用过。 从以热渗扩、电镀、真空镀膜等为代表的传统表面强化、耐磨处理技术，发展到现阶段 以等离子渗透、离子束、电子束、激光束的应用为标志的现代表面处理技术，如等离子 氮化、表面渗元素合金化、激光熔覆等。目前，常用的表面强化方法主要有以下几种【2 2 ， 2 3 】 ( 1 ) 离子渗氮与喷丸处理： 利用直流脉冲等离子电源装置对t i 6 a 1 4 v 钛合金表面渗氮处理，采用喷丸形变强化 ( s p ) 对渗氮层进行后处理，在钛合金表面获得由t i n 、t i 2 n 、t i 2 a l n 等相组成的渗氮 层，改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损( f w ) 抗力，但降低了基材微 动疲劳( f f ) 抗力。 ( 2 ) 离子注入： 离子注入是将注入元素离子化后，在电场中获得高能量，强行注入材料表面，从而 改变其性能。钛合金表面主要注入离子有矿、c + 、p b + 等。离子注入最大的特点是原子 与基体间呈原子级混合，不会出现剥落等现象。同时离子注入可在常温下进行，工件不 会发生变形。但是因离子注入能量的约束，强化层很薄，一般不超过1l a i n ，这就限制 了该技术的广泛使用。 ( 3 ) 热喷涂： 选取适当的合金体系，利用现代热喷涂技术，也可以实现钛合金的表面处理。该方 法操作比较简单，改性层的厚度调节范围宽，容易实现多种合金的搭配。但由于表面覆 层与基体的结合强度相对较低，不易形成具有较高结合能力的冶金结合，因此对它的疲 劳性能有很大影响。 ( 4 ) 激光熔覆： 激光熔覆技术是利用高能量密度的激光束将不同成分、性能的熔覆材料与基体表面 薄层快速熔化，并快速凝固，在基体表面形成具有高硬度、抗氧化、耐磨损等性能的添 料熔覆层的方法。激光熔覆耐磨合金涂层因其耐磨性能不受钛合金基体性能的限制，可 以依工况要求选择熔覆的耐磨合金，并且可获得较厚的涂层，因此该强化方法是钛合金 最有应用前途的表面强化方法。 除此之外，微弧氧化、电镀的技术也广泛地应用在钛合金的表面改性上。微弧氧化 可以使钛合金表面形成致密的氧化膜，起到良好的保护作用，并提高钛合金表面的硬度 和耐磨性。但是微弧氧化由于处理温度较高，易使工件变形等缺点而限制了其在工业上 一3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的应用。电镀也可以提高钛合金的表面性能，但电镀涂层与钛合金基体之间的结合力较 低，也不利于其推广应用。 1 3 激光：j 口- r 概述 激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面，用以去除或熔化材料以及改变物体 表面性能从而达到加工的目的，是一种无接触加工。由于热影响区小，光束方向性好， 而且能使光束聚焦到波长级，可以进行选择性加工、精密加工，这是激光加工具有的特 点和优越性，是机加工中最有竞争力的一种替代手段。并且激光加工是- f 7 涉及到光、 机、电、材料、计算机等学科的综合技术的应用。作为信息时代的一种新型加工工艺， 激光加工技术对提高产品质量、提高生产效率、促进自动化、降低污染、减少材料消耗 等起到越来越重要的作用，既得到其他高新技术的有力支持，又受到社会经济迅速发展 强烈要求的牵引，正保持强劲的发展势头。研究人员普遍认为激光加工是2 1 世纪最具 竞争力的先进加工技术，具有十分广阔的发展前景 2 4 - 2 8 】。 1 3 1 激光的特性 激光的全称是“受激辐射光放大”( l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ) ，简写为“l a s e r ”。顾名思义，激光是一种通过受激发射而实现的光放大。 它的产生一般是通过具备能实现粒子数反转的工作物质，一个良好的泵浦系统和一个稳 定的光学谐振腔的共同作用来实现。激光器是从微波量子放大器发展而来的。第一个微 波量子放大器是汤斯和他的同事们于1 9 5 1 年到1 9 5 4 年间制成的。1 9 5 8 年肖洛和汤斯把 微波量子放大器的原理推广到了光频中。1 9 6 0 年梅曼成功研制出了第一台红宝石激光 器。此后，由于激光的特点突出而得到了突飞猛进的发展。与其他光源相比，激光具有 以下几种特点【2 8 2 9 1 ： ( 1 ) 激光是一种单色光，单色性极好。激光为单一波长，谱线宽度极窄，通常在 数百纳米至几微米。与普通光源相比，谱线宽度窄了几个数量级。 ( 2 ) 激光的闪光时间非常短，相干性非常强。激光束叠加在一起，其幅度是稳定 的，在相当长的时间内，可保持光波前后的相位关系不变，这是任何其他的光源所达不 到的。 ( 3 ) 激光的方向性很强。激光的发散角很小，一般为几个毫弧度，方向性极好， 如将激光束射向月球，则在月球表面的光斑直径不超过2 k m 。 ( 4 ) 激光的另外一大优点是高亮度。亮度在光学上被定义为光源在单位面积上某 一方向的单位立体角内发射的光功率。激光束能通过一个光学系统聚焦到一个很小的面 4 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 积上，从而具有很高的亮度。例如一支输出功率为l m w 的h e - n e 激光器输出的激光， 在经过透镜的聚焦后，其亮度比太阳的亮度高l o 万倍。 1 3 2 激光加工的特点、类型和应用 与传统加工手段相比，激光加工具有加工手段灵活丰富，适应性强和加工质量好， 精度、效率和经济效益高等优势，并且是一种节能环保型加工手段。 按照光与物质相互作用的机理，大体上可以将激光加工分为激光热加工和激光光化 学反应加工两类。激光热加工是指激光束加于物体的表面所引起的快速热效应的各种加 工过程；激光光化学反应是指激光束加于物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学 反应的各种加工过程，亦称为冷加工。 热加工和冷n t 均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热 加工对金属材料进行焊接、表面改性、合金化、切割均极有利：冷加工则对光化学沉积、 激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。 在国外，激光享有“万能加工工具”的美称，而高功率激光加工的发展水平也成为 衡量一个国家高科技应用和工业发达程度的重要标志之一。 1 4 激光熔覆 1 4 1 激光熔覆技术及其特点 激光熔覆是激光加工众多领域中的一个重要领域，是一种新型的材料a n t _ 与表面改 性技术，又可称为激光熔敷或激光涂敷。美国a v c o 公司的g n a n m u t h uds 于1 9 7 6 年 获得了激光熔覆一层金属于另一层金属基体的熔覆方法的专利【2 引。 激光熔覆技术是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料经激 光辐照后使之和基体表面熔化，经快速凝固形成低稀释度的与基体呈冶金结合的表面涂 日 力譬。 与传统的表面涂覆工艺相比，激光熔覆具有显著的特点。其中最大的特点是可在廉 价、易力n - r _ 的基体材料表面有选择地制备高性能熔覆层，并且熔覆层的厚度不受限制； 还可以根据需要进行单层或多层熔覆，使表层具备梯度功能。激光熔覆不仅改变了熔覆 层、基体表面的物理状态，同时也改变表面化学成分。激光熔覆层性能除了与熔覆层材 料原始成分、基体材料种类有关以外还强烈受到激光加工工艺参数的影响。由于激光束 的高能密度所产生的快速加热、快速冷却( 高达1 0 6 ) 过程，激光熔覆对基体的热影 响小，引起的变形也小。控制激光的输入能量，可以将基体的稀释作用限制在个较低 的范围内( 一般低于1 5 ) ，从而又保持了原熔覆材料的优异性能。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 不过，由于激光熔覆产生的快速加热、快速冷却是一种非平衡凝固过程，并且激光 处理过程中的影响因素较多，涂层材料和基体材料的性能差异较大，这些因素导致了在 涂层中产生一些缺陷【2 9 】： ( 1 ) 涂层的裂纹是激光熔覆技术中最为棘手的问题。影响涂层裂纹产生的因素有 很多，其中最为主要的是由于陶瓷材料的热物理参数与金属基体相差较大。在涂层凝固 收缩时会产生拉应力，当拉应力大于材料的抗拉极限时就会在涂层中产生裂纹。通过采 用硬质相含量渐变涂覆的方法，可获得硬质相含量连续变化且无裂纹的梯度涂层。其次， 在基体与涂层之间采用韧性良好的中间层的方法来缓解涂层中的残余应力，也可获得无 裂纹的涂层。 ( 2 ) 气孔的存在也对熔覆层的质量有很大影响。如果熔覆粉末在熔覆前氧化、受 潮，则由于激光熔覆在很短的时间内完成，产生的气体来不及排出而在涂层中形成气孔； 如果熔覆材料中的金属粉末与空气反应也会产生气孔。前者可以通过在熔覆前对粉末进 行烘干，并选取不易氧化的粉末作为熔覆材料来降低气孔产生的几率，而后者需要做好 保护气体的参数设置，并且调整工艺参数来延长熔池的存在时间，使气体得以排出。 ( 3 ) 氧化和烧损都易受到激光熔覆时的工艺参数以及在材料表面形成的高温的影 响。通过调整保护气体的流动方向，并采用自溶性合金粉末。自溶性合金粉末就是自身 能起溶剂作用的合金粉末，即在熔覆时合金本身具有脱氧性能和自造渣性能，可以产生 浮于熔池表面的薄熔渣，从而能够防止熔池的氧化。 1 4 2 激光熔覆的基础理论 激光熔覆是利用高能束激光在加工中所产生的快速冷凝过程，在材料表面形成与集 体之间相互熔合，并且具有完全不同成分与性能的合金层。这个过程中，存在一种熔池 的对流现象，这对熔覆层的质量有很重要的影响，因此有必要对对流的影响因素进行分 析。 温度梯度和浓度梯度都会形成液体的表面张力梯度，而张力梯度决定液体的流动方 向【3 0 1 。通常液体的表面张力乙可表示为瓦= o - o 一既丁的形式( a o 为表面焓，& 为表面熵， r 为绝对温度) ，显然d s d t = 一瓯，由于s 值恒大于零，故对于大多数金属流体而言， 表面温度越高，其表面张力越小。大量研究表明：熔池中心附近的熔体表面张力小，相 反熔池边缘附近的表面张力最大。因此，在激光熔覆过程中，在熔池表面上存在着表面 张力梯度，正是这个表面张力梯度成为熔池中对流的驱动力。安东尼曾引入该对流模型 来解释激光表面合金化或熔覆中的熔凝表面产生波纹的原因。 在激光熔覆过程中，当激光与金属的交互作用达到稳态时，可以建立下列方程式【3 l 】。 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 连续方程： 罢+ 譬+ 娑芝0 (110i ) i + _ + _ 芝 l1 ) 二= u t + 巧+ 诟 ( 1 2 ) 运动方程： 锄f 锄 锄却1 一+ f 甜一+ v 一+ 1 4 一i o t l 锄 砂 如 一上罢+v(窘+矿02up+ 髻) + 善+ ( “妻+ v 考+ w 暑) c 一素+ v i 爵+ 矿+ 萨j + 百+ i “瓦w 万+ w 瓦j “3 =一三考+v(窘+寄+窘+警+(材豢+v万owp+ w 警 4 ) 一一琴w 【、爵+ 矿+ 虿j