（凝聚态物理专业论文）激光熔覆原位自生tic增强复合涂层的研究.pdf

一 uk il一l、：+jl-j1 j j at h e s i si nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s l i i i iri ui l lr l l | | l r ljlj y 1716 713 r e s e a r c ho ni n s i t uf a b r i c a t i o no ft i c r e i n f o r c e dc o m p o s i t ec o a t i n gb yl a s e r c l a d d i n g b yc a in v s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rf e n g j i us u n a s s o c i a t ep r o f e s s o ry u l i n gy a 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 ” 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 眇 学位论文作者签名：碌钮 日 期：2 即只6 学位论文版权使用授权书 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： 半年汀一年口一年半口 两年口 差竺篓兰作者签名：触 签铀期：2 印 么印y h 导师签名：j 咖献 签字日期：已舢孑 东北大学硕士学位论文摘要 激光熔覆原位自生t i c 增强复合涂层的研究 摘要 本文选用脉冲y a g 激光作为辐射源，t i c n i 混合粉末为涂层材料，利用预置法在t c 4 合金表面进行了一系列激光熔覆实验，以期在钛合金表面原位生成以t i c 陶瓷为主的表面 改性层，有效改善钛合金表面硬度及耐磨性能。 为了得到性能优异的熔覆层，分别对样品进行了多种工艺参数的比较：在熔覆材料 成分相同的条件下，改变激光功率密度；在相同的激光功率密度条件下，改变熔覆材料 成份。x r d 检测结果表明：不同的涂层成分配比对原位自生t i c 陶瓷涂层有很大影响。 熔覆层成份为t i ：c ：n i = 3 ：i ：6 ，熔覆功率为3 1 w 时，即激光功率密度为1 0 9 w r a m 2 ，熔覆层 中生成的t i c 含量较高，除了t i c 夕i ，熔覆层中还有t i 0 2 生成，在t i 粉含量相对较少的情 况下，主要生成的是t i 的氧化物，随着t i 粉含量的增加，t i c 的生成量也随之增加。 对熔覆样品横截面的显微组织进行了分析，s e m 结果表明：熔覆样品存在三个不同 的组织区域，由表及里依次是熔覆层( c z ) ，结合区( 1 3 z ) 及热影响区( h a z ) 。熔覆层的厚 度大约为0 6 m m ，熔覆层内以细小的树枝晶为主，且分布均匀；热影响区为淬火马氏体 组织。熔覆层与基体之间有一厚度为5 “m 左右的结合区，结合处为波形界面，表明熔覆 层与基底之间形成了良好的冶金结合。结合e d s 分析结果表明：熔覆层内的枝晶状组织 主要成分是t i 、c 和o ，这说明在该工艺条件下，的确原位生成了t i c 陶瓷，同时由于没 有采用保护气体，还有t i 0 2 生成，与x r d 结果相吻合。 对熔覆层的显微硬度分析结果表明：自熔覆层至基底，显微硬度呈梯度渐变，熔覆 层内显微硬度值h v 0 2 最高达至( 1 5 0 0k g m m 。2 左右，比基底t c 4 合金的硬度( h v 0 2 为3 5 0 k g 舢m 2 左右) 提高了3 4 倍。在熔覆层的相同深度处，显微硬度值差别不大，有利于 熔覆层的稳定存在，熔覆层的强化机制主要有硬质相弥散强化和细晶强化。激光熔覆复 合涂层熔区组织较基体显著细化，晶粒细化行为与激光熔覆快速凝固过程中的传热与 传质有关。 摩擦磨损试验结果表明：激光处理后试样耐磨性明显提高，熔覆层的平均摩擦系数 在0 2 0 3 ，而基底的平均摩擦系数在0 4 2 左右；熔覆样品的磨损失重不足0 1 ，比基 底( 磨损失重2 3 ) 提高了2 0 - - - , 3 0 倍。在基底表面出现明显犁沟和沟槽，而熔覆层表 面主要存在材料转移的现象，磨损产物多为片状或小颗粒，且有不同程度的磨削脱落痕 迹，涂层中的磨损机制主要为磨粒磨损及粘着磨损。 关键词：t c 4 ；激光熔覆；原位生成；t i c n i t 。 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 ni n s i t uf a b r i c a t i o no ft i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t ec o a t i n g b yl a s e rc l a d d i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r am e t h o do fy a gl a s e rm e l t i n gt h em i x t u r ep o w d e r so ft i ，ca n dn iw a s u s e dt op r e p a r et i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t ec o a t i n g so nt h es u r f a c eo ft c 4a l l o y i n s i t ut i c r e i n f o r c e dn i b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n g sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e do nt h et c 4 s u b s t r a t eb yl a s e rc l a d d i n g ，a n dc a ne f f i c i e n t l yi m p r o v et h eh a r d n e s sa n dt h ew e a r - r e s i s t a n c e o fs u b s t r a t es u r f a c e s d i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r er e s p e c t i v e l yt r i e di no r d e rt oo b t a i nb e t t e rc o a t i n g s d i f f e r e n tc l a d d i n gp o w e ri n t e n s i t yi s r e l a t i v et ot h es a m ec l a d d i n gp o w d e r ；d i f f e r e n t c l a d d i n gp o w d e ri sr e l a t i v et ot h e s a m ec l a d d i n gp o w e ri n t e n s i t y t h ex r dr e s u l ts h o w st h a t c l a d d i n gp o w d e rp l a y sa i li m p o r t a n tr o l eo nt h ec o m p o s i t ec o a t i n g s w h e nt h ew e i g h t p e r c e n t a g eo ft i ：c ：n ii s3 ：1 ：6a n dt h ec l a d d i n gp o w e r i sa b o u t3 1 w ：t h a ti st os a y , t h e c l a d d i n gp o w e ri n t e n s i t yi s 10 9 w m m 2 ，t h ec o m p o s i t ec o a t i n gc o n t a i n sm o r et i c t i 0 2i s g e n e r a t e db yt h ew a ye x c e p tt i ci nt h ec o m p o s i t ec o a t i n g s w h e nt h ew e i g h tp e r c e n t a g eo f t ii sl e s s ，t i 0 2i sd o m i n a n t t h ei n c r e a s eo ft ib r i n g so nt h ei n c r e a s eo ft i c t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec r o s ss e c t i o no fc o m p o s i t ec o a t i n g si si n v e s t i g a t e d t h es e m r e s u l ts h o w st h a t ：t h e r ea r et h r e ez o n e se x i s t e da l o n gt h ed e p t hp r o f i l eo ft h ec o m p o s i t e c o a t i n g 。t h ec l a d d i n gz o n e ( c z ) ，t h eb o n d i n gz o n e ( b z ) a n dt h eh e a t a f f e c t e dz o n e ( h a z ) ， f r o mt h ec l a d d i n gs u r f a c et ot h es u b s t r a t e t h et h i c k n e s so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gi sa b o u t 0 6 m m t h ec o m p o s i t ec o a t i n gi sm a i n l yc o m p o s e do ft h i nd e n d r i t i cc r y s t a l sw h i c ha r e u n i f o r m l yd i s t r i b u t e d t h eh e a t a f f e c t e dz o n eh a saq u e n c h e d m a r t e n s i t es t r u c t u r e t h e r ei sa b o n d i n gz o n eb e t w e e nt h ec o m p o s i t ec o a t i n ga n d t h es u b s t r a t e t h et h i c k n e s so ft h eb o n d i n g z o n ei sa b o u t5 1 x m t h e r ei saw a v e s h a p e di n t e r f a c ea n dam e t a l l u r g i cs t r u c t u r ei nt h e b o n d i n gz o n e t h ee d s r e s u l ts h o w st h a t ：t h ed e n d r i t i cc r y s t a li nt h ec o m p o s i t ec o a t i n gi s m a i n l yc o m p o s e do ft i ，c a n do i n s i t ut i cc e r a m i ci sg e n e r a t e da tt h et e c h n i c a l p a r a m e t e r si nt r o t h s y n c h r o n o u s l y , t i 0 2i sg e n e r a t e db e c a u s e o fn op r o t e c tg a s i tc o n f o r m s t ot h ex r dr e s u l t t h em i c r o h a r d n e s sr e s u l to ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gs h o w st h a t ：t h em i c r o h a r d n e s si s g r a d u a l l y d e c r e a s e df r o mt h ec l a d d i n g z o n et ot h es u b s t r a t e t h em a x i m u m m i c r o h a r d n e s s ( h v 0 2 ) o ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gi sa b o u t15 0 0k g m m 呓w h i c hi s3 - 4t i m e s v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h e r t h a nt h em i c r o h a r d n e s s ( h v 0 235 0k g m m 屯) o ft h et c 4s u b s t r a t e t h e m i c r o h a r d n e s so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n ga tt h es a m ed e p t hi su n i f o r m ，a n di sb e n e f i c i a lt ot h e s t a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g t h ec o m p o s i t ec o m i n gi sr e i n f o r c e db yt h i nc r y s t a l sa n d d i s p e r s e dh a r dp a r t i c l e s t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ec o m i n gi sm o r ef i n et h a nt h a t o ft h es u b s t r a t e t h ef i n ec r y s t a li sa t t r i b u t e dt oh e a ta n dm a t t e rt r a n s m i s s i o ni nt h ep r o c e s s o fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n t h ew e a rt e s tr e s u l ts h o w st h a t ：t h ew e a rr e s i s t a n c eo fc l a d d i n gs p e c i m e ni so b v i o u s l y i m p r o v e d t h ea v e r a g ew e a rc o e f f i c i e n to ft h ec o m p o s i t ec o m i n gi s 0 2t o0 3 t h ea v e r a g e w e a rc o e f f i c i e n to ft h es u b s t r a t ei sa b o u to 4 2 t h ew e a rl o s so fc l a d d i n gs p e c i m e ni sl e s s t h a no 1 ，a n di s2 0t o3 0t i m e sl e s st h a nt h ew e a rl o s s ( 2 t o3 ) o ft h es u b s t r a t e t h e r ea r e o b v i o u sf u r r o w sa n dg r o o v e so nt h es u r f a c eo ft h es u b s t r a t e m a t e r i a l so nt h es u r f a c eo ft h e c o m p o s i t ec o a t i n ga r em o v e d t h ew e a rp r o d u c t sa r e s l i c e so r p a r t i c l e s ，a n ds o m ea r e r e m o v e da td i f f e r e n tl e v e l s t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gi sp a r t i c l e a b r a s i o na n da d h e s i o n k e yw o r d s ：t c 4 ；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 n i v i 鲥。 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 激光表面改性技术的研究现状2 1 3 激光熔覆技术的应用5 1 4 激光熔覆技术6 1 4 1 激光熔覆技术的理论基础7 1 4 2 激光熔覆工艺1 0 1 4 3 激光熔覆材料体系11 1 5 原位自生技术一1 2 1 6 本文主要研究内容1 4 第二章实验材料及实验方法1 7 2 1 实验材料1 7 2 1 1 基底材料1 7 2 1 2 涂层材料1 7 2 2 涂层成分设计及激光熔覆工艺方案1 8 2 3 微观组织结构测试方法1 9 2 4 熔覆层性能测试及分析方法1 9 2 4 1 显微硬度测量1 9 2 4 2 摩擦磨损测试1 9 2 5 本课题实验所用实验设备及仪器1 9 第三章激光熔覆原位自生t i c 陶瓷涂层组织与性能研究2 1 3 1 激光熔覆原位生成t i c 的热力学计算2 1 3 2 熔覆层x 射线衍射结果2 3 3 3 熔覆层显微组织2 5 3 4 复合涂层显微硬度及强化机制2 8 3 4 1 激光熔覆试样显微硬度测试2 8 3 4 2 激光熔覆涂层强化机制3 2 3 5 激光熔覆涂层表层晶粒细化行为3 4 3 5 1 激光工艺参数不同涂层组织细化行为3 4 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 2 成份不l 司的熔覆涂层组织细化行为3 5 3 6 激光熔覆涂层摩擦磨损行为研究3 6 3 7 激光熔覆涂层开裂行为研究4 3 3 7 i 宏观裂纹的形成4 4 3 7 2 微观裂纹的形成4 6 第四章结论4 9 参考文献5 1 致谢5 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着现代科学技术的发展，对材料的使用性能要求日益苛刻，传统材料已不能完 全适应。因此，新型材料层出不穷，并向复合化发展。激光是一种高方向性、高亮度 性、高单色性的电磁波。激光束由一系列反射镜和透镜控制聚焦成直径很小的光斑。 从而获得极高的功率密度。随着2 0 世纪6 0 年代第一台红宝石激光器的诞生及7 0 年代大 功率激光器的成功研制，激光技术的应用日趋广泛【i 】。激光熔敷技术在此情况下应运而 生，它作为一种新型的热处理技术，涉及到物理、冶金、材料科学等领域，能够在廉 价的基体材料上熔敷性能各异的合金粉末，可提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热及电 气特性等，从而节省了大量的贵重合金，具有广阔的发展前景，正因为其发展潜力很 大，经济效益可观，所以引起了国内外的普遍关注，纷纷投人人力、物力、财力等进 行研究2 , 3 1 。 钛合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性优异、耐热性好等突出优点，在航空、 航天、石油、化工等领域获得广泛应用。但钛合金的摩擦系数大、耐磨性能差等缺点， 严重限制了它在摩擦构件中的使用1 4 , 5 】。纵观钛合金表面技术的发展，它大致经历了三 个阶段：一是以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段；二是以等离子体、离子束、 电子束的应用为标志的现代表面技术阶段；三是现代表面技术的综合应用和膜层结构 设计阶段6 ，7 1 。热喷涂改性层组织结构疏松而且与基体的结合强度相对较低，不易形成 具有较高结合力的冶金结合：离子注入因受离子注入能量的制约，强化层很浅；离子 渗碳、渗硼和渗氮等存在着处理周期长和温度高工件易变形等缺点【8 ，9 】。和早期发展的 涂层工艺比较，利用高能束流进行钛合金表面处理有显著的优点：束流能量高，处理 速度快；可以进行局部处理：被加工的材料处于较低温度，变形小；不需要后续加工， 改性后的成分不受平衡状态限制；工艺参数少，易控制，表面性能稳定；改性层与基 体的结合力好等i l0 。 激光熔覆技术作为一种新型的材料表面处理技术，自始于上世纪七十年代后，得 到了快速的发展。通过利用激光特有的高亮度，使基体材料和涂层材料在极短时间内 快速熔化和快速冷却，形成良好的冶金结合表面状态，使基体具有涂层材料的一些特 有性能【1 1 , 1 2 】。激光熔覆技术具有如下工艺特点【1 3 】： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、局部表层的快速熔凝使基体或被涂工件的热影响小，热形变甚小，易于实现选 区涂层。 2 、熔覆层同基体的结合明显加强，为冶金结合。 3 、高达1 0 6 c 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，如亚稳 相、超弥散相、非晶相等。 4 、熔覆层同基体材料有着较小的稀释度，从而保证了所得到的预期表面性能。 5 、工艺过程易实现自动化。 用激光熔覆制备金属基复合涂层，能将金属材料良好的工艺性能与陶瓷材料优异 的耐磨、耐蚀、耐高温及稳定的化学性能有机结合起来，极大的提高材料的表面性能， 使一般材料表面获得超硬、超强、超耐磨、超耐蚀等特种性能，尤其适用于一些在极 端条件下服役的关键部件的强化，具有良好的发展前景【l 4 1 。 1 2 激光表面改性技术的研究现状 激光表面改性是利用高能量激光照射工件时，对工件表面快速的加热，将光能转 变为热能，进行表面处理的独特加工方法。该工艺的特点是能够有选择的处理局部表 面，可以在不改变材料整体性能的情况下在局部表面得到所需要的性能。目前，激光 表面改性技术的应用主要有激光表面淬火，激光表面熔凝，激光表面非晶化，激光表 面合金化，激光熔覆，激光诱导沉积技术等。 激光表面淬火是将金属材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，使材料 表面硬化，同时硬化层内残留有相当大的压应力，从而增加了表面的疲劳强度。利用 这一特点对零件表面实施激光淬火，则可以大大提高材料的耐磨性和抗疲劳性能。最 新研究成果表明，如果在工件承受压力的情况下实施激光表面淬火，淬火后撤去外力， 则可以进一步增大残留的压应力，并可大幅度提高工件的抗压和抗疲劳强度1 5 , 1 6 】。激 光表面熔凝是将激光束照射到金属材料表面使其表面薄层融化，在光束移开后熔化的 金属快速凝固( 冷却速度达到1 0 5 1 0 7 c s ) ，组织得以细化，成分偏析减少，缺陷率降低， 凝固组织中呈现更高的压应力状态，从而大幅度提高材料表面的耐磨性和疲劳强度。 激光表面熔凝处理主要用于铸铁和高碳、高合金材料。该技术已在铸铁发动机凸轮、 轧钢厂剪板机剪片等产品上成功应用【1 7 】。激光表面非晶化即是利用激光熔池所具有的 超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。与其它非晶化方 法比较，激光非晶化可望在工件表面大面积的形成非晶层，而且形成非晶的成分也可 t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 扩大，因此近年来国内外有关文献报道较多。7 0 年代末随着高功率连续c 0 2 激光器的商 品化，人们开发了连续激光非晶化的研究，以实现高覆盖率和较大面积的非晶层【1 8 】。 激光表面合金化与激光表面熔凝类似，只是合金化时要在材料表面加入其它合金成分， 在高能激光辐照下，使合金元素和基体同时熔化，使表层形成一层与材料本身具有不 同化学成分的新合金层。该方法的主要特点是可在便宜的基体材料表面，得到具有耐 磨，耐蚀等性能的合金化层，从而可节约昂贵的合金元素【l9 1 。激光诱导沉积技术原理 是用聚焦激光束辐照气体一固体或液体一固体物质的分界面，使受光照区发生激光诱发 ( 或增强) 的表面化学反应，引起气体( 液体) 物质的光分解或热分解，并在固体表面上 沉积出反应生成物。该技术为微电子技术提供了一种无掩膜微细加工新工艺，并可用 于大规模集成电路和其它微电子器件的制作和修补1 2 例。 激光熔覆就是将不同成分的合金粉末添加到激光束加热所形成的熔池中，在基体 表面形成具有完全不同成分与性能的合金熔覆层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、 耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。目前，激光表面熔覆含有各种体积分 数合金粉末的复合熔覆层越来越受到关注，尤其是碳化物金属复合熔覆层在改善基材 的磨损抗力方面显示出巨大的潜力【2 。 樊丁【2 2 】等，运用激光熔覆技术修复受损的烟汽轮机叶片，在g h 8 6 4 镍基合金表面 制备原位自生t i c 颗粒增强n i 3 ( s i ，t i ) 金属间化合物复合涂层。研究表明：在优化的工艺 参数下可获得宏观质量完好，无裂纹、气孔等缺陷，且与基体呈冶金结合的激光熔覆 层，熔覆层由n i ( s i ) 、n i 3 ( s i ，t i ) 和t i c 组成；当合金粉末中( t i + c ) 的加入量为2 0 时 熔覆层的硬度最高可达7 8 0 h v ，是基体材料的2 4 倍。 王振廷【2 3 】等，为了提高1 6 m n 钢的干滑动磨损耐磨性能，以n i 6 0 、钛粉和石墨粉为 原料对1 6 m n 钢表面进行感应熔敷处理，制备出以t i c 颗粒为增强相的原位自生复合涂 层，涂层中t i c 颗粒均匀分布于共晶基体上，涂层与基材形成了良好的冶金结合，且具 有很高的硬度，在室温干滑动磨损试验条件下具有优异的耐磨性能。 郭绍义【2 4 】等，采用7 k w 横流c 0 2 激光器，在h 1 3 钢表面激光熔覆制备了w c - - n i t i c 涂层。结果表明：纳米t i c 通过弥散强化和细晶强化，提高了涂层的硬度和韧性，t i c 含量为3 0 ( 质量分数) 时涂层的平均硬度为h v l 5 0 0 。涂层耐磨性能是基体的8 1 5 倍。 王维夫【2 5 】等，为研究激光熔覆过程中原位自生t i c 的生长机制，使用扫描电子显微 镜对t c 4 + 1 0 c r 3 c 2 混合粉末c 0 2 激光熔覆涂层中原位自生t i c 的分布与形态特征进行 了观察。结果表明，涂层中t i c 主要以枝晶、颗粒丛和平均尺寸在0 5 u m 左右的密集小 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 颗粒3 种形态出现，并表现出了“枝晶( 表面附近) 一颗粒丛( 涂层中部) 一密集小颗粒 ( 结合界面附近) 的分布特点。涂层中的枝晶具有块状颗粒线性排列的特征，多呈十 字状，二次品臂间表现出较一致的取向；颗粒丛形貌中不同t i c 颗粒间取向杂乱，表现 为随机粘结，无明显取向；结合界面附近的密集t i c d 、颗粒多呈随机分布，表面光滑近 球状，无明显的棱角。分析表明：涂层中不同形态的t i c 分布主要取决予对应位置的过 冷度和冷却速度。大的过冷度能够显著增加形核密度，而过高的冷却速度将导致t i c 晶 体长大不充分。涂层中原位自生t i c 所表现出的上述分布与形态特征为t i c 晶体自身的 晶体学特点和液固前沿的温度、浓度梯度等因素共同作用的结果。 为了提高钛合金的硬度及改善钛合金的耐磨性能，杨玉玲【2 6 】等，利用激光熔覆方 法对t i 2 6 a 1 2 4 v 钛合金表面进行激光熔覆处理，在钛合金表面原位生成了以t i c 陶瓷为 主的陶瓷层。熔覆层内组织比较均匀，没有裂纹和气孔，熔覆层与基底形成了良好的 冶金结合。熔覆层的显微硬度最高可达到1 5 4 6 k g m m 2 左右，比基底硬度( 3 1 0 k g m i l l 2 ) 提高了近4 倍。孙荣禄1 2 7 】等，以t i n 和n i c r b s i 合金混合粉末为原料，采用激光熔覆技术 在t c 4 合金表面制备t i n 颗粒增强n i 基合金涂层。结果表明，熔覆区的组织是在丫n i 树枝晶和y n i + n i 3 b 层片状共晶的基体上均匀地分布着t i n 颗粒和针状m 2 3 c 6 相，显微 硬度在9 0 0 0 m p a 1 2 0 0 0 m p a 之间。激光熔覆层中存在颗粒强化、细晶强化和固溶强化等 多种强化作用，大幅度地提高了t c 4 合金的耐磨性能。 同时，也有许多学者研究了激光工艺过程对熔覆层的影响，李胜【2 8 】等，分别采用 多模和低阶模的c 0 2 激光束研究了激光模式对于f e 基合金激光熔覆层质量的影响。结果 表明，相对于低阶模激光熔覆而言，多模激光熔覆层各个区域的外形较为平整，尤其 是熔合区更为明显；低阶模激光熔覆层深度显著增加，宽度略有减少；低阶模熔覆层 区中心部位的组织较粗大，共析铁素体的析出量也较多；距离基材同一位置，低阶模 熔覆层区中心部位的显微硬度相对较低。姜伟【2 9 】等，以c 0 2 连续激光器为热源，在镍基 高温合金基体表面熔覆自配粉末，对不同工艺参数下熔覆层的微观形貌进行了分析。 结果表面：在一定范围内，其它工艺参数不变，增加功率密度，增大扫描速度，晶粒 更趋致密细小；工艺参数影响冶金结合带的优势、胞状晶区的薄厚以及夹杂物的有无 和分布。张庆茂【3 0 】等，用金相检测法和能量平衡方程，推导并计算了激光熔覆过程中 单位质量熔覆材料的比能e r 和单位时间实际输入比能e h ，合理的解释了粉末有效利用系 数、熔覆层稀释率随工艺参数变化的规律。结果表明：在激光参数不变的条件下，稀 k 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 释率随扫描速度和送粉速率的增加而减少；粉末有效利用系数随扫描速度和送粉速率 的增加而加大。熔覆材料损失机制主要是由于过热引起的烧损。 1 3 激光熔覆技术的应用 激光熔覆技术在汽车工业，航空航天，石油行业和机械动力行业都有广泛的应用。 在汽车制造工业，最先采用激光熔覆技术的汽车零件的是发动机的排气门的密封锥形 面熔覆s t e l l i t e 合金。国外有人在e n 3 b 钢表面激光熔覆s t e l l i t e 和s t e l l i t e + s i c 涂层，激光熔 覆s t e l l i t e 合金涂层的耐磨性能比基底材料提高5 倍【3 。在s t e l l i t e 合金中加入1 0 的s i c 后， 其耐磨性能l l s t e l l i t e 合金涂层增加2 倍。在低碳钢表面激光熔覆u n s s 4 4 7 0 0 铁素体不锈 钢涂层，涂层具有极好的钝化性能和抗点蚀性能。另外，在低碳钢表面激光熔覆3 1 6 l 不锈钢涂层的耐蚀性能优于t i g 、等离子弧、埋弧堆焊制备的涂层。 目前国内外对排气门的堆焊耐热合金大多采用等离子喷焊技术，但是由于喷焊过 程中容易产生气孔，废品次品率高，而且粉末消耗量大，日本一家公司1 9 8 8 年公布了 用同步送粉法激光熔覆排气门的专利，意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面 用s t e l l i t ef 合金激光熔覆。起初用a v c o6 1 5 k w 激光器，8 s 处理一件。r t m 研究所研 制了一种称为能量回收腔的装置，大大提高了能量利用率，使所需能量减少一半以上。 改用美国9 3 7 型115 k w 激光器，13 s 处理一件， ：i s t i g 堆焊s t e l l i t ef 合金，合金用量减少 7 0 以上，且后续加工量显著减少，其它如美国的汽车排气阀座也用激光熔覆s t e l l i t e 合金【3 2 ，俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座激光熔覆【3 3 】。 航空航天工业是最先吸取激光熔覆的用于生产的部门，因为它不仅能用于加工零 部件，而且能用于修理零部件。第一个激光表面熔覆应用是在1 9 8 1 年r o l l s - r o y c e 的 r b 2 11 飞机发动机高压叶片连锁【3 4 1 。该叶片在1 6 0 0 k 温度下工作，由超级镍基合金铸造， 过去用t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a s ，钨极惰性气体保护) 堆焊钴基合金，稀释严重热量注入多， 热影响区常常发生裂纹。改用2 k w 快速轴流c 0 2 激光器，在重力作用下吹氩气送粉，功 率密度1 0 4 1 0 5 w c m 2 ，专用五轴联动数控工作台，设有良好的安全防护装置，为减小惯 量大部分零件用铝材制造，自动化操作时，处理一个叶片只需7 5 s ，而过去用t i g 堆焊 时间大约需要4 m i r l 件，且采用激光熔覆钴基合金，合金用量减少5 0 ，变形小，节省 了后加工工时，工艺质量高，重复性好，还减少了设备。美国w e s t i n g h o u s e 公司用该技 术修复长1 2 m 的蒸气机叶片前端的水蚀，而s e h u f f m a n 公司使用2 个送粉器，双摄像视 频计算机和定位精度为o 0 1 3 m m 、重复精度为0 0 0 7 6 m m 的数控系统熔覆飞机发动 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 激光熔覆技术 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 金结合的涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工 艺方法。激光熔覆是一种新型的金属材料表面改性技术，利用高功率激光的快速熔覆 效应，可以在低成本基体表面获得高性能的涂层。因此，是一种经济效益较高的表面 改性技术，可以降低材料成本，节约贵重稀有金属材料。国内激光熔覆的研究始于7 0 年代初，n 8 0 年代已发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题。进 ) k 9 0 年代后，呈现出了科学研究与应用开发蓬勃发展的大好局面 3 6 1 。 1 4 1 激光熔覆技术的理论基础 在激光熔覆技术中，除基体与粉末显著影响涂覆层的质量以外，工艺参数对涂覆 层的质量也有着显著的影响，如保护气体的种类和流量( 影响熔覆层的形貌、深度及界 面稀释率) 、粉末的流量及送粉的位置、激光器的功率、粉末喷嘴的直径大小、扫描速 度以及离焦量、预热温度等。因此有必要从激光与金属的相互作用和过程中的物理化 学现象两方面进行讨论【3 7 】。 ( 1 ) 金属对激光的吸收 金属熔覆是基于光热效应的热加工，关键是激光能够被加工材料所吸收并转化为 热量。当激光从一种介质传播到另外一种介质时，由于折射率的不同，在两者之间的 界面上将会出现反射和折射。从空气或者一些材料加工的保护气体( 折射率接近于1 ) 的 光学薄材料到具有折射率为n c = n + i k 的材料的垂直入射光，则在界面处的反射率r 为 r = 嘲= 踹 ， 反射率描述了入射激光功率被反射的部分，进入材料内部的激光，有朗伯定律， 随着穿透距离的增加，光强按指数规律衰减，则深入表面层下面z 处的光强为 i ( z ) = ( 1 一r ) l o e 叼 ( 1 2 ) 式中，r 为材料表面对激光的反射率；厶为入射激光的强度；( 1 一r ) i o 为表面泸o ) 处的透穿光强；口为材料的吸收系数，其常用单位为c m 。 吸收系数a 对应的材料特征值是吸收指数k ，两者之间的关系为： a ：掣( 1 3 ) = 一 i1 j ) 式中，五是辐射激光的波长；吸收指数j j 则是材料复折射率嘞的虚部。旯对于非透 明的材料，被吸收的激光功率部分可以通过r 求得，即 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 彳。1 一r2 南 l 4 ) l 刀+ lj 一十彤一 激光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场和材料相互作用的结 果，金属中存在大量的自由电子，当激光照射到金属材料表面时，由于光子能量特别 小，通常只是对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过金属中的自 由电子这个中间体，然后电子将能量传递给晶格。由于金属中自由电子数目密度特别 大，因而透射光波在金属表面能被吸收。对于波长为0 2 5 9 m 的紫外光到波长为1 0 6 p m 的红外光的测量结果表明：光波在各种金属中的穿透深度为1 0 n m 左右，吸收系数为 1 0 5 1 0 6 c m 。 ( 2 ) 金属对激光吸收的影响因素 金属对激光的吸收和激光的特征、材料的特征以及表面状态等诸多因素有关。 波长一般而言，随着波长的缩短，金属对激光的吸收增加。实际j n - r 时用的激 光器有y a g 和c 0 2 激光器，其波长分别为1 0 6 p m 和1 0 6 1 t m ，不同的材料必须选定不同的 激光器。大多数金属对波长1 0 6 1 t m l 拘c 0 2 的激光的吸收率大概只有1 0 左右，而对1 0 6 岬 的y a g 激光的吸收率为3 0 4 0 。当激光波长大于临界波长时，金属表面对激光束的反 射率陡然上升，9 0 以上的激光能量将被反射，因此激光加工时，激光波长应该小于被 辐照金属的临界波长。 激光的功率密度激光功率密度是指单位光斑面积内的功率大小，不同的功率密度 的激光作用在材料表面会引起材料的不同变化，从而影响材料对激光的吸收率。当激光 密度较低时，金属吸收能量只会引起材料表层温度的升高，随着温度的升高，吸收率将 会缓慢增加。激光熔覆过程中，激光器的功率密度是一个很重要的参数，人们都希望能 用较大功率的激光器来进行熔覆，但是鉴于条件和成本，一般不易实现。这样一来对于 较小功率的激光器，最大输出功率受到限制，扫描的能量密度就成了影响涂层性能最重 要的激光参量。 对于实际的金属零件表面金属是以粉末形式存在的，熔化并不是总随着吸收率的提 高而提高，相反可能导致吸收率的降低。如果激光功率密度达至l j l 0 6 w c m 2 数量级的时候， 材料表面将在激光束的照射下强烈汽化并形成小孔，金属对激光的吸收率急剧提高，可 达到9 0 左右，当激光功率密度超过1 0 7 w e m 2 数量级时，将会出现等离子体对激光的屏 蔽现象。因此，激光功率的选择对激光熔覆也有关键的作用。通常激光熔覆层工艺都希 望得到如下结果： i1lll|iilililliiillllllllilllil1illliliiillllllillliliiliiiliillllillllllllllllillililliillilllilill卜 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 熔覆层平整、缺陷少，即要求熔覆层能充分熔合、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、高耐磨性， 或者说要求避免基体和涂层的混合。 此外，能量密度的选择还应考虑到涂层的塌陷问题，热喷涂层虽然比松装的合金粉 末密度高，但是还有高达2 0 的孔隙度，o 1 5 m m 厚的涂层熔覆后，厚度正常情况下会缩