（机械制造及其自动化专业论文）aisi321奥氏体不锈钢激光表面合金化研究.pdf

中文摘要 采用a i s l 3 2 1 奥氏体不锈钢作为基体材料，以t i c 颗粒为主要的增强相，利 用激光表面合金化技术制备了t i c 颗粒增强的耐磨复合材料合金层。采用m b s 金相显微镜、x 、p e r tm p dx - 射线衍射仪、p h l i p s x l 3 0 扫描电子显微镜对激光表 面合金化层显微组织、物相组成进行了分析，利用h x d 10 0 0 数字显微硬度计和 m m 2 0 0 滑动磨损试验机对激光表面合金化试样进行显微硬度和耐磨性测试，并 对合金化层的形成机理进行了探讨。 金相检测和分析表明，激光表面合金化层与奥氏体基体为良好的冶金结合， 合金层内未见裂纹、气孔、夹杂等缺陷。激光表面合金化层主要由奥氏体、t i c 、 c r 2 3 c 6 组成，t i c 颗粒细小均匀，呈块状或花瓣状弥散分布于奥氏体基体之中。 显微硬度测试表明，激光表面合金金层显微硬度高达4 5 0 h v ，约为基体的2 5 倍，且呈阶梯分布。滑动磨损实验表明，激光表面合金层的摩擦系数和失重均小 于基体的，无明显的犁沟、粘着、剥落现象，磨损表面划痕较浅，平滑；表现出 了优异的耐磨性。 对激光表面合金化试样进行稳定化处理后发现，稳定化处理后合金化层t i c 颗粒有增大的趋势。激光表面合金化层显微硬度约为4 0 0 h v ，较稳定化处理前 略有下降，约为基体的2 倍。磨损实验表明，较未稳定化处理激光表面合金化试 样磨损失重下降，明显小于未处理激光合金化试样，耐磨性显著提高，表明稳定 化处理能够提高了激光表面合金化试样的耐磨性。 关键词：激光表面合金化t i c 颗粒显微硬度摩擦磨损 稳定化处理 a b s t r a c t t os t r e n g t h e nt h ew e a l 一r e s i s t a n c eo fa i s l 3 21a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t h et 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 gw a sp r o d u c e db yl a s e rs u r f a c ea l l o y i n gt e c h n o l o g y t h e m i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g sw e r e i n v e s t i g a t e du s i n gm b so p t i c a lm i c r o s c o p y , x p e r tm p dx - r a yd i f f r a c t i o nm e t e r , p h i l i p sx l 3 0s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ，h x d 一1 0 0 0m i c r o h a r d n e s st e s t e ra n d m m - 2 0 0s l i d i n gw e a rt e s t e r t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ec o a t i n gh a sb e e n d i s c u s s e d e x p e r i m e n ta n dt e s ts h o wt h a tt h ec o m p o s i t ec o a t i n gh a saf i n em i c r o s t r u c t u r e ； t i cp a r t i c l e sd i s t r i b u t ei nc o m p o s i t ec o a t i n gu n i f o r m l y ，a n dt h ec o m p o s i t ec o a t i n gi s n op o r e s ，c r a c k sa n do t h e rd e f e c t s ；t h ec o m p o s i t ec o a t i n ga n dm a t r i xh a v eag o o d m e t a l l u r g i c a lc o m b i n e t h eh a r d n e s so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gi su pt o4 5 0h v ， w h i c hi s2 5t i m e so ft h a to ft h es u b s t r a t ea n dt h en u m b e r so fh a r d n e s si sag r a d i e n t d i s t r i b u t i o n a tr o o mt e m p e r a t u r ea n do i ll u b r i c a t ec o n d i t i o n ，t h es l i d i n gw e a rt e s t s i n d i c a t ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gi ss m a l l e rt h a nt h em a t r i xa n di t i ss m a l lc h a n g i n gi nr a t e s ，w h i c hd e m o n s t r a t e se x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e t h ew e i g h t l o s so fa n ya l l o y e dl a y e ri ss m a l l e rt h a nt h a to fc o r r e s p o n d i n gm a t r i x t h ew o r n s u r f a c eo ft h ea l l o y i n gc o a t i n g si sm u c hs m o o t h e rt h a nt h es u b s t r a t ew i t h o u tg r o o v e s ， c r a t e r ，s h o w i n gt h a tt h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h em a t e r i a lh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e db y l a s e rs u r f a c ea ll o y i n g a f t e rs t a b i l i z i n gt r e a t m e n t ，t h es i z eo ft i cp a n i c l e si nt h el a s e rs u r f a c ea l l o y i n g c o a t i n g si sl a r g e rt h a nt h a to fb e f o r es t a b i l i z i n gt r e a t m e n t a n dt h eh a r d n e s si sa b o u t 4 0 0 h v , w h i c hi st w i c eo ft h es u b s t r a t e t h ew e a rt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew e i g h t l o s si ss m a l l e ra n dt h ec o a t i n g sh a v eam o r ew e a rr e s i s t a n c et h a nt h a to fb e f o r e ，s t a b i l i z i n gt r e a t m e n t 。 k e yw o r d s 1 a s e rs u r f a c ea l l o y i n g ，t i cp a r t i c l e s ，m i c r o h a r d n e s s ，s l i d i n gw e a r , s t a b i l i z i n gt r e a t m e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储戳：斟擀醐一甜月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨星苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 黝 旷月门 | 日 导师躲弯簧煲 签字嗍年汐够日 第一章绪论 第一章绪论 随着科技技术的不断进步以及工业的不断发展，对于材料方面的要求越来越 高，迫切要求科技工作者应用现代的技术来改善材料的性能，使其能够符合工程 的要求。尤其是在矿山开采、重型冶金、油气钻探等工作领域，许多零件要求能 够承受剧烈冲击及具有抗腐蚀、抗磨损能性能【l 】。由于其工作条件十分恶劣，对 材料的性能提出了很高的要求。 工程材料的失效多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损等失效， 给研究者提出了严峻的课题。显然单一的材料往往难以满足上述恶劣服务条件下 的性能要求。 当前表面工程被越来越多的应用到各个领域，以此产生新的功能。表面工程 具有很大的重要性，它是对零件表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性、沉积 薄膜及其复合处理与成形，来改变固体金属或非金属表面性能的系统工程。 材料表面改性技术在近年来得到迅速发展，尤其是在廉价材料表面制备一 层耐磨和耐蚀涂层的研究更具有重要的现实意义，它不仅可以充分利用现有资 源，提高材料表面的性能，使之适合一定工况的需要，还可以极大的缓解能源、 资源日益紧张的矛盾，同时满足人们对环境的保护要求，符合可持续发展和循环 经济发展的方向。合理选择处理工艺，可以得到高硬度、高耐磨性和高抗蚀性的 表面层【2 刊。随着现代科学技术的发展，对关键零部件的表面性能要求越来越高， 在特殊情况下，既要求光、磁、热、电性能，又要求足够的抗磨损、腐蚀、摩擦 性能时，表面处理成为最有效的解决途径【7 】。在实际的生活与生产中，表面涂覆、 涂层技术已被广泛的应用，涂层技术与材料的发展促进了对材料科学问题更深入 的了解，如材料的表面与界面，材料的摩擦与磨损，失效与破损机制，材料的表 面催化以及生物相容等等，充分的了解这些机理，就会促进新材料的产生与发展， 赋予材料新的功能。 很多时候我们应用表面技术是为了提高材料的耐磨性能，因为材料在使用 中，由于高速的运转或者是超长时间的负荷，材料会受到损毁或者是局部变得非， 常的薄弱，都会使材料失效，失去使用的价值，并且造成巨大的浪费，在耐磨部 件表面形成具有特殊性能的金属基复合材料涂层成为这些领域修复部件、强化零 件使用寿命的重要途径瞵蚓。 第一章绪论 1 1 激光加工技术 1 1 1 激光技术及特点 激光是2 0 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明， 被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的原理早在1 9 1 6 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但直到1 9 5 8 年激光才被首次成功制造。激 光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得 了异乎寻常的飞速发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了 新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的 先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光是强相干光源，它所辐射的光是一种受激辐射相干光，是在一定条件下 光电磁场和激光工作物质相互作用，以及光学谐振腔的选模作用的结果【l0 1 。在激 光与材料的相互作用过程中，常用的激光光源有三大类，它们分别是二氧化碳激 光器、准分子激光器和钇铝石榴石激光，前两者为气体激光，后者为固体激光， 各种激光的特征如表1 1 所示1 1 2 。 表1 1 用于材料加工的各种激光光束的基本特征 t a b l e 1 - 1t h eb a s i cc h a r a c t e d s t i co fl a s e rb e a mf o rm a t e r i a lp r o c e s s i n g 注：后四种为准分子激光。 激光作为一种光，它具有普通光的一般特征，例如光的反射性、折射性、吸 收性、干涉性、波粒二象性等，但是作为一种相干光，激光束与普通光束相比最 突出的特性是它具有高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。实际上，这四个 2 第一章绪论 特性本质上可归结为一个特性，即激光具有很高的光子简并度，也就是说激光可 以在很大的相干体积内有很高的相干光强。 1 单色性 光源的单色性是指光源谱线的宽窄程度，如果谱线较窄，则说明光源单色性 好，反之则单色性差。激光单色性好，体现了激光能量在频域上的高度集中。 2 方向性 激光束的方向性通常用光束发散角来衡量。激光的方向性比普通光源发出的 光好得多。激光束之所以具有方向性强的特点是由于激光器受激辐射的机理和光 学谐振腔对光束的方向限制所决定的。 不同类型激光器的方向性差别很大，它与工作物质类型和均匀性、光腔类型、 腔长、激励方式以及激光器的工作状态等都有关。 3 相干性 光的相干性是指在不同的时刻、不同空间点上两个光波场的相关程度。相干 性又可分为空间( 横向) 相干性和时间( 纵向) 相干性。空间相干性用来描述垂 直于光束传播方向上各点之间的相位关系，光束的空间相干性和它的方向性是密 切联系的，而时间相干性则用来描述沿光束传播方向上各点的相位关系，光束的 时间相干性和它的单色性亦是紧密联系的。 4 高亮度 光源的单色亮度是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量。 1 1 2 激光加工技术的特点及应用 由于激光具有单色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征，因此激光加 工技术具有独特的优点 n 1 3 】： 1 激光加工是非接触加工，且激光的能量和移动速度均可调，可以实现多 种加工： 2 可以对多种金属、非金属特别是高硬度、高脆性和高熔点的材料进行加 工： 3 加工过程中无刀具“磨损”，无“切削力一作用于工件； 4 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工， 对非激光照射部位没有或者影响极小。因此激光加工热影响区小，工件热变形小， 后续加工量小； 此外激光加工技术灵活，能够够各种工件进行加工，生产效率高，加工质量 稳定可靠，环保无污染，所以其经济效益和社会效益好，受到普遍关注。 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料( 包括金属与非金 第一章绪论 属) 进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源识别物体等的- - f - j 技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材 料及检测等多门学科的- - f 1 综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为： 1 激光加工系统：包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系 统。 2 激光加工工艺：包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调 等各种加工工艺。 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器 等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有y a g 激光器，c 0 2 激光器和半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊 材料的切割、圆形锯片、弹簧垫片、2m m 以下的电子机件用铜板、一些金属网 板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅 橡胶、1 m m 以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用的激光器有 y a g 激光器和c 0 2 激光器。 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器 有y a g 激光器、c 0 2 激光器和半导体泵浦激光器。 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行 业。激光打孔的迅速发展主要体现在打孔用y a g 激光器的平均输出功率已由5 年 前的4 0 0 w ，提高到了8 0 0w 至1 0 0 0w 。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是 在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、 多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以y a g 激光器、c 0 2 激光 器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。 激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿 轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。 我国的激光热处理应用远比国外广泛得多，目前使用的激光器多以y a g 激光器， c 0 2 激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而 形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以y a g 激光器、c 0 2 激光器 为主。 激光表面强化：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器 多以大功率y a g 激光器、c 0 2 激光器为主。利用激光强化技术可以在多种金属工 件表面制备一层硬度高，耐磨性、耐腐蚀性强的复合材料涂层，能够显著的提高 材料的性能，能够达到有效的节约能源，保护环境，实现可持续发展的目的。激 第一章绪论 光表面强化是一种绿色的表面处理技术，在目前获得了广泛的应用，并显示了很 好的发展前景。 1 2 激光表面强化 激光作为一种精密可控的高能量密度的热源，可对金属进行多种强化处理， 对金属的激光表面处理方法分类如图卜1 1 1 4 】： 图1 1 激光表面处理方法分类 f i g 1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fl a s e rs u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d s 通过激光强化可以显著提高硬度、强度、耐磨行、耐蚀性和高温性能等，从 而大大提高工件的质量，成倍的延长产品的使用寿命和降低成本，取得显著的经 济效益。目前，激光强化技术已广泛应用于汽车、机车、机床机器配件、刀具、 模具、轻工、农机、军工等许多工业部门。 表卜2 1 1 2 j 是各种激光加工强化技术的特点，可以看出激光强化技术具有能量 密度高、冷却速度快、作用区深等特点。这将赋予激光表面强化工件良好的性能。 第章绪论 表1 2 各种激光激光表面处理方法的特点 t a b l e 1 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rs u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d s 1 2 1 激光相变强化 激光相变强化是激光热处理中研究最多、最为成熟的、在生产中已经应用并 且行之有效的一种，广泛应用于多种铸铁、碳钢、低合金高强度钢的淬火，可显 著提高工件的表面硬度和耐磨性。 1 激光相变强化的优点 激光相变强化主要应用于表面处理，与其他表面处理方法相比，具有以下几 个特点： ( 1 ) 激光束能量高，对工件的表面加热快，冷却快，淬硬层马氏体比较细， 硬度比常规淬火高15 0 旷2 0 。 ( 2 ) 仅对工件表面少量金属进行加热，能耗少，几乎不发生变形，工件变形 极小，可以省去矫直和精磨等工序，便于进行精密件局部表面淬火。 ( 3 ) 能进行内孔或者沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂工件表面的局部淬 火，而用其他方法难以解决。 ( 4 ) 由于聚焦光束焦深相当大，可以允许工件表面有相当大的不平度，便于 进行花键轴及齿轮的淬火。 ( 5 ) 硬化深度和面积可以精确控制。 ( 6 ) 激光淬火除薄件外一般均可以自冷淬硬，不用油、水等淬火剂，无污染。 ( 7 ) 由于工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。 “ 2 激光相变强化的缺点 ( 1 ) 硬化深度受限制，一般在l m m 以下。 ( 2 ) 由于金属对波长为1 0 6 “的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率， 须做表面涂层或者其他预处理。 6 第一章绪论 1 2 2 激光熔化淬火 激光表面熔凝的特点是表面有一层达到融化状态，根据处理条件的不同，又 可以分为激光熔化淬火、激光合金化、激光熔覆和激光非晶化。 激光熔化淬火是单纯的将材料表面用激光光束加热至熔化而不添加任何合 金元素，然后自身冷却得到淬火组织，以达到改善表面组织的目的。有些铸件或 者铸锭的粗大树枝状结晶中常有氧化物或者硫化物夹杂、金属氧化物以及气孔等 缺陷，如果这些缺陷处于表面部位，就会影响到疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性。 因此表面晶粒细化和均匀化就很有必要。用激光重熔就可以将杂质、气孔、化合 物释放出来，同时由于迅速冷却而得到晶粒细化。 1 2 3 激光熔覆 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热 影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化 等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨 性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以 用于废品件的处理，大量节约加工成本。激光熔覆应用到快速制造金属零件，所 需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、 军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的 质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、 送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙 度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一 个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在熔覆工艺允 许的范围内。 由于激光熔覆层自行构成特殊合金，一般均以合金粉末为原料，对合金粉末 的性能和物性系数都有一定的要求。首先要具有所需要的使用性能，例如：耐磨 性、耐腐蚀性、耐高温和抗氧化性等特殊的使用性能；同时要求合金粉末要有良 好的固态流动性；合金粉末的热膨胀系数、导热性应尽可能与工件材料相接近， 以减少熔覆层的中的残余应力；合金粉末还应具有良好的润湿性和良好的造渣、 除气、隔气性能。 当前可用于激光熔覆的合金粉末有自熔性合金粉末和复合粉末两类。自熔性 合金粉末是自身能起溶剂作用的合金，即在重熔时合金有自脱氧性能和自造渣性 能，可分为镍基、钴基和铁基三类，还有w c 型自熔性合金粉末( 在以上三种合 7 第一章绪论 金中添加一定量高硬度的w c 制成的) 。复合粉末可以是金属与金属、金属与陶 瓷、陶瓷与陶瓷、金属与塑料、金属与石墨等非金属，范围广泛，技术包括所有 的固态工程材料。复合型粉末能赋予熔覆层一定的耐磨性、抗高温、耐腐蚀和隔 热的性能。对于合金粉末的加入方法，目前主要有三类：第一类，手涂法和涂料 喷涂法，这种方法是用粘结剂与合金粉末调成膏状用手刷涂；第二类，热喷涂法， 即用火焰喷涂和等离子喷涂将粉末预先喷涂在工件上，可以得到一层厚度均匀、 表面平整的预涂层；第三类，送粉法，用专门的送粉器将粉末送入熔池。 1 2 4 激光非晶化 将液体以大于一定的临界冷却速度极冷到低于某一特征温度，以抑制晶体形 核和生长，是获得非晶态固体的基本准则。激光非晶化是用激光作用于材料，使 材料表面薄层熔化，同时在固、液两相间保持极高的温度梯度，从而满足形成非 晶的极冷条件。 激光非晶化可分为四类： 1 脉冲激光非晶化 2 连续激光非晶化 3 激光溅射沉积技术非晶化 4 激光化学气相沉积非晶化 其中3 、4 不属于快速熔凝技术范围。 与现有形成非晶的方法相比，激光非晶化有突出的优点，它能高效地、易控 制地在形状复杂的工件表面形成非晶层，对提高材料的耐腐蚀性能和耐磨性有很 大的意义，这将大大的扩大非晶材料的实际应用范围，同时激光非晶化对非晶理 论研究方面也做出了突出的贡献。 1 2 5 激光冲击硬化 有激光冲击波作用产生的材料表面硬化和强度的提高统称为激光冲击硬化。 强的激光冲击波使金属产生强烈的塑性变形，使激光冲击区的显微组织呈现位错 的缠结网络，这种结构类似于高爆炸冲击和快速平面冲击的材料中的亚结构，这 种组织能明显提高材料表面硬度、屈服强度以及疲劳强度。 激光冲击处理是一种新的材料表面改性技术，由于激光冲击硬化可以在空气 中进行，因此具有使用价值。目前这种表面强化技术可用来冲击强化精；b n - r 后工 件的曲面、齿轮和轴承等。 8 第一章绪论 1 3 激光表面合金化技术 激光合金化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1 0 1 0 0 0 岬的表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达1 0 5 1 0 8 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，可使材料表面仅仅在很短的时间内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 能在合金化元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金。这种合金化 层由于具有高于基材的某些性能，所以就达到了表面改性处理的目的。 1 3 1 激光表面合金化技术的工艺特点 激光表面合金化工艺的最大特点】是只在熔化区和很小的影响区内发生了 成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极 小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素 是完全溶解于表层内，因此所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向 也不敏感。其另一显著特点是所用的激光功率密度很高( 1 0 410 8w c m 2 ) 。熔化 深度由激光功率和照射时间来控制，在基体金属表面可形成深度为0 o l - 2 m m 的 合金层。由于冷却速度高，所以偏析极小，并且细化晶粒效果显著。 利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐腐蚀、耐 热等性能，从而可以取代昂贵的整体合金，并可改善不锈钢、铝合金、表面金属 玻璃等。激光表面合金化是一种新型的表面改性技术，它可以显著提高金属材料 表面的抗腐蚀和耐磨损性能，与传统表面改性技术相比，激光表面合金化具有突 出的优点i 睁博j ： 1 激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播j 2 是一种快速处理方法，能有效利用能量。 3 能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧硬化与等离子 喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热冲击，造成变形和开裂，往 往需要校直和打磨加工。 4 能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规 则的零件上可得到均匀的合金化深度。 基于上述特点，激光合金化在金属加工工业中逐渐开始获得各种应用。迄今 9 第一章绪论 适合于激光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钛合金和铝合金， 合金化元素包括c r 、n i 、w 、t i 、m n 、b 、v 、c o 、m o 等。 激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层 和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。 1 3 2 激光合金化选材原则 在选择合金化材料时，首先应考虑合金化层的性能要求，其次要考虑合金化 元素与母材金属熔体间相互作用的特性，还要考虑表面合金层与母材冶金结合的 牢固性，以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。在合金化组元的选择上，既 有c r 、n i 、w 、t i 、c o 、m o 等金属元素，也有c 、n 、b 、s i 等非金属元素， 以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔颗粒1 3 】。 1 3 3 激光合金化层质量控制 激光合金化后，合金化层在微观上是不均匀的，熔池的冷却条件、液体对流 方式、对流强度及合金元素间的相互作用等对其都有影响。合金化层质量的控制 主要包括合金化程度的控制，合金化层成分的控制，合金化层的裂纹与孔洞的防 止，以及合金化表面不平整度的控制等。调整工艺参数、预热及合金化后处理可 以得到理想的合金化层。 1 3 4 激光合金化送粉方式 激光表面合金化过程中，合金化粉末的加入方式有如下几种 1 3 , 1 9 2 0 】： 1 预置材料法 预置材料法即在激光合金化处理前将合金化粉末涂敷在基材表面的方法，可 把任意配方的合金元素涂于基体材料表面，是当前激光合金化技术中较常用的一 种方法。 2 送粉法 送粉法在激光熔化基体的同时将合金化粉末直接送入熔池，粉末和熔化的基 体反应生成合金化层。此方法的优点是易于实现自动化，能够充分利用能量、气 孔率低、生产效率高，可以得到良好的表面合金层质量。 3 激光气体合金化 激光气体合金化是指在适当的气氛中( 如氮气、渗碳气氛等) ，利用激光熔 化基体材料表面，通过气氛中的气体与基材的反应生成具有特殊性能的表面合金 化层。其特点是基体材料不需要预涂合金化粉末就能直接形成合金化层。它主要 1 0 第一章绪论 应用在川、t l 及其合金等软金属基体表面，形成具有一定硬度的表面化台物。l i u j i a n g l o n g l 2 1 啪ssb a b u 2 2 1 在氮气气氛中分别对丁i 6 a i 4 v 和4 3 i 不锈钢台金进行激 光气体舍金化试验，取得了不错的效果，典型送粉装置如图卜2 1 ”l 所示： ( a ) 预置粉末法( b ) 送粉法 图1 2 激光合金化典型送粉方式 f i g l 一2 t y p i c a la d d i t i o np o w d e r t e c h n i q u eo f l a s e r a l l o y i n g 1 3 5 激光表面合金化组织与性能 激光合金化时其最终组织特征与激光合金化工艺条件有关，即与激光功率 密度、扫描速度、舍金粉末层的纽分及其厚度等因素有关【m 3 嗡 。它们决定了激 光熔池之中的温度梯度、冷却梯度。而激光合金化的基材、合金元索类型以及台 金浓度则决定了激光台金熔池的凝固速度。一般说来，冷却速度越大，凝固组织 越细小。激光合金化中其冷却速度在10 匕】0 8 s 。因此，与凝固组织相比， 激光台金化组织总是细小的。 另一方面，温度梯度与凝固速度之比决定了台金熔池中的凝固前沿的成分过 冷程度。温度梯度与凝固速度之比越高，凝固前沿的成分过冷程度越小。根据成 分过玲理论，熔体过冷程度的不同会使激光合金化后的凝固组织出现不周特征。 已有大量的实验结果表明，激光台金化后的凝固组织有以下五种形态：第一种， 平面晶：第二种，胞状晶：第三种，胞状树枝晶；第四种，树枝晶：第五种等 轴枝晶。以上五种不同的结晶形态主要取决于激光合金熔池中的溶质浓度、晶体 长大速度和凝固前沿的温度梯度的综合作用结果。 当前，激光台金化主要用于提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨 损性等性能，应用较为广泛。 1 激光表面合金层的耐磨性 目前，激光合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质台金化粉末( 如s i c ， w c ，t i c 等) ，或者激光合金化过程中原位形成如碳化物、氯化物、硼化物或金 属间化合物来增强合金化层的耐磨性。 蒋平”“利用预涂s i c 粉的方法对1 j 一6 a i 4 v 合金进行激光台金化实验，制得以 第一章绪论 t i c 和金属间化合物t 5 s i 3 为增强相的复合材料表面改性层，合金硬度及在二体磨 料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。 原位生成硬质合金相或者是金属间化合物也是提高合金化层硬度的一种好 方法，h c m a n 2 7 】预涂n i t i 粉末对a a 6 0 6 1 合金进行激光合金化，优化工艺条 件得到无裂纹和气孔的合金化层，其主要组成相为t i a l 3 和n i 3 a l 。合金化层硬度 大于3 5 0 h v ，明显高于基体硬度( 小于1 0 0 h v ) ，合金化层耐磨性性能是基体的 5 5 倍。a a l m e i d a 掣蹦j 添n m o 对铝进行激光合金化研究，合金化层中m o 的含 量为1 4 8 0 o - 1 9 1 ，合金层微观组织为弥散分布于a a i 固溶体上的针状或花瓣状 的a l s m o ( r ) 金属间化合物。摩擦学试验表明，由于表面合金化层的保护作用， a i m o 合金的摩擦系数降低，耐磨性能提高，摩擦机理主要是粘着磨损、磨削和 氧化，磨损对此贡献较少。于利根等【2 9 】分别采用氮气及预涂t i n 、碳粉、t i c 等 方法对t i - 4 8 a 1 2 c r 2 n b 进行激光表面合金化，制得了分别以t n 、t i c 等硬质相 为增强相的快速凝固“原位金属基耐磨复合材料表面改性层。干滑动及磨料磨 损条件实验证明t i 4 8 a 1 2 c r - 2 n b 激光合金化后显微硬度和耐磨性大幅度提高，且 耐磨性的提高和合金化层“原位硬质相有关，硬质相体积分数越大，材料的耐 磨性越高，同时激光合金化还可明显改善t i 4 8 a i 2 c r - 2 n b 金属间化合物对s i c 纤 维刷高速滑动二体磨料磨损的耐磨性。y i n gl i x i a 掣如】预涂t i b 和石墨对9 c r l8 进行激光合金化，选择合适的工艺参数可以得到无气孔和裂纹的合金化层，合金 化层均匀分布着大量的f e c 、s i c 、t i c 、c r 2 3 c 6 等碳化物硬质相，合金化层显微 硬度显著提高，耐磨性明显增强。由此可以看出，这些实验均取得了不错的效果。 激光合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以提高合金化层的硬度和耐 磨性，a h u s s a i n 3 1j 首次采用8 5 0 wc wc 0 2 激光器对a i s l l 0 1 0 低碳钢电镀1 0 9 r n 镍进行激光合金化，合金化层微观组织均匀且无裂纹，合金化层含镍5 ( 位于 f e n i 相图a a + d 线上) 时，硬度为基体的三倍，原因是由于快速冷却合金化层 中出现马氏体组织。 2 激光表面合金化层的耐蚀性 通过激光合金化提高基体材料的耐蚀性是激光合金化在实际中的一个重要 的应用分支，对不锈钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果，但其耐 蚀性机理较为复杂，目前处于探索阶段。k h l o 等【3 2 j 预涂w c 粉末对a i s l 31 6 l 。不锈钢进行激光合金化，采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化 层，在3 5 的n a c i 溶液中的其抗空蚀性能可提高3 0 倍。研究认为，抗空蚀性能 的提高可能是由于激光合金化过程中w c 的分解从而使钨在熔体中的固溶度提高 及枝晶碳化物的析出所引起的。k y c h i u 3 3 j 也对a i s l 3 1 6 l 进行激光合金化处理， 所不同的是他所预涂的合金化粉末为n i t i ( n i 5 5 w t t i 4 4 w t ) ，在温度为2 3 第一章绪论 的3 5 n a c i 溶液中进行腐蚀试验，合金化层耐蚀性稍低于基体，认为这可能是 由于激光合金处理过程中的熔化、凝固和搭接使合金化层组织不均匀引起的。 m u t h u k a n a n nd u r a i s e i v a m 等 3 4 贝l j 对t i 6 a l l 4 v 添；l n i t i t i c 开展激光合金化研 究，所得到的合金层致密，几乎无裂纹。腐蚀实验显示，合金化层耐蚀性相对基 体增加1 2 1 8 倍，耐蚀性的增加主要是由于合金化层中金属间化合物所贡献的。 3 激光表面合金化层的耐腐蚀磨损性能 在某些恶劣的工况条件下，要求工件能够具有一定的耐腐蚀磨损性能，以满 足实际工况需要。不同的研究人员实验表明，采用合适的工艺对基体材料进行激 光合金化表面处理，合金化层的耐磨耐蚀性能够同时得到改善。田永生【3 5 】对 t i 6 a l - 4 v 分别添加碳、氮、硼进行激光合金化的硬度为1 1 0 0 1 3 0 0 h v ，明显高 于t i 6 a i 4 v ( 约4 0 5 h v ) ，磨损试验表明，合金化层的耐磨性是基体的3 4 倍。 当采用碳、氮、硼或t i c 、t n 等粉末进行复合合金化后，分别进行激光合金化后 合金层的硬度为可达1 6 0 0 1 7 0 0 h v ，耐磨性能高于基体5 倍以上，合金层的磨 损表面比较平整，形成的沟槽较浅，未发生粘着磨损，而基体的磨损表面粗糙， 存在较深的沟槽，并呈现粘着磨损，经稀土化处理后，其耐蚀性得到进一步提高。 陈长军【3 6 】采用二氧化碳激光器在z m 5 镁合金上激光合金化预置a l 粉。获得富a i 的m g a i 合金化层，激光a l 合金化使z m 5 合金基材表面硬度由h v 7 5 - 8 0 提高到 h v 2 7 5 3 2 5 ，同时耐蚀性得到提高。 1 3 6 激光合金化应用 陈智君等【37 】通过激光合金化技术对6 5 m n 材料割草机刀片进行表面处理，割 草机刀片硬度提高一倍左右，耐蚀性提高2 倍左右，寿命提高一倍左右。装机实 验表明，与整体淬火比较，合金化刀片不易崩刃和断裂，具有更好的安全性，明 显优异于常规热处理。叶宏【3 8 】对玻璃模具的合缝线进行激光合金化处理后，在重 庆红岩玻璃厂q d 6 型行列式制瓶机上进行装机实验，模具总使用时间为 19 0 0 2 2 0 0 h ，比未经激光合金化处理的模具提高10 0 0 多倍，使用寿命显著提高。 不仅提高了产品质量，降低了生产成本，而且减少了操作工人在较恶劣的条件下 更换模具的次数，提高了劳动生产率。骆刊3 9 】采用激光合金化技术对注塑机螺杆 进行处理，表面平整，合金化层厚度达0 3 m m ，装机实验测试显示，激光合金化 处理的螺杆硬度和耐磨性比渗氮成倍提高，使用寿命近6 0 小时，是渗氮处理的 3 倍。经济效益较为显著，是一种理想的螺杆制造工艺方法。c h t a n g t 4 0 】等对船 用螺旋桨青铜进行激光合金化处理，合金化层腐蚀性能相对基体显著提高，使用 寿命明显增长，证明激光合金化是一种表面局部处理的好方法。 第一章绪论 1 4 奥氏体不锈钢与t i c 颗粒 一般来说，材料的硬度和耐磨性能有密切的关系，其表面硬度高的材料耐磨 性也很优异。因此，提高合金层的表面硬度对提高材料的耐磨性能有很重要的工 程意义 4 1j 。 用于金属基复合材料合金层的增强相，通常都选择具有高强度、高熔点、高 抗磨损、耐高温、耐腐蚀性能的增强颗粒，并在物理性能上与基体金属相匹配， 能够与之形成良好的冶金结合，获得优异的综合力学性能。颗粒增强金属基复合 材料具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，以及低的热膨胀 系数，是近年来倍受关注的新型材料4 2 - 4 3 】 理想的增强相应该具有以下性能【5 】： 1 刚性、强度、硬度等物理力学性能优良； 2 工作条件下增强相不溶入基体内，不发生增强相的溶解或渍散，组织形 态不发生变化； 3 与基体金属的热膨胀系数差别小，不会由于工作温度或苛刻的工作条件 而产生裂纹或形成较大的应力集中。 根据这个原则，目前可应用的增强相主要有碳化物、硼化物、氧化物、氮化 物等，也可以是金属键化合物。表1 - 3 删给出了常用的各种增强相的物理性能和 力学性能。 表1 3 各种增强相的物理性能和力学性能 t a b l e 1 - 3p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er e f o r e i n c ep h a s e 在各种颗粒增强相中，t i c 具有较高f 1 0 硬度( 3 2 0 0h v ) 和良好的热稳定【4 7 4 8 】 性。低温时t i c 的最强键即t i c 键上的共价电子数为0 4 6 8 7 6 ，键能值为8 0 1 9 第一章绪论 k j m o l ，而高温时相应键上的共价电子数为0 4 8 5 8 7 ，键能值为8 5 3 1k j m o l 。共 价电子数增多，表明原子之间的结合力强，这表明温度升高时，t i c 热稳定性增 强，所以高温停留时间对原位反应生成t i c 有较大影响，高温停留时间长将更有 利于t i c 的反应合成。另外，从t i c 的价电子结构可以看出，其共价电子数较多， 键能值较大，由于晶体结构的显微硬度主要与这两个关键参数的乘积即“键加强 因子”有关，所以，t i c 晶体的硬度很高。尤为可贵的是高温下t i c f l 皂被f e 溶液润 湿【矧，1 5 5 0 时其润湿角为4 0 。；另外，t i c 还具有形成自由能低，易于合成等 诸多优点，在基体组织中多为微细颗粒析出，呈弥散分布，对基体金属硬度改变 较大的复合材料的韧性有较大帮助。 因此，经常选择以t i c 作为增强相，以工业生产中应用较多的铁基复合材料 进行研究。 目前工业生产中应用的含t i c 的金属基复合材料的制备主要有两种途径【4 6 】： 增强相的外加法和原位合成法。增强方式多采用弥散颗粒增强，增强相的加入方 式既有颗粒外加的粉末冶金法、铸造法等，也有原位合成的自蔓延法、表面熔敷