（机械制造及其自动化专业论文）cr12模具钢激光熔覆技术的研究.pdf

摘要 摘要 c r l 2 模具钢是一种重要的模具材料，在模具成型零件中被广泛应用。模具成 型零件在工作过程中容易发生磨损，极大地影响模具的使用寿命，增加了模具的 修复成本。目前模具修复应用较多的是堆焊、喷涂等方法，这些修复方法难以保 证模具的使用寿命。激光表面熔覆技术与其它表面加工技术相比具有应用面广、 实用性强、应用灵活等优点。 论文在c r l 2 模具钢材料表面上，分别进行了p h n i - 6 0 a 、p h n i 2 5 w c 一6 0 a 和 s t e l l i t e 6 三种合金粉末的激光熔覆实验，并对实验结果进行分析；主要内容如下： 介绍激光熔覆技术的应用现状与发展趋势。 分析激光熔覆实验工艺要求，明确激光熔覆实验的目标与总体方案。 分析熔覆层与基体界面结合状况及熔覆层显微组织结构。 测试熔覆层抗磨损性能。 研究熔覆层显微硬度的变化趋势。 研究熔覆层裂纹产生的机理及其抑制方法。 研究结果表明： c r l 2 模具钢表面上可实现镍基合金和钴基合金的激光熔覆，在合理的工 艺条件下，可获得较好的冶金界面结合，激光熔覆后表面的耐磨损性能比 熔覆前的基体耐磨损性能有较大的提高。 激光熔覆裂纹产生的原因主要与激光熔覆处理后材料内部存在较大的残 余应力有关。通过调整应力状态，优化工艺方法和参数，添加合金元素等 方法可减少熔覆层的开裂。 关键词：激光熔覆，c r l 2 模具钢，磨损性能，显微硬度，裂纹 a b s t r a c t a b s t r a c t a sak i n do fi m p o r t a n tm o u l d i n gm a t e r i a l ，c r l2m o u l ds t e e lc a nb ea p p l i e di nt h e m o u l d i n gp a r t sw i d e l y t h ew e a r i n ga n dt e a r i n go fm o u l d i n gp a r t sh a se f f e c t so nt h e l i f eo fm o u l di n g r e a td e g r e e sa n di n c r e a s e s t h ec o s to fm o u l dr e p a i r i n g t h e t e c h n o l o g yo fw e l d i n ga n ds p r a y , w h i c ha r eu s u a l l yu s e di nm o u l dr e p a i r i n g ，a r eh a r d t oe n s u r et h el i f eo fm o u l d t h el a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yi sm o r ea v a i l a b l e ，p r a c t i c a l a n df l e x i b l et h a no t h e rs u r f a c ew o r k i n gm e t h o d s a f t e rt h ep o w d e rl a y e r so fn i c k e l - b a s e da l l o y , n i c k e l - - b a s e da l l o yp l u s2 5p e r c e n t t u n g s t e nc a r b i d ea n ds t e l l i t e 6a l l o yh a v eb e e np u to nt h es u r f a c eo f c r l2m o u l ds t e e l ， t h el a s e rc l a d d i n ge x p e r i m e n t so fs i n g l el a n ea n dc o n t i n u o u sl a p p i n gl a n e sh a v eb e e n c a r r i e do u to nt h ep o w d e rl a y e r sw i t hv 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 sa n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r m a i nc o n t e n t sa r e ： t h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s d e s i g ns c h e m ea n do b j e c t i v eo ft h el a s e rc l a d d i n g e x p e r i m e n t t h ei n t e g r a t i n gc o m p l e x i o no ft h ei n t e r f a c e ，t h e c o m p o s i n go ft h ec l a d d i n g c i r c u m s c r i p t i o na n dt h em i c r o s t r u c t u r e so f t h el a s e rc l a d d i n gl a y e r t h em e a s u r e m e n to fp e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c ew e a r - r e s i s t a n c eo fl a s e rc l a d d i n g l a y e r t h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c em i c r o - h a r d n e s so fl a s e rc l a d d i n gl a y e r t h em e c h a n i s mo fc r a c k i n ga n dt h em e t h o do fp r e v e n t i n gc r a c k so fl a s e rc l a d d i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t ： t h ee x p e r i m e n t so fc r l2m o u l ds t e e ll a s e rc l a d d i n gc a l lb ec a r r i e do u to nt h e p o w d e rl a y e r s w i t hn i c k e l - b a s e da l l o ya n ds t e l l i t e 6a l l o y g o o dm e t a l l u r g y i n t e r f a c ec a nb ea c h i e v e du n d e rt h e a p p r o p r i a t et e c h n i c a l c o n d i t i o n s t h e w e a r - r e s i s t a n c eo ft h el a s e rc l a d d i n gl a y e rc a l lb ee n f o r c e do b v i o u s l y t h ec r a c k so fl a s e rc l a d d i n ga r em a i n l yr e l a t e dt ot h eb i gr e m a i n i n gs t r e s si n s i d e t h em a t e r i a la f t e rl a s e rc l a d d i n g ，a n dt h ec r a c k so ft h el a s e rc l a d d i n gl a y e r sc a nb e r e d u c e dw i t ht h em e t h o do fr e g u l a t i n gs t r e s ss t a t e ，o p t i m i z i n gt h ec l a d d i n g t e c h n i q u e s p a r a m e t e r sa n da p p e n d i n gt h ee l e m e n to fa l l o y k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，c r l2m o u l ds t e e l ，w e a r - r e s i s t a n c e ，m i c r o h a r d n e s s ， c r a c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人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，也不包含为获得墨鲞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。 学位论文作者签名t 当窿瑚秀签字日期：矽孑年z 一月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨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： 签字日期：力矽g 年z 月2 7 日 导师签名：弓t 辩醐：研 月巧日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方法， 它是利用高能激光束( 1 0 4 1 0 6 w c m 2 ) 在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和 迅速凝固，冷却速度通常达到1 0 2 1 0 6 s ，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、 化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性 能，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。这种复合材料 能充分发挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到非 晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。激光熔覆技术的研列l j 始于1 9 7 4 年，而兴起 于2 0 世纪8 0 年代，美国的d s g n a m u t h u 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专利。1 9 8 1 年r o l l s - - r o y c e 公司成功地在喷气发动机 叶轮上涂覆钴基合金面并显著提高了其耐磨性。激光熔覆可以在低成本的金属基 体表面制成高性能的表面，从而能够代替大量的高级合金，以节约贵重、稀有的 金属材料，提高材料的性能，降低能源消耗，适用于局部易磨损、冲击、剥蚀、 腐蚀及氧化等零部件，如模具中的凸模、凹模，各种轴类零件等，具有广阔的发 展空间和应用前景。 激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备 耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。从表1 一1 1 2 j 中可以看出，与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着 下列优点： 1 熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。 2 层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等 性能也比较好。 3 由于激光作用时间短( n s 级) 。熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，对 熔覆层的冲淡率相对低( 常规为5 8 ) 。因此可在熔覆层比较薄的情况下，获 得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的熔覆层材料。 4 高达1 0 6 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。 5 激光熔覆过程易实现自动化生产，且熔覆层质量稳定。 第一章绪论 表1 1 几种表面处理方法的比较 比较项目火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂爆炸喷涂超音速喷涂激光熔覆 电能a r ，h e ， 热源 0 2 + c 2 h 2 电能 0 2 + c 2 h 20 2 + c 2 h 2 激光 h 2 金属，合金，金属，合金，金属，合金，金属，合金，金属，合金， 喷涂材料金属，合金 高分子 陶瓷部分陶瓷部分陶瓷陶瓷 最高温度 2 7 6 0 3 2 6 07 4 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 02 5 5 0 2 9 4 0 5 0 0 0 喷涂材料 线、粉线粉粉粉粉 形态 几乎所有固几乎所有固几乎所有固主要固体金几乎所有固主要固体金 基体材料 体材料体材料体材料属体材料属 基体温度 。c 2 0 0q 0 0 2 0 0 l o 5 0 5 0 5 0 基体强度 气孔率 6 1 1 1 1 珞疆爱 图1 1激光熔覆过程图1 - 2 激光熔覆层和热影响区 法，更好的改善内燃机排气阀的使用性能，其阀密封面的耐磨和耐蚀性比用常规 涂层法处理的改善3 4 倍。此外，对灰铸铁进行激光合金化处理1 5 刮，可使铸铁 的耐磨性和耐疲劳性能显著提高，对灰铸铁气门阀进行加c r 激光合金化处理，可 使其硬度达到h r c 6 0 ，节约成本8 0 。 在c u 上熔覆a g 作为电接触材料也是激光熔覆的重要应用1 7 j ，它既可以节约 大量的贵金属，也可消除原工艺中的有毒化学电镀物质，而大大改善生产环境。 1 2 课题研究的目的及意义 工业生产产品中的许多重要零部件在进行机械加工时要用到许多成形模具和 冲压模具，在机械零件毛坯锻造过程中也要用到许多热挤压模具。这些模具的材 料的硬度和强度如果太高，则韧塑性较差，加工时刃角部位易崩裂和剥落，使锐 角交钝或缺损，在使用过程中也容易使刃角部位易钝化或缺损；如果硬度和强度 较低，可以保持足够的韧塑性，但模具成型零件接触面因较软而磨损较快。以上 两种情况都将改变模具的尺寸和形状，从而严重影响产品加工后的尺寸精度和表 面粗糙度。即使模具进行重新修磨或更换，也会给生产带来许多不利的影响，因 为这样不仅延长生产周期，增加生产成本，模具的重新装卡和定位也必将影响产 品的加工质量。因此，开展提高机械零部件加工用模具的表面耐磨性，同时又保 持基体具有良好的韧塑性的研究工作有着重要的现实意义，将研究成果推广应用 到其它模具( 包括热作模具) 、各种轴类零件1 8 j 、甚至产品加工用的刀具上等，将产 下上下 第一章绪论 生相当明显的经济价值和社会价值。 利用表面工程技术改善模具表面的耐磨性无疑是一条较好的途径，而激光熔 覆则是其中较为先进、有效，也是近年来比较热门的研究方向之一。目前为止， 在模具钢材料基体上进行镍基合金、钴基合金、铁基合金激光熔覆后的硬度、耐 磨性、表面裂纹产生原因及分析等综合系统研究方面的报道不多，只有部分针对 工艺或某一性能进行分析研究，研究结果不甚理想，而在c r l 2 模具钢基材上进行 激光熔覆尚未见相关报道。 论文结合模具的使用环境和特点，对在服役中广泛使用的模具钢c r l 2 进行激 光熔覆，研究激光熔覆后的表面质量及其表面裂纹产生的原因和对策。并对激光 熔覆后的表层组织进行性能实验研究，研究了三种涂层材料激光熔覆后表层显微 硬度的变化趋势及其原因、熔覆层抗磨损性能提高的幅度以及显微组织变化的情 况，分析表层横截面上各种合金元素的存在形式与分布状态。以期望通过激光熔 覆后，使材料表面获得一层优质耐磨的硬化层组织，从而提高模具使用寿命，减 少模具修模次数或对废旧模具进行修复补救再利用，减少材料成本消耗，提高模 具的再利用率，为模具修复提供一种较好的技术方法。研究内容具有较高的学术 和经济价值。 1 3 国内外研究状况分析与发展趋势 目前国内外在这方面的研究主要集中在新型熔覆材料的研究与开发 9 - 1 1 ，熔 覆材料引入方式的分析与改进【1 2 】，热物理模型的数学理论模型的建立【1 3 - 1 5 ，工艺 参数的智能化，熔覆层组织与性能的研究d 6 q 8 】，表面质量控制【1 9 - 2 1 及熔覆层裂纹 产生的原因与分析研究 2 2 - 2 3 j 等。近年来激光熔覆通过与c a d 技术的结合发展起 来一项崭新的加i t _ 艺一快速原型( r a p i d p r o t o t y p i n g ) 制造技术1 2 4 | ，使激光熔覆 技术又有了更加丰富的研究内容和更加广阔的应用前景。最近几年，激光熔覆在 整个激光加工技术中占有很大的比重，但研究内容可大致分为工艺、设备及理论 三个方面【2 5 1 。 1 3 1 工艺或实验研究 近年来工艺或实验研究主要侧重于基材与熔覆合金体系的选择，熔覆工艺的 改进、及熔覆层性能分析、测试研究三个方面。 基材与熔覆合金体系方面：现已开发研究的基体材料主要有碳钢、合金钢、 铸铁、铝合金、铜合金、模具钢、镍基高温合金等。熔覆材料合金体系主要有铁 基合金、镍基合金、钻基合金和金属陶瓷等几大类。激光熔覆铁基合金适用于要 4 第一章绪论 求局部耐磨且容易变形的零件。铁基合金涂层的基材多用铸铁和低碳钢；熔覆镍 基合金适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需激光功率密度要 比熔覆铁基合金的略高；钻基合金适用于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件；陶 瓷涂层在高温下有较高的强度，且热稳定性好，化学稳定性高，适用于耐磨、耐 蚀、耐高温和抗氧化性的零件。 近年来，在这些基础上，熔覆工艺及表面性能研究方面，郑立1 2 6 j 等在4 5 钢 基体上熔覆w c t i n c o 硬质合金，表面化学成分和显微组织发生根本性变化，硬 度和耐磨性得到提高。邹鸿承【2 7 】在2 0 m n m o 基体上激光熔覆镍基包w c 粒子粉末， 使表层相对耐冲蚀性提高2 3 倍。郝远1 2 8 在灰铸铁表面上进行t e ，c r , vm o ，m n 粉末熔覆。吴运新等 2 9 】在不锈钢表面进行了镍铬激光熔覆组织与耐磨性研究；在 表面添加稀土元素激光熔覆研究方面：黄金亮等1 3 0 j 在4 0 c r 基体上采用 n i c r b s i w c 复合合金粉末，并添加c e 0 2 激光熔覆，使耐磨性提高了2 5 - 6 6 ， 表面滑动摩擦系数降低约1 4 ；杨洗陈等【3 l 】在铜合金熔覆c u s n p 合金，并添加硅、 硼等氧化剂，获得了大面积的熔覆层组织：在熔覆层裂纹研究方面，廖钟亮等1 2 4 j 在4 5 钢上添加y 2 0 3 进行镍基合金激光熔覆微裂纹分析研究。 除基体材料、涂层合金体系外，激光工艺参数也是影响熔覆质量的又一重要 因素。工艺参数包括激光功率p 、光斑直径、扫描速度和送粉速度等。各种参数 相互影响，对激光熔覆质量的影响极其复杂，因此必须通过认真细致的工艺实验， 找出最佳的工作参数，再进行深入的研究。 从激光熔覆研究来看，一直存在和努力解决的关键问题是1 3 2 - 3 5 】：熔覆层材料 与基体材料的热物性存在较大的差异，从而造成较大的应力而引起熔覆层中产生 裂纹；其次，激光作用时基体常被氧化，从而造成界面结合不好，这种情况在易 氧化的一些非铁合金的熔覆时尤其严重；再就是激光熔覆陶瓷涂层时，陶瓷颗粒 与熔覆材料的润湿条件也直接影响到熔覆层的质量。 m c i e n g ，h s o ，g a b b a s 等【始3 7 】在低碳钢、中碳钢和不锈钢上激光熔覆 c o c r w c 的s t e l l i t e 6 合金，得到了很好的常温和高温耐磨性能。j s i n g h ，k n a g a r t h n a m ，a b e l m o n d o 等人【3 & 3 9 j 在低碳钢上熔覆f e c r m n c 和f e c r w c 合金，也 得到很好的耐磨性能。g s e t h r t 4 0 j 在低合金钢1 6 m n c r 5 表面激光熔覆n i c r - b s i 合金，具有很能好的耐磨性能。 在非铁合金表面激光熔覆一些合金材料，也可以得到很好的性能。l p a w l o w s k i ，gy l i a n g 等人1 4 1 】在铝合金表面激光熔覆n i ，c r ，m n 以及n i c r - b s i 等合金，可能得到硬度非常高的熔覆层，熔覆层显微硬度可达h v 8 0 0 一- - 1 0 0 0 ，同 时在熔覆层中还发现了大量的非晶组织。 文献【4 2 】通过对c o 基w c t - c t a c 多元复硬质合金熔覆层中颗粒相的行为特 第一章绪论 征的研究表明，从激光熔覆层的底部到顶部t i c 颗粒呈梯度递增分布，并伴有一 定的聚焦长大现象；而w c ，t a c 出现碎化( 熔化烧损) 现象，且熔化烧损程度 大于t i c ，熔覆层中明显出现以t i c 为黑色芯部。以( w ，t i ，t a ) c 复式碳化物 为外围的包覆结构，且在熔覆顶部最表层及熔覆层与体结合区分别出现了在液相 凝固过程中产生的含有w ，t i ，t a “鱼鳞状菜氏体及结晶方向较强的粗大枝晶 状共晶组织。 k h e r s h e d 4 3 】在i n c o n e 9 1 6 2 5 合金上采用同步送粉法激光熔覆含w c 或t i c 的 复合粉末，发现涂层的摩擦系数明显低于未处理材料。陬随着滑块转数的增加， 先呈现上升趋势，随后稳定在一定水平。陬增大的速度取决于陶瓷相尺寸和类型； 陶瓷相颗粒越粗大，摩擦系数越高，滑痕宽度也越大。 1 3 2 设备的研制及开发 激光设备是熔覆工艺研究的主要硬件。国外在十几年前就己经开发出万瓦级 的激光加工系统，功率稳定性一般在士2 以下。国内激光设备发展也不是很快， 以华中理工大学激光部开发的5 k w 以上的大功率激光加工系统，经过多年的努 力，已形成规模，生产出多种根据不同使用要求的通用或专门设备，品种齐全， 已与国外激光系统形成竞争态势。但国内设备在激光模式和功率稳定性上与国外 如德国、英国相比仍有较大差距。因此，国内激光系统多用于焊接、表面热处理 和表面改性等方面，但在激光应用技术上国内研究水平大体与国外相当，与激光 熔覆相关的配套技术装置上国内也研究较多。主要包括以下几个方面： 1 输出光源的改进：国内激光熔覆技术使用的光源大多采用抛物反射聚焦镜 或透镜聚焦方式，光斑直径多在西3 m m 以下，也有部分采用扫描振镜反射方式， 但这些光源输出方式，一般只能用于单道小面积熔覆，要在大面积的基体材料上 熔覆，需进行多道搭接，存在效率低，搭接率太高，引起熔覆层裂纹产生倾向加 大等缺点。因此现已出现用旋转镜，如将西3 m m 的光源通过高速旋转镜聚焦成 3 x 3 0 m m 的带光( 长度方向可调，调节范围为o - - 一3 0 m m ) 再配上高功率( 5 k w 以上) 可实现大面积熔覆，大大减少了搭接率和裂纹敏感性，熔覆效率也大大提高。 2 涂层材料的预置装置 涂层材料的预置是激光熔覆技术的主要内容之一，国内多采用涂层材料预置 法。但这种方法存在涂层厚度不易精确控制，生产效率低。天津工业大学( 原天 津纺织工学院) 己成功研制出一种涂层同步送粉装置，可根据不同的激光熔覆厚 度，自动调节送粉量，使用灵活方便，生产效率也大大提高。国外也设计了一种 新的送粉系统配套测量装置可反馈信息，保证整个处理过程中供给速率恒定，整 个装置重量轻，可安装在激光器上。 6 第一章绪论 3 工艺智能化控制系统 保证工艺实验有效，减少实验反复次数，合理设计工艺实验方法，是研究人 员首先考虑的因素，但工艺实验是一个复杂的过程。西北工业大学已研制开发一 种实验过程人工神经网络遗传算法软件系统，并己在奥氏体不锈钢激光表面 熔凝工艺优化上进行了研究，使材料激光加工工艺优化出现一种有效而简单的新 手段。 1 3 3 熔覆理论模型与处理 激光熔覆是以极快速度熔化和凝固过程，是个非平衡的物理和冶金过程。自 这项技术问世以来，已经有很多学者进行了熔覆数理模型分析研究，如在激光熔 化过程中激光金属耦合机理及热传导温度场计算，凝固过程中热力学分析等 方面做了较系统的唯象理论处理。但由于熔覆过程的冶金学现象复杂( 包括熔化、 对流、凝固、扩散和相变等) ，而且熔化部分与基材成分不同，这给数理模型的建 立带来诸多的困难。近年来随着研究的深入和不断成熟，需要模型理论的支持也 更加迫切，因此目前这方面的理论研究也非常多。如激光加热温度场的数学模型， 根据模型计算出激光处理试样的温度场。最新研究则根据激光在材料中的热传导 机制得到了一维、二维和三维热域模型，从而推导出一个温度、涂层深度与时间 关系的数学方程。有些研究则考虑光束与材料的作用，得到了关于能量，送粉速 度和扫描速度的数学模型。有些研究则假定试样表面温度恒定，提出了一个控制 熔池温度变化的数学模型。 然而，尽管激光熔覆技术在近几年取得令人瞩目的成绩，某些技术已进入实 际工业应用阶段，但是目前激光表面熔覆技术的推广应用并未达到人们所期望的 效果，目前的主要原因是激光熔覆过程中常常出现的裂纹等问题，很多基础理论 和应用技术，有待于材料科学工作者更进步深入研究，特别是熔覆理论模型上， 虽然很多人在熔覆或合金化理论模型上做了大量的研究，但这些模型都是在特定 的实验环境进行的，理论基础仍处于低级水平，尚未具备广泛使用性，一旦实验 条件或环境发生变化，可能理论与实际相距很远。 1 3 4 激光熔覆工艺方法 根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种：合金同步法和合金前置 法。合金同步法( 一步法) 是指采用专门的送料系统在激光熔覆的过程中将合金材 料直接送进激光作用区，在激光的作用下基材和合金材料同时熔化，然后冷却结 晶形成合金熔覆层，这种方法的优点是工艺过程简单，合金材料利用率高，可控 性好，甚至可以直接成形复杂三维形状的部件，容易实现自动化，国内外实际生 7 第一章绪论 产中采用较多，是熔覆技术的首选方法。同步法按供材料的不同分为同步送粉法、 同步丝材法和同步板材法等。合金前置法( 预置法) 是指将待熔覆的合金材料以一 定方法预先覆盖在材料表面，然后采用激光束在合金覆盖层表面扫描，使整个合 金覆盖层及一部分基材熔化，激光束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。其方式有以下两种。合金同步法的激光熔覆工艺流程 为：基材熔覆表面热处理送料激光熔化后热处理。合金前置法的激光熔 覆工艺流程为：基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预热激光熔化一 一后热处理。 1 3 5 激光熔覆技术在工业中的应用 激光熔覆技术经过半个世纪的发展，已完全从实验室进入到实际工业应用， 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、模具行业、石油行业和机械动力行业也应用广泛。 1 模具行业 模具的使用寿命决定了许多设备的生产率和产品成本。研究表明，激光熔覆 处理可以改善模具钢的表面硬度、耐磨性、高温硬度、抗热疲劳等性能，从而不 同程度上提高了模具的使用寿命m j 。 2 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，磨损 实验表明，激光熔覆s t e l l i t e 合金涂层的耐磨性能比基体材料提高5 倍。在s t e l l i t e 合金中加入1 0 的s i c 后，其耐磨性能比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 铁素体不锈钢涂层的耐蚀性能，实验表明，涂层具有 极好的钝化性能和抗点蚀性能。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 e 合金激 光熔覆，取得了很好的效果。现在国内许多公司也开发了类似的激光熔覆工艺并 已经用于工业生产。 3 航空航天工业 ， 航空航天工业是最先吸取激光熔覆的优点用于生产的部门，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 1 1 飞机发动机高压叶片上。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 快速横流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 8 第一章绪论 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4 m i n 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。 4 石油行业 石油现场的工矿条件比较恶劣，许多金属零部件长期工作在承受重载荷并伴 有腐蚀、摩擦和磨损的场合，致使它们过早地发生失效破坏而缩短其使用寿命。 停产检修和更换新部件，既增加材料成本、又影响油田生产，带来多方面的损失。 各种常规表面处理技术，如涂料涂层、电镀、化学镀、电刷镀、热喷涂等，它们 所产生的处理层与金属基体大多为机械式结合，结合力较差，不能胜任摩擦、磨 损条件较为苛刻的场合。并且油田现场许多金属零部件摩擦副的磨损间隙处在近 毫米的量级上，而常规表面技术的处理层较薄，很难对易损件进行表面修复，使 这些技术的应用范围受到限制。近年来，国内油田在钻采机械方面也开展了激光 熔覆的应用研究，并取得了较好的效果。 5 热能动力工业 在热能动力工业中，激光熔覆可以用于汽轮机叶片的抗气蚀和表面抗高温腐 蚀疲劳，电站的锅炉的阀门密封面的抗高温腐蚀介质冲蚀、磨损表面强化等，还 能代替手工堆焊或喷焊来提高生产效率，降低材料耗量，进一步提高使用性能。 1 3 6 激光熔覆技术的发展趋势 近年来，激光熔覆技术已有很大的进展，某些方面已进入实际工业应用阶段， 但是由于该技术发展时间较短，还存在许多困难，当前还处在实验研究阶段，在 以下几个方面尚需做大量细致的工作。 在激光理论方面，从早期仿焊接热加工中的温度场分析，到考虑激光加工特 点和光特性的温度场计算，结合熔池的传热传质等因素，同时利用对温度场检测 数据，进一步改进模型，使熔覆过程中的温度场计算更准确。 熔覆基体材料从钢铁材料向c u 、a l 、t i 、m g 及n i 、c o 等合金材料发展， 激光熔覆的可应用范围越来越广。 激光熔覆材料从用热喷涂材料向自主开发的激光专用材料方向发展。在原 f e 基、n i 基、c o 基材料的基础上，c u 基及非金属等激光熔覆材料也有相关报道。 利用激光熔覆技术形成表面非晶体，用陶瓷材料改善熔覆层的性能也成为此项技 术的主流。材料工业的发展给熔覆材料提供了更多的选择，纳米材料的加入也提 高了熔覆层性能。 随着激光熔覆用加工设备的发展，激光熔覆工艺向多样化和精确可控方向发 9 第一章绪论 展。激光器由c 0 2 横流多模激光器到n d ：y a g 固体激光器、半导体激光器等均获 得应用。熔覆过程中单项送份量控制、通过熔池温度控制激光功率等多项工艺控 制技术的发展，提高了熔覆过程的稳定性和可控性。 随着科学技术的不断发展和研究工作的不断深入，激光熔覆技术在工业中的 实际应用范围越来越广，在模具、航空、核能、石化、电力和汽车等行业均有相 关激光熔覆技术实际应用的报道。激光熔覆已成为继热喷涂等表面加工技术后另 一项广泛应用于零件表面修复、强化的零件表面处理技术。 1 4 论文研究的主要内容及思路 论文采用3 k w 的c 0 2 激光器对c r l 2 模具钢进行激光熔覆，熔覆的材料分 别是p h n i 6 0 a 、p h n i 2 5 w c 6 0 a 和s t e l l i t e 6 合金。研究中针对模具工作零件服 役过程中磨损、崩刃等失效的情况，研究激光熔覆层与基体的结合情况，并通过 不同的激光参数对不同涂层表面进行单道和多道连续搭接激光熔覆实验，分别研 究了三种涂层材料激光熔覆后表层显微硬度的变化趋势及其原因、熔覆层抗磨损 性能提高的幅度以及显微组织变化的情况。 论文研究的主要内容是： 1 研究c r l 2 模具钢激光熔覆中合金对熔覆层界面的影响。 2 研究c r l 2 模具钢激光熔覆同一种合金和不同合金条件下熔覆层的硬度 分布情况。 3 比较c r l 2 模具钢激光熔覆不同合金表面的耐磨损性能。 4 分析c r l 2 模具钢激光熔覆层的组织结构。 5 分析c r l 2 模具钢激光熔覆过程中裂纹产生的原因及对策。 论文研究的主要思路与步骤是： 1 选择熔覆材料粉末与基体材料的预处理。 2 将表面均匀铺好熔覆材料粉末的试件放置于激光器的工作台上，准备进行 激光熔覆。 3 选择合适的激光参数进行激光熔覆。 4 改变激光参数如激光功率、扫描速度等参数后进行激光熔覆。 5 对试件进行磨削、线切割等加工。 6 对试样进行金相实验、显微硬度测试、耐磨性实验、扫描电镜实验、x 射 线衍射实验等。 7 对实验结果进行分析，得出熔覆层组织的结构、硬度、耐磨性等变化的情 况。 1 0 第二章激光熔覆理论基础 2 1 引言 第二章激光熔覆理论基础 激光熔覆是利用高密度的激光束所产生的快速凝固过程，在表面形成与基体 之间相互熔合，且具有完全不同的成分与性能的合金层。与焊接过程一样，也存 在熔池的对流现象，因此有必要分析对流模型及其影响因素。 2 2 激光熔池中的对流模型 在强激光作用下，金属表面熔池内金属熔体的对流运动的熔体运动模型，可借 助于焊接物理学的研究成果。 通常金属熔体的表面张力可表示为： 8 = s ( r ，置) i = 1 ，2 ，3 ， = 玩- s t ( 2 1 ) 公式( 2 1 ) 中，r 为金属熔体的温度( ) ；置为其熔体的i 组分浓度( w t ) ； 磊是金属材料的表面焓；s 为其表面熵；艿是熔体的表面张力。显然，d s i d t = 一s ， 由于表面嫡值恒大于零，所以表面张力的温度系数d s i d t 恒小于零；也就是说， 对金属熔体系统而言，其表面温度越高，相应地其表面张力值越小。 在激光熔覆过程中，激光光斑中心附近熔体的表面温度最高；而偏离熔池中 心区域越远，其熔体的表面温度越低。相应地，表面张力在熔池表面上的分布规 律为：熔池中心附近的熔体的表面张力最低；相反，熔池边缘附近的表面张力最 高。 在激光熔覆时，其熔池深度主要应控制在涂覆层深度范围内。有些研究者利 用莰烯三环烯( c a m p h e n e t r i c y c l e n e ) 合金的透明性，可以直接观察到激光熔池 中的对流过程和表面波纹的形成过程。说明在激光熔覆或合金化过程中，合金熔 池内确实存在对流传质。 应当指出，上述对流模型主要适用于10 4 1o s w c m 2 激光有效功率密度的条 件。当激光的有效功率密度在1 0 6 w c m 2 以上时，将产生等离子体效应。在这种情 况下，等离子体也将对合金熔池产生附加作用，进而影响合金熔池内的熔体对流。 第二章激光熔覆理论基础 因此对流模型更加复杂。另一方面，上述对流模型尚未考虑在激光熔覆的辅助气 流对合金熔池表面的作用。 2 3 影响熔池对流因素 在、徼光烙覆过程中，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1 4 5 】： 连续方程：罢+ 宴+ 娑：0 ( 2 - 2 ) “= ：u i + v j + w k 运动方程：孚+ ( “坐+ v o u + w 丝) 国、苏西瑟7 1f 扔a 2 a 2 ，a 2 ， 一万素4 - v 丽+ 矿+ 矽 瓦+ 【“磊+ v 瓦+ w 瓦) ( 2 - 3 ) i 面a 2 va 2 1 ，矿1 ， 石亩 象+ 矿+ 矿) 百0w+(豢+v豢+w娑)(2-4)u一+ l 一+ v 一+ w 一) 8 t、a x a v8 z 。 ：一三睾+v謦+窑+窘)(2-5)p0 3 , = 一一二+ - + + ，) a z、宅亡 1 右z _ 能量方程：_ o t + 娶+ v 罢+ w 马 o t 魄咖o z = k 謦+ 害+ 争 ， 在熔池表面，其边界条件为 y = 0 o u a ta 6 a va x8 t o wa ta 6 i 如a zo t ( 2 7 ) ( 2 8 ) 上述方程式中各符号的意义如下；u 为流速矢量；u 、v 、w 分别为“矢量在x 、 y 、z 方向上的分量；i 、j 、k 分别为笛卡尔坐标系中x 、y 、z 轴上的单位矢量； p 为熔体的密度；p 为压力；1 ，为运动学粘度；s 为粘度；足为热扩散系数；o a o r 1 2 第二章激光熔覆理论基础 为表面张力的温度系数。 显而易见，熔体的温度梯度( a r a x ，a r a y ，a t o z ) 、表面张力的温度系数 o 万c 3 t 、材料的粘度( v 、t z ) 及其密度p 都将不同程度地影响合金熔体的能量传递 及其传质特征。因此，影响合金熔体对流的因素可以分成两大类：一类是工艺性 的，例如激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能量分布的均匀性等。由于它们 的综合作用，决定了熔体的温度梯度，特别是熔池表面的温度梯度，进而影响熔 池中熔体对流。另一类是材质性的，例如合金组分、浓度、粘度、密度、热物性 参数等由于它们的变化，影响熔池中的传热和传质，进而影响熔池中的熔体运动。 。 上述连续方程、能量方程、运动方程和特定条件下的边界条件的联立解，可 以定量地描述出在激光作用的某时刻，合金熔池内的熔体对流状态。但这种联立 解较复杂，尤其是边界条件很难准确测定，因此一般多采用近似法进行求解。 2 4 影响表面合金成分均匀性的因素 从公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可知，熔体的粘度对对流运动的表面流速场产生影响，同 时还将影响其内部的流速场，见公式( 2 。2 ) - - - ( 2 5 ) 。在激光熔覆合金化时，不可避 免地存在熔体表面粘度变化的问题。 假定在纯铁基上溶入各种合金元素，当合金元素溶入熔体时，其粘度要发生 变化。w 、m o 、c r 、n b 、t i 等能使熔体的粘度增大，从而使熔体运动的内摩擦 阻力增大，即熔体的流动性变差。这可能导致熔池内的物质对流不充分和不均匀， 以及熔体的对流扩散的流速场分布特征改变，最终使表面合金的成分不均匀的可 能性增大。反之，n i 、m n 、c o 、s i 、a 1 等能使熔体的粘度下降，熔液的对流性 变好，这有利于表面合金的成分趋于一致，考虑到激光制备表面合金时，合金元 素的含量较高，所以，在激光表面熔覆时，合金元素对其粘度的影响较大，它必 然对激光制备的表面合金的成分均匀与否产生一定作用。 合金元素加入熔体后将显著地改变熔液表面的表面张力值。碳原子和合金元 素加入熔体后，对纯铁熔体表面张力有明显的影响。 表面张力的变化意味着表面张力梯度的改变，即物质扩散流的驱动力发生改 变。它将直接影响激光合金化过程中的对流循环特征，从而影响表面合金的成分 均匀性。 在激光熔覆过程中，某些表面活性元素如s ，o 等，在其工艺控制不严的情况 下，也可能进入合金熔池内。这些表面活性元素进入合金熔池表面后，将大大改 变熔体的表面张力，其结果是改变合金熔体的对流特征。因此，激光熔覆过程中 应当采取严格的防污染措施。研究采用流量可调的氩气作为保护气体。 第二章激光熔覆理论基础 另一方面，合金元素加入熔体后，将改变合金熔体的熔化温度乙，从而导致 合金熔池表面的温度差a t = z t m 发生变化。乃为熔池表面上任一点的实际温 度。 因为8 = 8 0 - s t 所以 等一一喀 ( 2 9 ) 恒压条件下： t d s = c p d t 则 等= 哪一印 ，( 2 - 1 0 ) 变换上式，有 d 6，a t = 一( s + c p ) _ ax以x 用一级近似处理，则有下式成立： d 万 ，、r 面一p + 币) 石 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 显然，温度梯度的变化意味着表面张力梯度的变化。对于铁基熔体，在一定 成分范围内，合金元素的加入均使熔体的熔点下降。熔点下降，则丁上升。由 于嫡值恒大于零，所以从上式可知其表面张力梯度发生相应变化。 合金熔体对流迁移的另一个驱动力是静压力差。静压力差的表达式可近似为 卸= p g a h ( 2 1 3 ) 式中，p 为静压力差；g 为重力加速度；j z 为熔体的相对高度差。 由于合金熔体的成分在微观上是有差异的，特别是在熔化初始阶段，这将导 致其密度上的差异。对处于同一水平面的合金熔池的某一层熔体的不同区域而言， 其幽和p 均存在差异，则卸存在差异，保罗在对激光焊接中的传热进行研究中 发现1 4 6 i ，当假定熔池表面为“自由状态 时，在熔池内各处的压力是不相同的， 也就是存在一个静压力差，在这个静压力差的作用下，将导致合金元素在对流过 程中存在微观分布的差异。 有研究表明，在合金熔池的横截面内，其对流扩散的驱动力是变化的。在熔 池表面，其对流驱动力很大。随与熔池表面距离的增加，其驱动力逐渐下降。在 距表面一定深度处，其驱动力为零。当其距离再增加时，对流驱动力反向，又从 小变大，再由大到小。至固液界面处时，驱动力又成为零值。因此，在合金 熔池