（机械工程专业论文）纳米激光合金化表面强化螺杆的研究.pdf

浙江工业大学工程硕士论文 纳米激光合金化表面强化螺杆的研究 摘要 本文从螺杆的磨损失效机理出发，采用高科技的纳米超细合金粉， 在易磨损的螺杆表面构成激光合金化复合涂层，重点研究了激光合金 化材料选择、激光合金化工艺控制、影响激光合金化的主要工艺参数 等对激光合金化质量的影响，通过显微硬度测试、金相显微组织观察 以及磨损对比试验对合金化质量进行定性、定量分析，从而确定出最 佳的激光合金化工艺参数，达到显著提高螺杆表面硬度及耐磨性的目 的。实验结果表明，对螺杆表面进行激光纳米合金化复合处理后，合 金化层与基体形成了牢固的冶金结合，表面平均硬度由原来的h v 4 2 0 提高到h v 7 2 0，螺杆表面的的耐磨性提高了2 2 倍，装机试验结果表 明，经纳米激光强化处理的螺杆使用寿命初步估计至少提高了二倍以 上，经济效益十分明显。除此之外，本文还为机械零件表面强化处理 开拓一种新的应用领域，如对需要抗高温粘着磨损和优良抗腐蚀性能 的机械零件的表面强化处理特别适用，在塑料机械、化工( 石化) 机械、 食品机械和通用机械行业都具有十分良好的推广前景。 关键词：螺杆，磨损失效，纳米激光合金化，耐磨性，金相组织，显微硬度 浙江工业大学工程硕士论文 r e s e a r c ho f l a s e rn a n o a l l o y i n gs u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g y o ns c r e wr o d a b s t r a c t b a s e do nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fs c r e wr o d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e d t h el a s e ra l l o y i n gt e c h n o l o g yo ns u r f a c eo fs c r e wr o dt oe n h a n c ei t s w e a r - r e s i s t a n c e w i t ht h eh i g h t e c hn a n o - p o w d e r , ac o m p o s i t ec o a t i n gw a s p r o d u c e do n t h es u r f a c eo fs c r e wr o dw h i c hw a sp r o n et ow e a r i n g t h r o u g h t h em i c r o h a r d n e s st e s t ，m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v i n ga n da b r a s i o nc o n t r a s tt e s t ， t h el a s e ra l l o y i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f i r mm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw a sf o r m e db e t w e e nt h ea l l o yl a y e ra n dm a t r i x a f t e rl a s e ra l l o y i n gt r e a t m e n t t h ea v e r a g em i c r o h a r d n e s sw a si n c r e a s e d f r o mh v 4 2 0t oh v 7 2 0 ，a n dt h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h es u r f a c eo fs c r e wr o d w a si n c r e a s e db y2 2t i m e s t h ei n s t a l l a t i o nt e s ts h o w e dt h a tt h es p a nl i f e o fs c r e wr o da f t e rl a s e ra l l o y i n gt r e a t m e n tw a sp r o l o n g e dm o r et h a n2t i m e s ， w h i c ha t t a i n e dt h ee n o r m o u se c o n o m i cp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r h a se x p l o i t e dan e wa p p l i c a t i o nf i e l df o rs u r f a c et r e a t m e n to nm e c h a n i c a l p a r t s l a s e ra l l o y i n gt e c h n o l o g yi se s p e c i a l l ya d a p t t os u r f a c et r e a t m e n to n p a r t sw h i c ha r ep r o n et oh i g ht e m p e r a t u r ea d h e s i o na b r a s i o na n de r o s i o n a n dh a sa l le x t e n s i v ea p p l i c a t i o ne x p e c t a t i o ni nm o r ef i e l d ss u c ha sp l a s t i c s m a c h i n e r y , c h e m i c a lm a c h i n e r ya n df o o dm a c h i n e r y i i 浙江工业大学工程硕士论文 k e y w o r d s ：s c r e wr o d ，l a s e rn a n o a l l o y i n g ，w e a r - r e s i s t a n c 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 s i i i 浙江工业大学工程硕士论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1绪论。1 1 1 课题研究的概况及意义1 1 2 激光合金化技术现状与发展3 1 2 1 激光合金化技术的内涵和特点3 1 2 2 激光合金化方法和装置一6 1 2 3 常用激光合金化材料10 1 2 4 激光合金化层的性能及应用1 3 1 2 5 激光合金化的工艺途径及工艺控制- 1 4 1 3 激光合金化技术的发展趋势与存在的问题1 6 1 4 本课题研究内容17 2 试验材料、方法及装置1 9 2 1 试验材料1 9 2 1 1 基体材料的选用1 9 2 1 2 合金化材料的选用1 9 2 2 试验方法与试验装置2 0 2 2 1 预处理2 0 2 2 2 激光合金化2 l 2 3 激光合金化组织结构分析2 2 2 4 激光合金化层的性能试验2 4 i v 浙江工业大学工程硕士论文 2 4 1 合金化层显微硬度分析一2 4 2 4 2 合金化层耐磨损试验2 5 2 4 3 激光合金化层强化机理探讨2 7 3 激光合金化工艺对组织性能的影响。2 9 3 1 影响激光合金化组织性能的主要工艺参数2 9 3 1 1 激光能量密度2 9 3 1 2 激光扫描速度一3 0 3 1 3 搭接率一3 0 3 1 4 预涂合金层厚度3 3 4 装机与跟踪3 4 5 结论与建议3 6 5 1 主要结论3 6 5 2 建议3 6 1 l i ! i 【谢3 7 参考文献3 8 附录攻读硕士研究生阶段发表的论文。4 0 v 浙江工业大学工程硕士论文 1 1 课题研究的概况及意义 1 绪论 螺杆是注塑机和挤出机的关键零件，被称为注塑机和挤机的“心脏”。近几年 来随着塑料原料工业快速发展，各种增强改性的工程塑料原料不断推出，传统的 螺杆已不能适应加工这些增强改性原料的需求，集中表面在：螺杆工作表面抗高 温粘着磨损和抗腐蚀性能低下，导致螺杆工作表面快速磨损失效，失去输送能力、 最终使塑机使用寿命大大缩短。为此许多塑机设备制造商采用多种方式，对螺杆 工作表面进行强化处理，力图来提升螺杆的耐用度，但都收效甚微。常规的表面 强化处理，由于存在各种缺陷，如热渗镀中的渗碳对材料选择较窄，耐磨性不够； 氮化处理的氮化层太簿；镀铬、热喷涂、堆焊、硬化层耐磨性虽好，但与基体结 合度较低，耐磨层易脱落，都不能满足客户要求。客户迫切希望塑机制造商能开 发一种性价比高的具有抗高温粘着磨损和优良抗腐蚀性能的表面强化螺杆，以满 足客户增强改性塑料原料的需求。 浙江申达塑料机械有限公司是浙江省最大的注塑机生产企业，生产注塑机已 有几十年历史注塑机的使用状况看，螺杆的磨损失效是最常见的故障之一。图1 1 是塑料在螺杆挤出单元中的挤出过程简图。 ! 一! 卫器强1 2 e 器皇x ：= 翻2 2 ：= 器墨z ：z e 嚣皇3 z = 器皇：0 z ：潮 e 2 瞎甄紧瓣聚卜 钲：盈器冀墨：z r 器冀3 z 磁= 强z z z e 盟翌士：盈= 器奠：z z e 盟黝譬罂 暑 一一i i e 3 一 1 一 2 一一 4 一 图i 1塑料挤出过程简图 l 、熔体输送区2 、熔融区3 、迟滞区4 、固体输送区5 、冷却料斗区 浙江工业大学工程硕士论文 固体物料从料斗加入，在旋转着的螺杆的作用下，通过机筒内壁和螺杆表面 的磨擦作用，向前输送哈和压实。在开始的阶段物料呈固态向前输送，由于机筒 外有加热圈，热量通过机筒传导给物料；与此同时，物料在前进运动中，生成磨 擦热，使物料沿料筒向前的温度逐渐升高，致使高分子物料从颗粒或粉状的固体 转变成熔融的流体状态，熔融的物料被连续不断地输送到螺杆前方，通过过滤网、 分流板而进入机头成型，从而使高聚物熔体具有一定形状；再通过定型、冷却、 牵引等辅机作用，就成为一定形状的塑料制品。 从物料通过螺杆的挤出过程来分析，由于螺杆旋转，使得物料与螺杆、机筒 表面的相对运动而形成的磨擦作用，强行将物料向前输送：又由于实际挤出机螺 杆结构尺寸的特点( 螺槽体积从加料斗处的较大体积逐渐变小，到机筒出口处， 螺槽体积最小) ，使物料从一个大容积的空间走向小容积的空间：再由于在螺杆前 端安装有过滤网和分流板等阻力元件，以上三种因素，造成了沿螺杆长度方向上 物料的压力上升。这种压力的增加，对固体燃料来说，可以使从加料斗加入的松 散物料逐渐压实，致使粘附于固体表面的气体沿料斗排出。固体料压实后，能改 善机简给予物料的热量在物料内部的热传导，也有利于加速固体物料的熔融。当 物料从螺杆进入口模成型时，由于物料本身的压力存在，使挤出的制品密实并对 制品的表面形状和光洁度均有益处。当物料烟螺杆前进时，由于机筒的加热，压 实后的固体吸收外界的热量，在前进时，物料与机筒、螺杆表面的磨擦产生磨擦 热，使靠近机筒的一层物料首先熔融，以后，熔体与机简表面及熔体层之间的剪 切磨擦作用，亦能转化为热量，使机筒内的物料进一步熔融，在到达口模之前的 一段路程中，物料已全部完成了由固体状态向粘流状态的熔体转变，具备了成型 前物理状态的要求。当熔融的物料继续沿螺杆前进时，熔融流体不仅具有顺着螺 槽方向的正流流速，而且在垂直于螺槽的方向上有横流流动，因而形成了螺槽内 环流和转角处的涡流，促使物料在熔融后得到充分的搅拌和混合p 引。 从以上分析来看，物料通过螺杆的挤出包括输送、熔融和混合的复杂过程， 这个能否得以圆满完成，挤压系统的螺杆结构及强度起着关键的作用。一般螺杆 在挤出机中要完成三个基本职能，即：固体输送、熔融和熔体输送。因而普通的 挤出机螺杆都可分为三个不同结构的区段： l 、加料段，进行高分子物料的固体输送： 2 、压缩段，压缩物料，并使物料熔融； 2 浙江工业大学工程硕士论文 3 、计量段，对熔融物料进行搅拌和混合，并定量定压地将熔体向口模输送。 物料在挤出过程中，根据它的运动和状态变化情况，也可分为三个区域： l 、固体输送区，物料温度较低，故呈固体状态，物料逐渐被压实，并向前输 送： 2 、熔融区，料温达到熔融温度，逐渐熔融变成粘流流体； 3 、熔体输送区，已熔融的流体沿螺杆进行搅拌和混合，同时定量定压输送。 不言而喻，螺杆结构上的三个区段与输送过程中物料运动及状态变化三个区 域互相关联，并且尽量吻合。 由此可见，螺杆结构上由于各部分作用不同，要求其强度及耐磨性也有所区 别。从以上分析过程来看，螺杆的计量段要求最高，压缩段次之，加料段要求相 对好些。从螺杆的磨损情况来看，其失效也是以计量段为主，9 0 的螺杆失效均发 生在计量段。因此，对螺杆的表面强化也以螺杆的计量段为重点。 本课题就是通过采用高科技的纳米材料，加上应用激光合金化技术使高性能 的纳米材料熔入基体表层，形成冶金结合的纳米合金化表面，以满足螺杆强化的 要求。 本课题开发成功不仅提升了塑机行业的主导产品注塑机、挤出机和中空成型 机的技术含量和产品利润空间，而且还给塑料制品行业提供了用高新技术改造传 统工程塑料装备，以满足该行业开发电子、信息、汽车包装等行业日益需求高性 能材料的工程零件。经济效益和社会效益十分显著。 除此之外，本项目开发成功，又为机械零件表面强化处理开拓一种新的应用 领域，对需要抗高温粘着磨损和优良抗腐蚀肿1 2 1 = 厶匕b r - , 的机械零件的表面强化处理特别 适用，在塑料机械、化工( 石化) 机械、食品机械和通用机械行业都具有十分良好的 推广前景。 1 2 激光合金化技术现状与发展 1 2 1 激光合金化技术的内涵和特点 1 9 6 0 年梅曼( t m a i m a n ) 在量子与电子学发展的成果基础上发明了第一台红宝 石激光器以来，人们对激光的特性进行了研究，并论证了激光的应用前景。在 浙江工业大学工程硕士论文 1 9 6 4 , - - - 1 9 6 5 年相继发明了c 0 2 激光器、y a g 激光器后，才进一步证实了激光加工 材料的可行性，这是因为这两种激光器可以产生较高的平均功率和峰值功率。经 过物理学家对激光的特性和激光与物质相互作用的机理的研究，激光技术的应用 领域才不断明确和具体化，已在工业、农业、国防、医学、科研等领域得到了广 泛的应用，其中尤以激光技术在材料加工领域中的应用发展最为迅速。 激光加工就是将激光束照射到加工物表面，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。它加工速度快、无噪声。由于光束照射到物 体的表面是局部的，加工部位温度很高，对非照射部位影响甚微，工件材料的热影 响区很小，使工件基本无变形，工具无损耗。由于光束的能量和光束的移动速度 都是可以调节的，故它可以实现各种微细精密加工，这是一般机械加工所不具备 的。激光的使用，使一些工业部门迅速地改变了许多传统的工艺面貌，形成了一 门新兴的加工产业。激光热加工的热源是高辐射强度的激光束。激光束经过光学 系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为1 0 4 - 1 0 w c m ，加工工件置于激光焦 点附近进行加热。所以，激光热加工过程实际上就是高强度的激光束与金属表面 相互作用的过程【1 2 13 1 。 从激光工业加工的发展史看，激光首先用于打孔、焊接和切割，直到7 0 年代 初出现了大功率的激光器后，才为激光热处理技术的发展和应用提供了重要的物 质基础。到1 9 7 4 年，美国率先将激光表面热处理技术转入生产应用，开创了激光 应用的新阶段【l 引。 激光热处理就是以激光作为热源进行的材料表面热处理，也就是用激光束扫 描工件表面，其红外能量被工件吸收而迅速达到极高的温度，使金属表层发生相 变或熔化，或覆盖甚至溶入其它的金属、非金属元素，随后快速冷却下来，达到 工件表面改性的目的。激光热处理可分为：激光表面硬化、激光表面熔覆、激光 表面合金化、激光冲击硬化、激光上釉掣1 5 j 。 激光热处理与常规热处理相比，具有下列一些特点： ( 1 ) 加热和冷却速度特别快，具有自淬火作用。激光的功率密度能达到 1 0 6 w c m 之以上，能在百分之几秒到千分之几秒或者更短的时间内，使零件表面 附近加热处的温度上升到1 0 0 0 c 以上。当激光束很快扫描金属表面时，激光束照 射的金属表面因吸收光能而被加热或熔化。由于加热区温度上升极快，其热量来 不及传导到加热区周围冷的金属上，致使周围冷的基体金属起到了超强冷却介质 4 浙江工业大学工程硕士论文 的作用，从而获得淬火效果。所以它不需要其他冷却介质，无污染问题。 ( 2 ) 可进行局部及有选择性的表面处理。由于激光的可控性特别好，故激光 可以精确地按照任何复杂的几何图形局部地、有选择性地对金属表面进行热处理， 且处理深度和处理面积精密可控。为了使廉价的材料获得特殊的性能( 耐磨、耐 蚀等) ，可在这些要求零件具有特殊性能的部位进行激光合金化或熔覆处理。若用 其它热处理方法就难以达到目的，往往要进行整体处理，既浪费了能源，又增加 了成本。采用激光合金化工艺可以获得高的使用性能，降低生产成本。 ( 3 ) 具有良好的可达性和工艺灵活性。激光热处理是一种无触点加工的方法， 借助于适宜偏转的反射镜，可使激光束指向工件的任何位置。原则上，只要是光 束可以达到的地方，特别是内表面的局部，都可以进行处理，如盲孔的内壁或底 部、零件的拐角、复杂的沟槽、深孔或齿轮牙等，这是感应或火焰等常规处理方 法难以实现的。 ( 4 ) 变形小。激光热处理的工件变形小，处理后能保持工件原有的表面粗糙 度( 激光表面相变硬化) ，省去了处理后因变形而需要的校正或精加工工序，直接 进行装配。这是由于激光加热集中在工件表面，且加热区域小，时间短，热注入 量少，因此无大量余热扩散，所以应力及变形小，工件表面氧化及脱碳也很少。 这一特点具有很高的经济性。 ( 5 ) 适于自动化生产。多工位、多自由度的激光加工系统在生产应用上是用 计算机控制的。在国外己实现高效率高精度的生产，国内也开始将微机用于激光 加工。激光的通用性好，一台激光器既可以作热处理用，也可以作焊接、切割用。 由于激光可以用反射镜进行远距离传输，故激光器不一定靠近工件，适合于自动 化生产。 当前，激光表面合金化已经是激光表面热处理中的一个重要组成部分，是当 代材料表面改性中一种崭新的技术。 激光表面合金化是在高能量激光束的照射下，使基体材料表面一薄层与根据 需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为1 0 “m 1 0 0 0 p m 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 c 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， 使材料表面仅在很短时间( 5 0 s 2 m s ) 内就形成了具有要求深度和化学成分的表面 合金化层【1 6 17 1 。 5 浙江工业大学工程硕士论文 利用激光表面合金化工艺可在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制 出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材 料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。另外，它 还可用来制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，例如，国外采用 激光表面合金化工艺研制超导合金m o n ，m o c 和v 3 s i ，制造表面金属玻璃 f e c r c b n i n b 等。激光合金化的研究可以追溯到1 9 6 4 年，f e c u m n i n g h a m 首先 采用红宝石激光器开发了激光合金化技术，从此，伴随激光器件的性能完善和大 功率激光器的开发，激光表面合金化技术得到了迅速发展，尤其是8 0 年代以来， 欧美各国对激光表面合金化技术寄予了很大的期望，投入了大量的人力、物力和 财力，进行了较为广泛的研究。在我国，近几年来激光表面合金化的研究工作也 十分活跃。为了这项技术的全面发展，人们在基体金属材料的选择和合盒化元素 的配比方面已进行了大量深入而广泛的研究。基材不仅涉及到碳钢、合金钢、高 速钢、不锈钢、模具钢和铸铁等钢铁材料，而且还涉及到a l 、t i 、n i 、c u 、m g 及其合金等有色金属材料，以及它们的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等【1 8 1 9 】。 1 2 2 激光合金化方法和装置 激光合金化方法与装置不仅决定着合金层质量的高低，合金层与机体界面的 结合强度，而且还决定着激光合金技术能否实现工业化应用。因此激光合金化方 法与装置研究就有特殊意义。 一、激光合金化方法 激光合金化方法主要分为两种：一步法和两步法，即预置粉末法和同步送粉 法。预置粉末法是将合金材料合金化前将沉积在机体材料的表面上，如图1 - 2 所 示，对于较薄的合金层( 小于0 5 m m ) ，预沉积方式一般为真空蒸发、离子注入法 或溅涂法。对于较厚的合金曾，可以采用电镀法、喷涂法或人工刷涂法。目前， 较广泛采用的是机械或人工刷涂法，这种方法主要采用各种粘合剂在常温下将合 金粉末调成膏状或糊状，覆在待处理金属烘干后进行激光合金化。常用的粘合剂 有清漆、硅酸盐胶、水玻璃等，其特点是这种沉积层导热性不佳，需消耗更多的 激光能量，同时由于黏合剂的气化和分解也易对合金造成气孔和污染等缺陷。同 步送粉法是将粉末由送粉器经送粉器送入激光辐照区，粉末先经过光束加热再落 6 浙江工业大学工程硕士论文 奢金 图l - 2 预置法激光合金技术 示意图 ( a ) 0 ： 图1 3 激光合金化送粉方式简图 ( a ) 正向送入法；( b ) 逆向进入法 入熔池。送分方式分两种，如图i - 3 所示，一种正向送粉，即工件运动方向与合 金粉末气流的运动方向夹角小于9 0 。；另外一种是逆向送粉，即工件与合金粉末 气流的运动方向夹角大于9 0 。【1 6 2 5 1 。 一般来说，逆向送粉法的粉末利用率高于正向送粉法。同步送粉法合金化是 目前使用较多的激光合金化技术，它可大大提高合金质量，降低合金层的稀释率 和基材的影响。与预置粉末法相比，所需激光能量可降低一倍以上，还易于实现 自动控制，缺点是合金粉末利用率低，必须配以复杂的装置。另外，合金粉末的 飞扬对工作环境也造成污染。 ( 1 ) 二步法( 预置法) 该法是在激光合金化处理前，先将合金材料置于工作表面，然后采用激光将 其熔化j 冷凝后形成合金层。激光加热合金材料时，首先在表层形成熔化区，由 于粉末导热率低，熔池在接近基体前几乎不向基体传递能量。当熔化前沿到达覆 层基体界面时，热传导增加，随之产生的熔池因能量向基体迅速传导而很快凝固。 浙江工业大学工程硕士论文 预置合金材料的方式包括：( 1 ) 预置涂敷层：通常应用手工涂敷，最为经济、方 便、它是用粘结剂将合金用粉末调成糊状置于工件表面，干枣后再进行激光合金 化。但是此法生产率低，合金厚度不一致，不宜用于批量生产。( 2 ) 预置片：将 合金材料的粉末加入少量的粘结剂模压成片，置于工件的表面再进行激光处理。 此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此 法处理能获得高质量涂层【1 8 2 5 1 。 ( 2 ) 一步法( 同步法) 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送合金材料的工艺，它有两种方 法。 1 ) 同步送粉法：使用专用喷送粉装置将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末 送入量和激光扫描速度即可调整合金层的厚度，如图卜4 所示。由于松散的粉米 对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的合金层，容易实现自动 化，国内外实际生产中采用较多。粉末粒子在激光束中的分布状态、运动时间和 激光束的位相关系，对合金材料和基体材料的加热过程产生巨大的影响。同步送 粉激光合金最显著的特征是激光束和合金材料、基体在动态下同时相互作用，同 时加热，两者的加热温度相当，程度可控。这是同步送粉激光合金区别于预置法 的显著特征。在送粉激光合金过程中，可通过调节粉末流速、粉末喷嘴与激光束 聚焦点相对基体表面的距春等参数，实现与其它工艺参数的良好匹配，获得界面 为冶金结合的合金层。同步送粉法具有工艺参数可控、激光能量吸收率高、稀释 率可控：覆层材料范围广和利用率高、可按覆层最终使用性能设计合金材料的成 分和组织结构，基准材料适用范围宽、过程易于实现自动化控制，环境污染小等 优点。 图l - 4同步法激光合金技术示意图 浙江工业大学工程硕士论文 2 ) 同步送丝法：此法工艺原理与同步送粉法相同，但合金材料是预先加工成 丝或使用填充丝材。此法便利且材料利用率高，不会因为粉末比重或粒度大小影 响合金层质量，且通过对丝材进行预热可提高合金速率。但丝材表面光滑，对激 光反射较强，激光利用率相对较低且丝材制造过程复杂品种规格少【1 2 2 5 1 。 二、激光合金化装置 激光合金化实验中最基本的装置是高功率激光器、定位系统和供料设备。国 内针对不同处理对象分别设计出矩形积分反射镜、点状振动扫描反射镜和透射式 导光系统。对于覆层材料预置设备，国内外都进行了积极的研究，并取得了一些 成果。g r u n e w a l d 等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 个处理过程供给速度恒定。由于其高度集成和重量轻，整个供给装置可安装在激 光工作头上。另外，如果设计合理，还可采用侧向送粉法，其优点是可采用的工 艺参数范围大、廉价、坚固、容易建立。缺点是所送出的粉末不是轴向对称，且 不能实现全方位送粉。为了实现全方位送粉，j l i n 和w m s t e e n 设计出一种最 新的喷嘴装置，粉末材料和气体随同激光束一起，同轴射入移动基体形成熔池， 粉末利用率可达4 0 。因为其合金粉末流向与激光走向一致，所以能够适应全方 位的合金要求。国内则研制出一种宽带激光合金送粉器，这种送粉器不采用辅助 气体送粉，主要靠粉末自重并辅以微振动输送粉末，粉末利用率可达9 8 2 t 1 6 7 1 。 随着激光合金化技术的日益成熟，对激光合金化层质量的要求也日趋完美。 国内外首先开展了工艺反馈控制系统的设计，其中p a s e a l 等的研究可作为另外一 个典型实例，他们首先通过热力学分析得到能量平衡方程，然后通过平面极化光 束建立反馈系统，控制试件的表面温度，以达到最佳的合金层质量。国内在这方 面的研究基本上还是空白【3 3 】。 激光合金化适用于局部抗磨损、冲击、剥蚀、氧化腐蚀；局部要求特殊性能 的部件。它主要有以下优点：界面为冶金结合，组织极细，覆层成分、稀释率及 覆层尺寸可控，热变形小，易实现选区合金，工艺过程易实现自动化。它在现代 工业中显示出明显的经济效益，应用范围涉及许多领域，如航空航天工业、汽车 制造工业、石油化工工业等。航空航天工业是首先吸取激光合金的优点，用于生 产部门，它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。目前国内外对排气门堆焊高 温耐热合金，大多采用等离子喷焊技术，但是喷焊层中易产生气孔，废品率较高， 且粉末消耗量大。由于激光合金加热速度快，冷却速度高，工件变形校，加工余 9 浙江工业大学工程硕士论文 量校，并能获得较高的沉积硬化效果、硬度高、耐磨性好，无疏松等缺陷，而且 合金层与基材为冶金结合等，因此深受用户欢迎。 综上所述，激光合金化是八十年代兴起的材料表面改性技术，它可以在低成 本基材上制取高性能表面，代替大量的块状高级合金，节约战略金属元素，降低 能源消耗。同时激光合金化技术为金属材料表面陶瓷化开辟了道路。已成功地应 用于气轮机叶片、发动机排气阀等零件的表面强化和修复中，并取得了良好的效 果，具有广阔的应用前景，是提高材料表面耐磨性的有效途径之一，不同程度上 得到工业应用，成为目前材料科学研究的前沿热点。 1 2 3 常用激光合金化材料 激光合金化可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基体表面，且材料成分亦不受 通常的冶金热力学条件限制，因此，所采用的合金化材料范围相当广泛，包括镍 基、钴基和铁基合金，碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳 化物复合材料的激光合金化较为成熟，并已获得某些实际应用，而陶瓷类材料的 激光合金层的裂纹和剥落等问题尚待深入研究，基本上还处于实验室研究阶段。 根据国内外已出现的各种合金化材料分类列举如下： ( 1 ) 自熔合金粉末 自熔性合金粉末是在铁、钴、镍、铜基合金中加入能形成低熔点共晶体的合 金元素( 主要是硼和硅) ，而形成一系列粉末材料，因具有自我脱氧、造渣性能， 即为自熔性。自熔性合金粉末是早期激光合金化研究最多的一类材料。而近几年 则侧重于对镍基合金化层的显微组织及物相的研究。分析表明，n i 基合金化层组 织由块状c r b 型碳化物，树枝状c r 7 c 3 型碳化物，胞枝状y - n i 固熔以及共晶产物 组成。每一系列的镍基合金还可以与w c 粉末混合。a h i d o u c i 等在n i 基、c o 基上 复合w c ，利用x 射线衍射研究了熔覆层的显微组织和力学性能。y t p e i 等使用 t i n 、s i c 、z r 0 2 作为n i 基合金的增强相来提高覆层的性能。z d a w e i 等以 5 0 吼c r 2 0 2 粒子同n i - c r 合金及n i 基合金混合，制备复合涂层，经分析，加入其 他粒子提高表面强度的主要原因在于一些增强相碳化物或氮化物粒子的存在【l 乱 3 3 】 o ( 2 ) 金属及合金 l o 、：_t弋墨蠹渤li、一文誓孽。拳碜 浙江工业大学工程硕士论文 用金属及合金作为合金化材料生成的金属间化合物覆层来提高基体( 钛合金、 铝合金及低碳钢) 的硬度，耐蚀性耐高温氧化性，也是近几年新兴的方向，生成 的金属间化合物主要有n i a l 、f e a l 、n i t i 等。s h a n g - l i a n gc h e n 等在铝合金a 6 0 6 1 上用震荡光束来合金化a j s i 与s i c 的复合粉末。j 。k e l l y 等在a a 3 3 3 铝合会上合 金化m n - a i 与铜锡合金混合粉末，覆层结构主要是q a 1 ( f c c ) 和正方0 c u a i ， 干滑动摩擦实验表明覆层的耐蚀性与a a 3 3 3 相比提高了3 倍，硬度提高了3 - 4 倍。 因n i t i 金属间化合物具有很高的抗气蚀性，h i t o s h ih i r a g e 等将n i 和t i 粉按不 同比例混合在t i 6 a i 4 v 上用激光熔上一层n i t i 覆层，与t i 6 a i 4 v 相比，耐气 蚀性提高了3 8 0 倍，但n i t i 2 和n i 3 t i 的形成可使抗蚀性降低，与t i 和n i 生产的 其他金属间化合物相比n i t i 具有更高的耐蚀性。a h i d o u c i 等在低碳钢e 2 4 上合 金化m o 和s i ( 1 - 2 ) 混合粉末，生产m o s i 2 覆层，硬度可达1 0 0 0 h v o 2 0 但在低 碳钢e 2 4 上合金化层稀释率高，石墨基体得到的合金化层稀释率低，但有裂纹。 j h a b b o u d 等利用两个独立的送粉器，成功制备了n i a l ，f e a l 梯度合金化涂层， 提出相应在合金化送粉控制方法是保持n i 、f e 粉末流速为常量，调节a l 粉的流 速。周香林n 刀等把金属间化合物基复合材料引入涂层材料，覆层材料为n i 、a l 、 w c 粉末等混制而成，在4 5 # 钢上生成n i 3 a 1 w c 金属间化合物基复合涂层。通过 热循环疲劳实验，合金涂层中残余应力为拉应力，复合覆层中为压应力，压应力 降低沿氧晶界扩散速度，因此，复合覆层呈现出更优良的热疲劳性能1 8 3 3 1 。 ( 3 ) 盒属陶瓷 金属粉末具有优良的抗高温氧化、耐磨、耐蚀等性能，是激光工业应用研究 领域中颇为引人注目的方向之一。陶瓷是金属和非金属组成的晶体化合物，其显 微结构由晶体( 主晶相) 、非晶体( 玻璃相) 、气相( 气孔) 组成。主晶相决定陶 瓷的物理化学性质，玻璃相为低熔点化合物，其作用是填充晶体间隙，粘结主晶 相晶粒，抑制晶粒生长。通过改善工艺性能，可获得致密覆层，在激光合金化研 究中，陶瓷相按材质主要分：1 ) 碳化物陶瓷，以w c 、s i c 、v c 、t i c 等为主：2 ) 氮化物陶瓷，如s i 3 n 4 、b n 、t i n 等：3 ) 氧化物陶瓷，a 1 2 0 3 、y 2 0 3 等：4 ) 硅化 物陶瓷，如m o s i 2 等。在激光合金化中，陶瓷相的增强形态主要为颗粒增强型， 由于覆层材料与基体材料性能差异较大，激光处理过程中影响因素较多，致使覆 层质量不易控制，常出现裂纹、氧化烧损、气孔、稀释、起皱等易造成缺陷。这 些问题也影响了陶瓷粉末覆层材料的激光合金化在工业生产中的推广应用。目前， 浙江工业大学工程硕士论文 采取的解决方法有两种：1 ) 通过加入其他合金元素提高覆层的润湿性、防氧化性； 2 ) 采取过渡层或原位反应生产硬质相沿覆层厚度方向上呈梯度分布的功能梯度材 料。 对激光合金化陶瓷覆层中陶瓷相行为研究的结果表明，陶瓷相的种类，粒度 与数量对陶瓷激光合金化层的工艺，陶瓷相熔化烧损与溶解扩散速度，金属陶瓷 层的耐磨性能等具有重要的影响【1 2 1 8 2 引。 7 y o n gq i a n gy a n g 将3 0 w c 和n i 基粉末混合，在激光功率1 5 k w ，扫描速度 3 m m s ，光斑5 m m ，送粉1 0 9 m i n 的条件，得到了厚0 9 m m 的覆层，分析了覆层的 微观结构，上层为y 相弥散的w c 、w 2 c 、( w ，t i ) c 1 x 颗粒，下层为层状的m 1 2 c 共晶体。因为在高温下具有比常温下更高的硬度，已成功应用到热具上，使用寿 命提高了1 - 4 倍，华中科技大学吴新伟，对n i + w e 合金粉的激光熔覆进行了一系 列研究，分别选用三种不同镍基自熔合金与铸造w c 和单晶w c 按不同比例混合， 在p = 2 k w , v = 3 , 1 l m r n s ，d = 6 m m 条件下形成熔覆层。并分析了不同w c 含量下，覆 层的组成和硬度及裂纹率的变化规律，最大值分别为3 5 和4 5 ，研究了激光熔 覆金属陶瓷层中铸造w c 颗粒的烧损方式和机理，主要以溶解扩散式烧损为主，提 出了评定w c 颗粒烧损率的半定量公式：r f 与击( 其中7 7 = i ) ，m 代表复合 粉中w c 颗粒的原始总质量，r 为w c 溶解扩散式烧损的烧损率，a 代表激光熔覆层 粘结金属中实际钨含量，b 代表粘结金属中除w 之外的其它元素总质量，7 7 代表能 谱分析中实测的粘结金属中钨元素的质量分数) 。实验证明【1 9 2 3 1 通过调整w c 的比 例和分布，选择合理的工艺参数，增设韧性好的过渡层，并加入含量混合稀土氧 化物( y 2 0 3 、c e 0 2 、l a 2 0 3 ) ，可以获得无裂纹缺陷，金相组织均匀，并具有硬度 平滑过渡的n i + w c 的优质合金化层。其中c e 0 2 可显著提高干摩擦磨损状况下的 耐磨性【2 2 - 2 3 1 。 a 1 2 0 3 陶瓷覆层具有高的耐高温氧化性和耐磨性，但易产生裂纹，为了获得致 密、无空隙、无裂纹的a 1 2 0 3 覆层，陈佳忠等在a 1 2 0 3 陶瓷覆层与基体间增添n i c r a l 过渡层，激光重熔后，覆层为均匀、致密、细小柱状组织，硬度达到2 3 5 0 - 2 6 6 7 h v o 2 而杨元政【2 1 等，在a 1 2 0 3 陶瓷覆层中加入1 3 t 1 0 2 后，覆层致密性提高，但硬度降 低，而在a 1 2 0 3 中加入适量s i 0 2 添加剂可以减少裂纹数量或防止裂纹产生。 1 2 浙江工业大学工程硕士论文 1 2 4 激光合金化层的性能及应用 ( 1 ) 耐磨：目前开展的大量激光合金化工作，主要是在零部件表面制备 高耐磨的合金化层。 ( 2 )耐磨蚀： 南京航空航天大学在q 2 3 5 钢表面激光熔覆c n b t i 加 稀土硅铁以及n i c r b s i 加稀土硅铁。结果表明：钢表层中的 过饱和稀土除和氧、硫作用外，还可固溶于晶内，晶界或其附近， 甚至能形成金属间化合物r e 2 f e l 7 ；经过稀土和激光合金化处理的表 面具有较高的耐磨蚀性能。中南工学院在耐酸不锈钢基体上激光合 金化c o 基合金。得到的熔层与等离子焊层相比，激光焊层缺陷低， 成品率高，其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体 热影响小，熔层硬度与强韧性提高，性能实验表明，激光熔层具有 更高的耐蚀性能。在石油化工阀门密封面奥氏体基体上激光熔覆n i 合金，能获得厚度达3 m m 、表面较平整光滑的合金层，可用于加工 或修复，在组织和性能上均能明显优于等离子喷焊工艺f 1 8 2 3 2 5 1 。 ( 3 )制备功能梯度材料：由于覆层和基体之间的性能差别很大，使用中 往往容易界面失效，为此研制可以消除界面的功能材料，使覆层的 组成和性能沿厚度方向连续梯度变化。在探索激光合金化陶瓷金属 梯度覆层时，最初采用叠层合金化法，逐层改变混合粉中陶瓷颗粒 的含量和粒度，经多层合金化后，陶瓷颗粒在覆层中的分布规律呈 台阶变化，此法沿用覆层和基体之间引入过渡层的思路，陶瓷颗粒 在每一层中保持均匀分布，层与层之间的组织变化不连续，仍有界 面问题。北京工业大学采用激光一步涂覆法，利用激光熔池的对流 和凝固行为，依靠t i c 颗粒在熔池中不断长大和有规律的运动，在 激光束一次熔凝过程中自动实现了涂层的连续梯度结构，成功地在 钢基体表面上合金化制备了t i c p n i 自生梯度涂层。合金化层的组 织由t i c 颗粒，y - n i 枝状初晶及枝晶间共晶组成。从合金化层底部 到顶部，t i c 颗粒呈现连续的梯度变化，即颗粒尺寸从0 8pm 增长 到4 51 tr n ；体积含量从4 到3 3 ；n c 颗粒的形貌也相应地从球 浙江工业大学工程硕士论文 形细小颗粒过渡到粗大的花瓣粒子簇。t i c 颗粒的长大主要来自颗 粒的碰撞和粘结，凝固前沿对浮升速度相对较慢的t i c 颗粒优先捕 获是导致合金化层梯度结构原位生产的决定因素【1 9 2 2 2 5 1 。 ( 4 )制备复合生物材料重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现 激光合成与涂覆工艺制备生物陶瓷的基础上，又在比强度高、耐蚀 性好、医疗用途更广的钛合金表面成功地实现激光束进一步合成和 涂覆含c a s ( p 0 4 ) 3 ( o h ) 羟基磷灰石( h a ) 的生物陶瓷涂层，该涂 层具有优良的力学性能，也改善了置入材料弹性模量与生物硬组织 的匹配性，研究发现加入微量稀土( y 2 0 3 ) 不仅有利于激光化学反 应生成h a 相，增强其结构稳定性，而且可细化晶粒，提高强韧性 1 9 2 3 2 9 1 o 1 2 5 激光合金化的工艺途径及工艺控制 激光合金化时的覆层材料常为合金粉末，粉末自成特殊的合金，具有相应较 好的物理化学性能。可以事先预置在基体表面( 预置法) ，这是制造单道扫描涂层 的最简单的方法。也可以在激光加工过程中通过专用的送粉装置利用惰性气体将 粉末喷向激光和材料表面的作用区( 送粉法) ，当高能激光照射在材料表面时，合 金粉末熔化，进而使基体材料熔化。当激光能量移开后，涂覆金属和基体表面熔 池一起凝固，从而使表面相处具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐热等一定特殊性能 的表面合金层，由于基体也有一定程度的熔化，这样表面熔覆层和基体之间就形 成很好的冶金结合。 由于激光光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光合金化 对基体的热影响较小，引起的变形也小，控制激光的输入能量，还可以将基体的 稀释作用限制在极低的程度( 一般为2 1 3 ) 从而又保持了原合金材料的优异 性能。 激光合金化的效果及质量，一般由以下几个指标来衡量：合金化层的宽度( 面 积) 、合金化层的深度、表面质量及表面粗糙度，合金化层的厚度及生产率。在用 连续激光合金化时，以上指标主要受激