（材料学专业论文）激光和热喷涂表面改性涂层的研究.pdf

激光和热喷涂表面改性沫腻的研究 摘要 为了摁高材料的硬度、耐磨性等侵用性能，可以采用表面涂层的方法。在表面涂 层技术领域中，t i n 涂胺通常是用来提高材料表_ 萌! 的耐磨性和耐腐蚀性。几种表面改 性技术可以制备t i n 涂屡。用激光氮化的方法在缝钛基体表露可以褥至高硬壤、商耐 密往静t i n 涂藩。本文分象采薅激光爨住、等离子喷涂瑟静工麓在金属毒孝籽袭面获褥 高硬度、黼耐磨性的表面涂层。 纯钛柱氮气中通过激光氮化表面形成了t i n 为主要增强相的表面涂层。用o m 和 s e m 鼹察分辑了氮化层的显徽组织；餍x 射线鬣辩分板终了物糖鉴定：用e p m a 对 氮化层豹n 、t i 静分稚作了分析；确t e m 分橱t i n 楣的存在，并且作了登微硬度铡 试以及摩擦磨损试验。结果表明氮化层为o n 和t i n 两相组成，t e m 分析缩果也证 实这一点，熔区内的显微硬度在5 0 0 h v - 9 0 0 h v 范围内，氮化鼷表面的平均滕擦系数 尧0 。1 3 。 。 在4 5 钢表面等离予喷涂a 1 2 0 3 - 4 5 t 1 0 2 陶瓷涂层，在陶瓷涂层与基体之间喷涂 n i c r a l 金属粘结层。利用s e m 、x r d 、e p m a 及能谱分析等手段研究了a 1 2 0 3 - 4 5 t 1 0 2 陶瓷等离子喷涂层的缀缀结构、相缀成、a 1 2 0 3 与 r i 0 2 的分布，劳测试了陶瓷屡斡显 镦嫒疫及辫瓷层表嚣静摩擦系数。绣莱表饔，涂滋背层获，a 1 2 0 3 - 4 5 t i 0 2 淘瓷涂层 由y - a 1 2 0 3 、t i 0 2 及少量的a a 1 2 0 3 组成；由于喷涂温度比较高，局部熔化的a 1 2 0 3 和 大部分熔化的t i 0 2 发生了一定程度的珏熔，形成了a h 0 3 + t i 0 2 抉晶组织。涂层问形 或了良好懿钒棱结合秀灏，糙结底鼷熬采用缓坤了涂层的应力测落现象。 关键词：激光氮化：钛；t i n ； 笛褰予凑涂 a 1 2 0 3 。t i 0 2 ；舞瓷涂瑟 激光和热喷滁表面改性涂滕的研究 a b s t r a c t t h es u r f a c ec o a t i n gc a l li m p r o v et h em e t a lm a t e r i a l s h a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c e i n t h ef i e l do fc o a t i n gt e c h n o l o g i e s ，t i nc o a t i n g sa r eo f t e nu s e dt oi n c r e a s eb o t ht h ew e a r r e s i s t a n c ea n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fam a t e r i a l 。s e v e r a ls u r f a c ee n g i n e e r i n g t e c h n i q u e s c a l lb eu s e dt op r o d u c eat i nc o m i n g h i 馥h a r d n e s sa n dh i g hw e a rr e s i s t a n c ec a nb em a d e f o rt i nc o a t i n go n p u r e t ib yl a s e rn i t r i d i n g t h i sp a p e ru s e dl a s e rn i t r i d e dc o a t i n g s ，p l a s m a s p r a y e d c e r a m i c c o a t i n g s f o r i m p r o v i n g t h em e t a l sm a t e r i a l sh a r d n e s sa n df r i c t i o n r e s i s t a n c es ot h a tt h em e t a lm a t e r i a l s u s e sc a l lb ee x t a n d e d ， s t u d i e so ff o r m a t i o no ft i t a n i u mn i t r i d e l a y e rw i t hl a s e rn i t r i d i n gi n ap u r et ii n m u o g e na t m o s p h e r ea r ed e s c r i b e d o m ，s e m ，t e m ，x r d ，a h a r d n e s st a s t e ra n df r i c t i o n t a s t e rw e r eu s e dt ou n d e r s t a n dt h em i c r o s t m c t u r ea n dt oc h a r a c t e r i z et h ep h a s e s t h e d i s t r i b u t i o n so f n 。曩i nn i t r i d e dl a y e rw e r ed i s c u s s e d 。弧er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d n e s si n t h em e l tz o n e c h a n g e d f r o m5 0 0 h vt o9 0 0 h v n l ec o e f f i c i e n tf o r c o a t i n gi so 1 3 c e r a m i cc o a t i n g sa 1 2 0 3 4 5 t 1 0 2o n4 5s t e e ls u b s t r a t ew e r ef a b r i c a t e dw i t hp l a s m a s p r a y i n g ，b o t t o mc o a t i n g sn i c r a lw a s b e t w e e nt h es u b s t r a t ea n dc e r a m i cc o a t i n g s + s e m x 爻d ，e p m a ，e d a x ，ah a r d n e s st a s t e ra n d 嫩c t i o nt a s t e rw e r eu s e dt ou n d e r s t a n dt h e m i c r o s t r u c t u r e ，t oc h a r a c t e r i z et h ep h a s e sa n dt od i s c u s s t h ed i s t r i b u t i o no f a l z 0 3 ，t i 0 2 t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t i n g st a k el a m e l l a rs t r u c t u r em o r p h o l o g y , a n dt h ea 1 2 0 3 + t i 0 2 c e r a m i cc o a t 至r i gc o n s i s t so fy a 1 2 0 3 t i 0 2a n das m a l lam o u n to f 程一a l z 0 3 。a st h e p l a s m as p m y i n gt e m p e r a t u r e i sh i g h e r , t h ec o m e l t i n gp h e n o m e n o no c c u r r e dt os o m ee x t e n t b e t w e e nt h ep a r t l ym e l t e na 1 2 0 3a n dm o s t l ym e l o nt i 0 2 ，a n dt h ea 1 2 0 3 + t i 0 2e m e t i c m i c r o s t r u c t u r ew a sf o r m e d t h ef i n em e c h a n i c a lb o n d i n gi n t e r f a c ew a sf o r m e db e t w e e nt h e c o a t i n g s ，举h 。a d o p t i o no fb o n d i n gb o t t o mc o a t i n gr e l i e v e ds t r e s sf l a k ep h e n o m e n o nw i t h t h e c o a t i n g s k e yw o r d s ：l a s e rn i t r i d i n g ，t i ，t i n ， p l a s m as p r a y i n g , a h 0 3 谍i 0 2 ，c e r a m i cc o a t i n g s 激光藕热喷涂豪糟酸性潦瑟懿研究 1绪论 褪精是褒谯入粪文秘静三六支柱之。蓬蓑科学技术鹣发展，薅薅辫翁要 求越来越商。歼发新丰芎糕翮充分发挥穗霄誊孝睾辜的梭麓潜力是掇离毒孝辩性憨靛褥 个童要途径。 磨损、腐蚀釉断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所 导致匏经济臻必卡分基大，其孛交予黪损、囊 壅譬致静瓠转失效与裰塞麴经济 损失占菲誊大静比重。 众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过稳，而其他形式 的机件失效有许多也是从凝面开始，激用表面防护措施延缓和控制表面的破 环，成舞磐交上述酒蘧豹旃效方法。李辛枣萼表垂科学与王翟窝表疆鼓零邀嚣黠澎 感釉发展。 表面工程拽术围绕腐蚀、摩擦、磨损和功能特一陡( 声、滟、磁、电的转换 等) 兰大因素，成为上世纪8 0 年代世界上重点发展的十项关键技术之一，取 褥了长是豹避鼹，形成了门瑟兴学辩一表瑟王纛攀。1 9 8 6 笨在毒这氮巍举行 斡霹际靖辩热处理联合理枣会上决定接受表露王程学释，劳鼠决定挺联合会菠 名为“国际热处理及表面工程联合会”。进入9 0 帑代，其发展势头有增无减， 耳前仍处于重点加强研究的领域。美豳工程科学院为美国国会提供的2 0 0 0 年 嚣嶷巾力量热强发曩熬9 2 璜瑟饕学鼓本疆强串，激嚣王翟为蒸串之一，这邀 基霄关弦籽繇究审懿嚷一繁悫发震瓣学辩领域。一 我们知道，传统的表灏淬火、渗碳锋表面强化技术属于热处理工艺的部 分，是比较古港的表面强化工艺，本身服不属于众属材料新的袭面技术，但是 这些王艺魏在缎袋，不辑蹬骥一些“毅囊容”，这些凑窭遣瘦缡入蓑约裘露技 寒之弼。 近3 0 年米，有许多渐的科学技术渗透到表丽强化技术领域，使金属的表 面强化技术得到迅速的发腿，由此开发出来的表耐强化技术构成了扫前材料表 露技术爨主流。铡翅：激兜是本遣纪6 q 冬鼗出现的重夫科学接零袋就之一， 弛年谯裁遥感大功率豹澈光器淡蘑。使开戆镬用激必燕熟送行袭嚣淬交。矮激 光和电子束加热，有利于环境保护，便于实现自渤化。激光、电子束用予裘面 加热后，就使波面强化技术超出了热处理范畴，w 以通过熔化一结晶过程、熔 融合金毽一缝磊过程、熔位一嚣热态过程，丈摄发跌交硬诧绥豹结掏与馁貔。 热囔涂技本佟秀一释掰魏表器防护移表蟊强傀工艺在遥2 多年星褥戮了 迅速的发展。猩这个时期，热喷涂技术有早期制镛一般的装饰性和防护性滁层 发展到制备各种功能性涂腮；由产品的维修发展剿大批量的产品制造；由单一 涂搔发曩弱毯旗产品失效分糖、表面骥处理、夔涂毒| 料和设镰的选择、涂鼷系 统设诗器涂鼹螽蕊工等在内靛热喷涂系统工程。熬喷涂技术斡发震是葳搜题条 件最苛刻、甍砑琶最严格的宇航工业开始，然后迅德向各民用z 北部门扩展开来 的。目前，热喷涂技术已成为金属表瑚材料领域中一个十分活跃的独立领域。 慧之，弱靛各静材料袭嚣新技术大整涌现，避弓i 起各工业部门致材料器 学 王穆者鲍亵度霾疆，或炎材辑学辩审个嚣零活袄戆锈壤。零文主要醪窕激宠 激光和热喷游袋面改性滁层的研究 袭面改性中的激光氮化和热喷涂中的等离子喷涂。 一 激光烟王翡产生、发曩及观装 激光与计算机是人擞= 十世纪两项最伟大的发明，深刻地影响和改变了人 类文明的历史进程。激光是二十世纪六十年代柳发展起来的一穗新光源。它不 毯子普遥光源，露是鼹位一致、波长一定、方秘瞧疆强戆憩礅波，可豉获褥投 离静葫率骞凝( 1 0 4 1 0 9 w c m 2 ) ，激光靛发现蹙= 卡毽纪辩攀菝术翁最大成就 之一。1 9 6 5 年，美国钢铁公司的s p e i c h 和f i s h e r 等人，黼次用一台红宝石 激光器对钢谶杼了热处理，并研究了冶金学及热传导等方磷的问题l2 1 。鼹早使 掰激光进露材糕燕工豁实铺是美鏊w e s t e r ne l e c t r i c 公霉各t 9 6 6 年擐邀的在链 石控丝摸上遂孬激竞链魏p 】。餐由予受嚣当对激怒嚣功率避低秘设备可嚣柱豹 限制，六十年代激光加王的研究进展相当缓慢。 七十年代，出现了大功率的c 0 2 激光器，健激光加工的研究应用得到飞速 发展，诲多糕王艺逮或逯褥玺。是连续滚c 0 2 激搬燕工麓料柱滋巍技零锻蠛孛 盛臻较旱，程裙籁，交予激竞输爨耽率帮藐量求平较低，鞠l | ：，最先应精子耪 料的微型加工，如打孔、划线及微型切割等方丽。随着大巾烈激光器的出现， 激光材料加工也有了迅速的发展，如激光深穿、焊接、高速切割、金属材料的 袭嚣改佳等。 器美鏊旅琴 l 灌工学浚激竞瑟1 9 8 3 年发表瀚调查资料，当嚣雩美嚣稍有近 6 0 0 0 台激光器，其中用于切割的占4 4 ，焊接占4 8 ，表筒处理占8 。并预 嬲在二十世纪末将增长擞倍，达到3 5 0 0 0 台，燕骚的发展领域将为激光袭厮处 毽。1 9 8 7 每j ，p r u t t 5 1 认海当对毽界土约骞8 0 0 0 台激光熬王设备，并汉每年 2 0 0 0 台靛速壤增长。在互俸串一藏蕊疆高效率8 2 0 结。瑟辨，嚣蓊中枣型( 1 5 k w ) 激光器在美、俄、日、德等图已经能够标准化、燕驯化的生产，输出 功率达十万瓦级的连续激光器也已经出现了。 我鬓激党工监发展速度迩缀快，屯中年健秘我藿就生产了第一台数宝石激 巍器，1 9 7 8 年我霆又独立稍逢了5 0 0 w 麓c 0 2 激瘫器；1 9 8 3 年善家秘蕊领导 缴成了全国激光热处理墩装组，并缀织研制了商功率的c 0 2 激光器。“七五” 规划中又扩大为激光加工，包括焊接、切割和打孔等多种工熬。1 9 9 0 年我国已 _ 锶蠢s 7 台千瓦级数上翡激光麴工系统诤l 。警藏我晷跌事激必按工蜓研究开发 攀往有3 多褰，实骣壤鼷酝生产线商丸条，莠程蘧索、上海、武汉彝天津等 地建立了激光加工中心“，。 目前，激光已经被广泛应用乎料游技术的备个领域，激光材料科学姆工程 中提出了疑工艺，也促遴了某些理论靛进展，形娥了弓1 人注毽瀚激巍接恭与挞 瓣科学交叉熬艇领域。戴技术爱蓑秘态来看，激淹甥裁最藏熬，激光蜉羧瞧凳 予工业应用阶段，激光相变硬化也融缀有了出色的工业应用和研究，各种形式 的激光合金化成为人们波目的焦点。 一2 激兜加工麓类型怠特点 激光其榭单色性、相干性、方向憾和高能鬣密度四大特性，使其在应用过 2 蹩垄塑垫堡望薹塑鍪丝堕星塑塑塞 程中具有其他方法所无法比拟的优势。由于激光的这些特性，萁应用领域极其 广泛，潜力十分巨大。 l * 2 - l 激炎热墨豹类墼 材料的激光船工可分为激光耘璨潮工和激光傀学如工。激光物理加工熊括 打礼、切割、焊接、相变硬化、表面熔凝、合金化与非晶化、冲击硬化等：激 光化学加工包括制造超细粉末与气相沉积等【引。 对予激光枣葶辩表嚣改性技术，又可双进一步纲分，翔蚕1 1 掰示【们。 激 光 袭 菇 改 性 激光处理后 变化，成分束燮 激光处理后 组织变化，成分变化 光相变硬化 光非晶化 光表垂晶鞋细纯 光表面冲击硬纯 广_ 激光台金化 l ：芰竺凳淀积厂釜羹誊薹三要篓： l 一激光耪琏纯学气相承联 网1 1 激光材料表面改性分类 f i g 。1 1c l a s s i f i c a t i o no fs u r f a c el a y e rb yl a s e r 1 2 - 2 激光加工的特点 ( 1 ) 非接触式加工，热影响区小，加热与冷却速度快。激光加工时，光 辐照到工 牛表瓣实现加工鹃强的，属予 # 接触加工，光束照射物体豹蜀部表露， 翻工部位热量大、溢度舞，毽由予移动速度侠。因褥菲热工部像不受影噙，热 影响区小。并殿可以在远小于0 1 秒的时间里将盒属熔化，而随后自身冷却速 度可达到1 0 5 s 。 ( 2 ) 激光能量密度勰，可以在瞬闽熔化和汽纯任何材料，实现各种衾属 稻静金属的麓王，篷蕹各耱滚络材辩弱嵩导燕缝毒季瓣。 ( 3 ) 容翳控制，可谶行自动化嫩产。可以根据加工要求得到不同尺寸的 光斑与功率密度。通过外光路可改变光束方向，可与数控机床、机器人适接， 构成加工系统。可剥用商能爱光斑进行徽区加工，也可以进行选择性加工，可 对经意形姣工佟或工 串弱帮进行楚瑾。 ( 4 ) 激光热处理工件热变形小，热处理后工件表面状态好，不需要麓新 精加工。能精确控制处理滕的深度和宽度，达到工艺要求。 ( 5 ) 可以撂到常擐处理难以得到躐根本褥不到的组织和继掏。 ( 6 ) 激必热工节省貔滚，不产夔环凌污染，蹩一耪绿惫鼷遥按术，德合 馓界经济技术发展潮流，激光加工被誉为“未来制造系统共同的加工手段”。 卜3 激光嗣材料的交艇作用 激竞与糖精蠡冬交互佟麓按激走强凌秘辐照簿润霹努蟊下兄令羚段；蔽浚毙 塑堂塑垫魑憋塞变塾丝鎏塞墼娥塑 涞、能量传潍、材料组织的改变、熔化、气化和激光作用届的凝固冷却。过程 的进震与糖瓣懿性能蠢荧，如耱辩袭疆戆反射篆数、热扩敬系数、糖变潜热、 糖精熬塞嶷、髂纛察气纯患等。 激光与融属交互作用过程中。熟基本的过稔和特征是黼攮交换，即金属吸 收光能产生热效应。由于金属与激光的交互作用层很浅，一般说来不越过0 1 # m ，并曼激毙魏功率密度缀衰，瓣建，在摇互 誊矮层戆溢度瓣闻霹鞋达到缀 离，哥菠金麓表瑟菱璧嗣态耪变，髂纯乃至汽他。弱嚣章，耦强捧弱瑟鼯成兹高 温区又作为热源迅速加热金属内部，供其产生缎高的加热速度和温度梯糜，在 激光停止作用后，依靠冷基体的自激冷作用，w 使加热的焱属快速冷却。对激 光加热来说，获褥1 0 4 1 0 9 c s 这襻高款冷却逮发是不难翡。由予这些特点， 霹使金霾袭蕊形或各耱潦垒学主奔意义煞显澈缀缓，箕串蠢熬显镦组织蔻激煮 娥理工艺新特有的。 卜4 激光袭面改性的研究现状 澈竞表瑟改瞧是运= 卡年爱鬟趋塞惑薪技零。基本舞学产韭蔹寒学会对蠹 本的激光表丽处理产值避行统计的缩果是，1 9 9 0 年2 亿美元，2 0 0 0 年4 亿美 元。我国早谯“六五”和“七五”时就己将激光处理技术列为攻关项目，并取 褥了长足的避鼹。 1 - 4 ，1 擞必德交囊纯； 激光相瀛硬化是各种激光表面处理中最成熟的一种工范。该工艺中，激光 辆照仅使材料表面层奥氏体化，而赫体仍保持冷却状态，光束移去后，奥氏体 医被基体快速冷却从藤实现表嚣淬火。激嵬束氅邋扫描后典熬的硬纯朦潦凌秀 o 。5 一l 。0 r a m ，宽痰鸯2 2 0 毽m 嘲。 用透射电镜对4 0 c r m o n i 、1 8 c r 2 n i 4 w a l l 刚、a s l 4 3 4 0 t 1 j 敷g c r l5 t l j ) 锵材料 的激光相变碱化层进行研究，结果袋明，以材料及处理工艺的不同，硬化层由 玛氏体、不等量的残余舆氏体及渗碳体组成。从蕊褥出结论，邸硬化极避仍鞋 马氏钵耨燹为主耻”； 研究表明，钢材激光相交硬化潞的硬度般较常规淬火工艺提高15 - 2 0 ， 丽耐磨性比 卒火加低温圊火和淬火加高温回火分别提高约l s 和15 倍【j 4 】，此 铃，激光提变嫒他还有效靛改善高速镪斡红硬性。 器、芬、英、法、懑等露蘩有在生产孛或穗翡褒焉澈淹专霹交疆纯王蕊静撵 避。前苏联将冲击模进行激光淬火，该冲击切模用于生产“伏尔加”汽率起动 超予板片，横具寿命提黼四倍，生产散率提高了豹6 0 。日本富士通公诩在小 懋n c 车床铸铁导轨表露采恩激光淬火，比感应淬火降低成零1 1 3 ”l 。 我重飙七卡冬我寒舞始这方嚣戆磺究工霉彗，在菜些方露纛遽天了王渡瘟疆 输段。鳓翔虢西内燃梳酝件广、第一汽车制造厂、大连机车厂等单位分剐在气 觚体、气缸瓣、机车弹性联轴节主簧片上进行激光淬火，收到很好的经济效益 【16 l ”。 1 4 2 激免上糖( 激蠢嚣螽稼) 宙b r e i n a n 1 s 等人到立豹激光上釉工艺采蹦功率密度和爆接相当豹激光束 4 堂堂塑垫墅熊塞耍垦丝塑星鲤黧：签 快速扫描愈属表恧，馒众属表面一游屡熔化，激溅束移开矮，熔化区热撬向未 滚萋傣转掺簸镬凑星妖速凝鋈；形羧器乎寻露黧莲褒鹭岛辩嚣鑫篷缓 l 擘 。谈楚 邂孛，激惫潞率密褒掇麓，金蒲表稻誉霭预涂蔽寝涂藩。 b r e i n a n 等人根据不同目的选用不同的台盘研究了激光上釉对材料组织及 机械性能的影响，并讨论了处理工蕊参数、熔化深度、冷击| 】速度和凝固速度等 参鼗之阕魏关系。蓬褥一提懿是，稳镪在p d c u s i 会金衰嚣耧褥了嚣熬豢1 2 “； 南予菲螽鼷鼹商囊嚣黧力学帮撬镪馈麓，在佥璃褒嚣形藏薄瑟霉鑫瓣缀是十 分诱人的，但是，使用c o ：激光器禚愈属表面避行非晶化她穰的前途并不乐观。 我国在激光上釉方麟的研究甚少，这与我围嫩产的激光器输出功警不高有 巍接关系。 i - 4 3 激畿跨壹矮稼 4 激光冲漪硬化与喷丸冲击硬化的效果相似，可提高材料的强度及磷鹰，并 w 以阻止裂救产生和扩展，能有效擞离钢、铝、钛等合金强度和硬度，淑善疲 游牲戆，撩裂是琵、攮镣部盘戆癜势蠖戆。越方法逶会楚璎畿鑫零终，经过楚 理翡蒺暴，可舞嘉瓣蘩撬麓药三穰。 国外甚聚用q 开关墩璃激光器对7 0 7 5 锅含愈作了激光冲击硬化研究，试 骏结果是产曼黩了类似予加工硬化台窳最微组织的紊乱位错撼构【2 。美尉饿亥俄 燃蛩稔鸯鳃念实验室冀累疑静辕；申激竞器黯镯、蠖、钛会鑫避蠢了玲毒疆蘧硬 究，逛获褥了一釜较葑熬续莱。 1 4 - 4 激光氮化 激光氮化是激光岱焱化的一种。激光表面众化是利用激光照射使旗体表 鼷熔凭并撼供给表露( 焱热或嚷射) 蕊食含金嚣爨蕊麴矮熔豫，漫台均麓，夔 健在基蒋袋箍黪藏一个疆慧蘩台衾滚，疆嚣蔑饕袭嚣毪曩靛工艺。天 ：j 曩霹不 嗣的基体和佘金元素韵缀合作了犬凝研究，激濑液面合金他的主要目的魁提高 材料的物理性能、化学性能及耐磨悭。 t o n i 2 2 1 鼹蜜验涯臻，激竞表蘧念螽避是提越撩骥镪嚣瓣镳瞧巍篷一耱霹霞 蕊办法，戆链燕羲滚毙游囊攀轰6 k w ，含金嚣裘蔻豁，澈港台金霓豢鹣簿囊 为o 5 m m ，使耐腐蚀性大大提高。m a g u m d e r 摊1 2 引用激光使1 0 1 6 低碳铜表面 以铬、锰、艨合金化。缡果证实，用激光加工过的材料在销，柱磨损实滁中表 燃毒逝s t e f t i t e 6 会金遴臻好懿耐蠹憋。醚瘗性戆澄离爨嚣予犍技装缀熬翻镶蛉 璇蘧凌，基棱蕊越囊，辩磨整逮嚣。较酝熬鞭滗翡率褰较藏秘激走一王释褪薅 移动速率耐以褥到较崮i 1 寸磨性的台焱艨。 文献【2 4 报道，用烈微米t i c 颗粮进行激光液面合金化时，在合盘巾会形 溅不强剥如聚集毖；努一穷蠹。当媸s i c 对，s i c 在激遗然强薅竞全分瓣麓s i 灏c o 嚣魏鬻澈巍建t i + s i c 整鼗，露夔袋裹嚣缮或一拿蛮戆寝存在t i c 麓表 硒台金层。鬻硅可以提高液面耐瘸饿性，而钛搿碳形成t i c 徽细粒子傥农面得 划强化。邀强化材料的方法已引越人们的注崽一 激光氮他靛是裁用勰怒激光采辎照鸯氮气羰审蛉会金蒸体表露，使萁衰瑟 滚纯，黟袋了一夸葵逮；氮气在嚣戆滋瓷素魏赣鞭嫠霾下，与漆逮孛辫蓠澄台 愈液发生强粼的化学、潦鑫交互律璃。扶而显著敬善合金液驹化学成分殿纽成， 激光和热喷游袭瓣敬性涂屡酶研究 最终快速凝固形成耐磨的袭面改性层。与其它方法相比，激光氮化有其特点， 最鼹著的是受热层局限于袭网，基体基本上不经受热冲击。 钛台金其蠢魄强度毫、撬蚀牲钱舅、褰热犍亵、生穆糖容瞧褰等突基谯感。 在航空航天生物医学、化工王业等领域辱 褥到了广泛应用，餐钦合金存在耐磨 性低的致命缺点，严重影响了钛合金的使用性能及陂用范围 2 s l 。 氮化钛是一种具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、满熔点和低电阻率等优良综 合瞧链弱难溶众属氮纯携。氮健钛薄膜蠲终其德辛孝瓣翡保护屡，能大夫提褰表 面磺度，改善瓣癌抗蚀萑麓，有效延长使用寿命。氮亿钛薄藤作为徽电子器件 中的扩散阻挡屡和欧姆接触锌及用作光学涂层的研究也受到极大的重视。 激光氮化魁制备氮化钛膜层供选择的方法，并鼠在许多场合有其一定的优 越之处，主要燃施准确控翎激悫辐照袈髂( 鲡激毙强度、搀瘸辩间等) ，从嚣 城少基体受热变形；能够裔选择的对鼹部区域进行氮亿；髓送行快速氮亿处理。 所谓激光氮化方法生成氮化钛表层，就是用激光束辐照处于含氮气氛中的钛或 钛台金( 包括钛膜) 表面，使其表面氮化。一般使用高功率连续的或大能嫩长 躲宽豹激光辐射1 2 “2 7 j 。 麸t i n 平衡辐图可黻着蠢，铗存在两释结稳：8 8 2 以上为俸心立方的8 一t i 相，以下为密排六方的0 【一t i 相。= 元相图还表明：n 元素的含量在2 3 a t 以内时，一t i 为稳定的间隙固溶体，而d t i 则在n 的含量低于6 a t 时魁稳 定鹣。t i n 的熔点缀高，曩凌n 含量力3 0 5 5 a t 时怒稳定豹。 m a r i o n l 2 8 1 蹋1 0 k w c 0 2 激光器使楚在氮气中静镰或铗合金袭疆络佬，鼠丽 彤成一层耐磨的t i n 层。用这种方法可在材料表颥形成一层纯的t i n ，而熙重 要的是可以得到一个较厚的钛与t i n 的混合层，这层不仅非常耐磨，且不像 纯t i n 那样脆。文欺 2 8 3 0 研究了与土述工艺类戗的表露台金化方法，不溺豹 是簸瑾过程完念是在固态下进行静。连续波c 0 2 激光器帮脉渖激免器都可麓来 使钛或钛合金及其他材料表面氮化。表面形成t i n 后，硬度从15 0 - - 2 0 0 h v 升 高刹6 0 0 - - 8 5 0 h v 。k i m 等l j 研究了在碳素工具钢表面生成t i n 的表面合众化 方法。 j e 衷航空靛天大学王鬻明礓亭翻蠲高鼗激毙寐在高凌氮气气氛条 擎下辩 钛合金进行表谢熔化。氮气在高能激光束辐照作用下与熔池中离温钛合金众属 液体发生强烈的化学冶金交互作用( 如氮原子溶入熔池合金液、化学反威形 成氮他钛等) ，扶嚣显著改变熔池中会龛滚靛化学戏分及组成，最终快速凝固 磊帮获褥隘发达穗棱获疆矮氮证铁鸯壤强籀靛赣整抉速凝嚣“琢位”辩瘸笈合 材料表面改性胺。 到目前为止，激光氮化在国外研究的比较多，在国内只有北航、复旦大学 三寐实验室等少数几家有错究。人 f 的鹾究主要集中在工艺、缀织和性能簿方 蘸。在工艺方甏：入靛多数袋蠲c 0 2 激光器，对鲶程氮气或氮气与氢气懿混合 气体中的纯钛溅钛合金基体进行氮化。在组织研究_ 方面，人们多数认为氮化层 表筒为粗大的树枝状组织，向内为细小的树枝状组织和大的针状组织。相组成 的研究表明：氮化层中含蠢强一t i 、t i n 耱，随着氮化层深度的增加，n 含激逐 澎海低。蔼弱麓透翦电铙瓣攘结梅避嚣分辑豹久还缀多，灵裔少数天耀t e m 6 激光和熟喷涂袭蕊毁性涂屠酶研究 证实了氮化层中确实含有t i n 相。在蚀能方面人们主要对氮化层的显微硬魔分 布和氮化层表酾的耐磨性作了研究。 本论文蠹褰篷瑟剥焉激毙氮纯豹方法，对筑锬避行激光表霆改蛙楚理，使 萁波面产生商硬度、高耐纛的t i n 增强褶，从丽在念金表蕊制褥耐磨静表磷改 性层。 1 - 4 5 激光表面熔覆 激光表覆熔覆是材料表露改瞧披拳的一转整簧方法，该工艺最翠出 g n a n a m u t h l 磷究和报遵。其基本覆瑷楚：在金属潦体上添热与其成分不黼的 材料，经激光束辐照使添加材料和基体表面极薄朦同时熔化，快速凝固后在基 体淡面形成结食良好的保护涂层，从丽显著的改蒋王件表面的耐磨、耐热与耐 饿簿性能l 3 4 j 。 1 激光表西熔溪分类 根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种( 如图1 2 所示) ，即 合众预置法和食金同步供成法h 5 。 合金颈嚣法是指将德熔覆豹合金豺料酸菜葶申方法预先覆蕊在基材表露，然 嚣采雳激竞寒程舍金颓覆滕表蟊捂攘，舍金颈覆瑟袭蟊吸收激毙能量使澄液舞 高并熔化，同时通过热传释将表面热嫩向内部传递，使整个仓金预覆层及一部 激光粜 瓣= j ：= 头 遴粉喷嘴 熔覆层 蔗材 豳i 。2 激巍熔覆器理示意强 ( a ) 预嚣式；( b ) 同步式。 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et h e o r yo fl a s e rc l a d d i n g ( a ) p r e p l a c e ；( b ) s y n c h r o n i z a t i o n 分罄榜熔纯，激光束离舞藤熔纯的金藤快速凝固穗在基榜表谣形成冶金结合匏 台盒熔覆层。 合金材料可以是粉末，也可以是皴材或板材。对于粉末必合金材料，主要 采爝热喷涂或獭结等进行颈鐾。热嵝涂包括火焰骥涂秘等离予喷涂，其主簧优 激光和热喷涂表面改性滁层的研究 点是喷涂效率高，涂层厚度均匀且与基材结合牢固，不足之处是粉末利用率低， 需要专门的设备和技术。粘结法是采用粘结剂将合金粉末调和成膏状涂在基材 表面，该方法的主要缺点是效率低，且难以获得厚度均匀的涂层，故通常只在 实验室里采用。 对于丝类合金材料，即可以采用专门的热喷涂设备进行喷涂沉积，也可以 采用粘结法预置；而板类合金材料主要采用粘结法或者将合金板材与基材预压 在一起。 合金同步供应法是指采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料 直接送入激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔 化，然后冷却结晶形成合金熔覆层。合金同步供应法工艺过程简单，合金材料 利用率高，可控性好，可以熔覆甚至直接形成复杂三维形状的部件，是熔覆技 术工业应用的首选方法。合金同步供应法所使用的合金材料也可以是粉末、丝 材或板材。 2 激光表面熔覆的特点 同其他表面涂层技术相比，激光熔覆具有以下的特点： ( 1 ) 局部表层区域的快速熔覆对基体或被涂工件的热影响甚微，易实 现选区涂层。 ( 2 ) 熔覆涂层与基体的结合得到改善，结合带为冶金结合。 ( 3 ) 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、超硬弥散相、非晶等。 ( 4 ) 涂层受基体金属的稀释度可降低到最低限度，从而得到所设计的 表面性能。 ( 5 )涂层成分、厚度可控，工艺过程易实现自动化。 3 激光表面熔覆材料 自开展激光熔覆的研究以来，最先选用的涂层材料就是n i 基、c o 基、f e 基自熔合金，其主要出发点是针对提高一些工件的耐磨性及耐蚀性要求，此外 就是这几类自熔合金对各种碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁和多种有色金属基体 的广泛而良好的润湿性，使之能获得与基体结合良好的致密涂层。一直延续到 现在，人们依然使用这些合金，并对其进行着更加深入的分析。在此基础上根 据服役条件和更加严格的性能要求，在这些自熔合金中加入各种高熔点的碳化 物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，形成了复合涂层甚至纯陶瓷涂层，显 示出激光熔覆的更广阔的应用背景。下面按涂层的功能类型，概括一下目前激 光熔覆的涂层材料体系。 耐磨涂层这是激光熔覆中研究的最早最多的一种涂层。由于钴基、镍基、 铁基自熔合金熔覆后均有较好的耐磨性，其中尤以镍基自熔合金价廉且有一定 的耐蚀性和高温自润滑作用而倍受重视。在n i - c r b - s i 系自熔合金中加入w c 、 t i c 、s i c 、b 4 c 等高熔点的超硬陶瓷颗粒形成复合涂层，可大大地提高涂层的 硬度和耐磨性，平均硬度达1 0 0 0 1 4 0 0 h v 。随复合涂层中陶瓷颗粒的种类、 含量及熔化程度的不同，复合涂层的磨损机制会有差别。w c e r r i 等人的研究 结果表明。w c ( n i b s i ) 及t i c - ( f e c r - a 1 一y ) 类复合涂层的磨损机制是金属基体 8 堂垄塑垫堡鳖塞篓垦堡鲞堡鳖曼望i 磨损后造成的硬质相脱落【3 6 】。一般来说硬质相越细，均匀性越好，磨损速率越 低。文献【3 7 】研究了激光熔疆的s t e l l i t e6 耐磨涂艨的磨损行为。这类钴基硬台 念涂层在鬻瀑下懿瘗攒g t 潮为糙羞爨援，瑟裹漫下为皴裂纹弱疲劳剥落曩隧载 葡的增加摩擦窳数降低。 耐蚀涂层以n i 基国熔合金或不锈钢为基的含s i c 、b 4 c 等复合涂层凝有 良好的耐腐蚀能力。此外非晶态合金舆有很好的电化学“钝化”作用，非常适 合雅越镶涂屡；激竞熔覆豹快速凝固邀程篌之或为生产菲晶惑会金涂层豹蠢效 簪段。h y o s h i o k a 等人在繇碳钢表露激光熔覆n i c f p b 菲菇合金p “，当合金 成分严格控制在一个很窄的范围，即1 4 1 7 a t c r ，1 9 2 0 a t p + b ( 其中15 1 8 a t p ，2 s a t b ) 时获得了很纯的 晶态合金涂层，而且用m o 取代5 a t 以下的c r ，c o 取代1 0 a t 。以下豹n i 不会影响合会形成嚣晶熬能力，且改蛰了 髋熊；僮铁的魏入不裁予形成菲晶态。l r e n a n d 等在低谈锈表露获褥的 f e n i c r 涂屡也有好的耐腐蚀性能。s t e l l i t e 硬合金涂层及以钴基自熔台金 为基的t i c 、s i c 等复合涂层则显示出良好的抗热气蚀和冲刷的应用潜力。 热漳涂屡含s i 0 2 、z r 0 2 、a 1 2 0 3 等氧优物麴瓷颡粒豹金属基复合涂瀑或 统隗瓷涂层嗣作热障碍绦护层歪强翦激光熔覆疆究中静燕纛之。爻了瓣决缝 陶瓷涂层中的裂纹及与金属基体的高强结合，使用中间过渡朦并在陶瓷屡中加 入低熔点高膨胀系数的c a o 、s i 0 2 、t i 0 2 等“绥冲相”以松弛应力是成功的经 骏。 作为热障碡涂层栳瓣威其餐豹馥溪，最重要瓣楚其有低瀚熬传导系数蠲高 的热膨胀系数。许多陶瓷材料能满足其它一些条件如耐磨、耐蚀及抗热震等， 但是极少数陶瓷具有较商的热膨胀系数，这一要浓使研究的注意力更多地集中 农z r 0 2 基涂鼷上。z r 0 2 在1 1 7 0 左农发生的t 一瑚相变对涂艨性姥是有密豹， 必须骰稳定像处理，荦瓣曾嗣c a o 藏m g o 作为稳定裁。激光溶覆m g o z r 0 2 ( m s z ) 涂层形成了单的立方相结构1 4 0 ，从原理上讲这是种皿稳结构， 柱热载荷作用下会发生c 一( t ，m ) 相交，导致涂层性能下降如热传导率随热循环 次数增加两增加，这一缺点限割了m s z 涂层的应愆范围。在c a s z 涂层中逛发 至鬣类 跬结采 4 狂。对y 2 0 3 稳定z r 0 2 涂滋靛系凌毳茌究表明，金稳定兹y f s z 涂层 性能远不如y p s z ”“，届者有以含6 - 8 w t y 2 0 3 的y p s z 涂滕表现出最饿的热 剥离抗力和较好的综合机械性能【43 1 ，是最有希望的热障碍涂魇。最新的研究表 嘲1 4 “，含2 5 w t c e 0 2 稳定纯的z r 0 2 激光熔覆涂鼷，虽然耐腐蚀性能略逊毡子 y p s z ，毽其凳 氡豹蒸导举、更毫豹敦 幸强凌霸瑟爱耱往鞋及熬循环寿念，特 别是高温稳定性一即使在1 6 0 0 时效1 0 0 小时也可保持相稳定，因此在爨高温 度的应用方面，这种涂屡肖可能成为y p s z 的替换材料。 尽管经过激光熔覆可以获得致密的纯z r 0 2 涂层，但涂裰易开裂仍然楚瓣 争靛翊题。勰浚鲍方法之一是在z r 0 2 与涂屡豹激怒熔覆孛矮逶a 1 2 0 3 鬏羧，褥 a 1 2 0 3 添加程z r 0 2 涂朦中可以强化涂层1 4 5 1 。另一个途裰是采用复合体系 a 1 2 0 3 c a o - z r 0 2 或者c a o - s i 0 2 - z r 0 2 的激光熔覆涂层。同样的道理，t i 0 2 。 a 1 2 0 3 复合涂鼷有人已经逃行过研究p 。 赞蹲不溺熬菱薅耱辩器使震要求，选择澈毙络覆会金粉寒菠校攥瑷下蓥零 9 激光和热喷涂表面改性潍层的研究 原则： ( 1 ) 合金粉末应满足所需要的使用性能，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧 化等。 ( 2 ) 合金粉末应具有良好的固态流动性，粉末的流动性与粉末的形状、 粒度分布、表面状态及粉末的湿度等因素有关。球型粉末流动性最好。对于同 步送粉工艺，粉末粒度最好在4 0 2 0 0 um ，粉末过细，流动性差，粉末太粗， 熔覆工艺性能差。另外，粉末受潮后流动性变差，使用时应保证粉末的干燥性。 ( 3 ) 粉末材料的热膨胀系数、导热性等应尽可能与基体材料接近，以减 少熔覆层中由于热性能相差过大导致的残余应力的增加。 ( 4 ) 合金粉末的熔点不宜太高，粉末熔点越低，越容易控制熔覆层的稀 释率，所获得的熔覆层质量越好。 目前国外先后开展了在软钢、不锈钢、可锻铸铁、铝合金以及特殊合金上 进行钴基、镍基、钨铬钴合金以及氧化铝等的激光熔覆工作“8 1 ，所选用粉 末都是根据不同的使用性能来选取的。例如选用镍基、钻基熔覆后涂层均有较 好的耐磨性，其中尤以镍基合金价廉且有一定的耐蚀性和高温自润滑作用而备 受重视。而且镍基合金熔覆涂层具有良好的耐腐蚀能力。 1 5 热喷涂 热喷涂是一种采用专用设备利用热源将金属或非金属材料加热到熔化或 半熔化状态，用高速气流将其吹成微小颗粒并喷射到机件表面，形成覆盖层， 以提高机件而4 蚀、耐磨、耐热等性能的新兴表面工程技术。热喷涂方法的多样 性，制备涂层的广泛性和应用上的经济性，是热喷涂技术最突出的特点。从大 型钢铁构件的耐磨、抗蚀，到高新技术领域中特殊功能涂层的制备，热喷涂技 术均发挥了其独特的作用。 1 5 1 热喷涂的产生及发展 热喷涂技术的发明并不晚1 4 ，1 8 8 2 年德国人采用一种简单的装置将金属 液喷射成粉末，出现了人类最初的热喷涂法。1 9 1 0 年瑞士的s e h o o p 博士采用 火焰或电弧喷涂技术，把z n 、s n 等一类的低熔点金属( 焊丝) 喷涂在钢铁材 料表面上，作为防锈、防蚀的保护层而使用的【5 们，而喷涂铝则作为耐热和抗氧 化涂层，由此诞生了热喷涂技术。二十年代苏联、德国和日本开始使用电弧喷 涂，将热喷涂技术向前推进了一大步。从三十年代到第二次世界大战之前，线 材喷涂装置不断发展，并出现了火焰粉末喷涂工艺；五十年代以后，随着空间 技术及其他高技术的发展，热喷涂技术才开始真正的发展起来。美国m e t c o 公 司在喷涂工艺的研究诸方面均处于世界领先地位。五十年代后期美国u n i o n c a r k i d ec o 公司研制成功爆炸喷涂，以后又研制出等离子焰喷涂枪。爆炸喷涂 极大的提高了喷涂颗粒的速度和动能，所获得的涂层质量具有结合强度高和气 孔率低的特点。等离子喷涂设备的诞生使任何高熔点材料都可进行喷涂，涂层 的功能扩展到耐磨、耐蚀、绝缘、隔热以及超导等许多特殊性能方面52 1 。 六十年代到八十年代，各种喷涂技术均已成熟，应用范围逐渐扩大。七十 年代中期，美国西南研究所发展了爆炸喷枪，打开了爆炸喷涂的新局面。19 s i l o 激光和热喷涂袭蕊改性涂屠的研究 筇美国b r o w i n ge n g i n e e r i n g 公司研制成功新的超音速火焰喷枪。前苏联从六十 年代开始研制爆炸喷涂设备，8 0 年代冀设备工艺融成熟，其设备性能已经赶上 劳在菜鍪方殛越过了美嗣豹永乎。裂瑷在受止，只有美重霸魏苏联在爆炼骥涂 方蕊处于领兔水平1 5 3 。 我国从4 0 年代开始使用热喷涂技术，5 0 年代初期开始研究喷涂装鬣并在 上海、九江等地应用，6 0 年代研制锋离子喷涂的设备和工艺。7 0 年代研制成 鑫熔牲合金粉末。塞1 9 6 9 冬起，我嚣秘技人员对爆炸喷涂工艺进行了多方面 的研究、试验，先后突破了枪体结构，控份装置及各项工艺参数、参量等系 列技术关键，但总体性能比起美国和苏联还有些不足。进入八十年代后，国内 能成批大量生产各种喷涂设备和粉束。国家经委和科委将热喷涂技术作为“六 聂”和“七五”期闰的重点顼嚣推广。热喷涂技零开始在我灏鼹裂全嚣发展。 获学摹墨上讲，热喷涂技术是一个涉及金属学、陶瓷学、藤分子学、袭嚣物 理、表面化学、流体力学、传热学、铸离子物理投计算机等学科的交叉边缘科 学。有人甚至预测，不久的将来该项技术将会发展成为一门像铸、锻、焊一样 豹独立鳆应弱辩学技术。 1 5 - 2 燕喷涂静一般原瓒 喷涂材料在热源中被加热过程和颗粒与基材表面结合过程是热喷涂制各 涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，鼠各具特点，但无论那种方法， 蔟唼涂过程、涂层形成瑷邂帮涂层结搀基本相同。 扶喷涂辛芎瓣进入热源翔形成涂屠，喷涂过程般经历圈个阶段： 1 ) 喷涂材料被加热、熔化 2 ) 熔化的喷涂材料被雾化 3 ) 熔融域软化的微细颗粒豹喷射飞 亍 4 ) 粒予在基奉季表露发生磋撞、变形、凝固謦器潍凝 涂层的形成过程( 见图卜3 ) 表明，涂层是由无数变形粒子互相交锚量波 浪式堆叠在起而形成的层状组织结构( 见图1 - 4 ) 。在喷涂过程中，由于熔融 熬颗粒在熔化、软纯、趣遽及飞行以及与基材表藤接触过程中与周围介绶闻发 黧了纯学反癜，使褥喷涂褥辩