（材料学专业论文）球墨铸铁和锌铝合金基表面陶瓷复合材料研究.pdf

摘要 在现代工业中，球墨铸铁和铝合金是两类性能优良，价格低廉，用途广 泛的金属材料，对国民经济的发展起到了重要的作用。但是，随着科学技术 的进一步发展，它们原有的一些性能已经难以适应新的要求，限制了它们的 进一步使用，如何提高他们的某些特殊性能就有着实际的意义。本课题主要 是研究通过等离子喷涂法对铸铁和锌铝合金基材料进行表面a i ：0 。粉末涂层处 理，然后再使用高能激光束以不同的扫描速度对铸铁和锌铝合金表面涂层进 行熔覆处理，以改善铸铁和锌铝合金的表面性能。 首先，本课题研究了激光表面熔覆处理生成的熔池，过渡层和基体的微观组 织和相结构变化情况，发现由于激光处理造成的快速凝固效果，熔池区和过渡区 的组织与基体比较已经发生了很大的变化，熔池区和过渡区的组织已经大为细 化，球墨铸铁表层在激光处理以后更发生了莱氏体和马氏体相变。第二步研究了 等离子喷涂法和激光熔覆等表面改性技术对铸铁和锌铝合金表面硬度的影响。在 此过程中，主要研究了激光重熔以及激光表面熔覆工艺对材料表面硬度的影响。 结果表明激光重熔和激光熔覆工艺导致的组织变化大幅度的提高了球墨铸铁和 锌铝合金表层的显微硬度，并且在熔池区和过渡区的强化效果有所不同。第三步 在上述研究的基础上，研究了试样激光熔池，过渡层和基体中的组织结构，凝固 规律，陶瓷相的转变以及陶瓷相分布和对硬度的影响规律，分析了材料表面硬度 提高的微观机理。 研究结果表明，激光表面重熔和激光熔覆方法可以改善表层组织的分布，细 化晶粒，大幅度的改善材料的表面性能。这些方法对材料的表面改性都是十分有 效的，而且有着极大的实际价值。 关键词 ：等离子喷涂，激光表面熔覆，表面改性，球墨铸铁，锌铝合金 a b s t r a c t d u c t i l ei r o na n da 1 。b a s e da l l o ya r ew i d e l yu s e dm a t e r i a l sf o rt h e i r e x c e ll e n tp r o p e r t i e sa n dc h e a pp r i c e si nm o d e r ni n d u s t r i e s b u tt h e y b e c o m eu n f i tf o rs o m es p e c i a lu s ew h e nm o d e r nt e c h n o l o g i e sg oa h e a d t h a t p r e v e n tt h e mg e t t i n gf u r t h e ra p p l i c a t i o n l a s e rc l a d d i n gi san e w l y d e v e l o p e dt e c h n o l o g yf o r t h em a t e r i a l s s u r f a c ep r o c e s s i n g c o a t i n g s p r o c e s so fa 1 2 0 3c e r a m ic so nd u c til e i r o na n da 1 一b a s e da ll o ys u b s t r a t e p r o d u c e db yp l a s m as p r a y i n gf o l l o w e db yl a s e rc l a d d i n gi su s e dt oi m p r o v e d u c t i l ei r o na n da 1 一b a s e da l l o y ss u r f a c ep r o p e r t i e s a n dt h e nt h e yc a n g e tw i d e ra p p l i c a t i o n i nt h ep a p e r ，m i c r o s t r u c t u r eo ft h em e l t e dz o n ep r o d u c e db yl a s e r c l a d d i n g ，t h em e t a ls u b s t r a t ea n dt h ea f f e c t e dz o n eb e t w e e nt h e m t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e si nt h em e l t e dz o n ea n dt h ea f f e c t e d z o n eh a v eh a dm a n yc h a n g e sf o rt h er a p i ds o l i d i f i c a t i o np r o d u c e db yl a s e r c l a d d i n g t h eg r a i n si nt h em e l t e dz o n ea n dt h ea f f e c t e dz o n ea r em u c h f i n e rt h a nt h o s ei nt h es u b s t r a t e m a r t e n s i t ei sf o r m e di nt h em e l t e dz o n e a n dt h ea f f e c t e dz o n eo ft h ed u c t i1 ei r o n a n dt h e nt h ei n f l u e n c e so f p l a s m as p r a y i n ga n dl a s e rc l a d d i n go nt h es u r f a c eh a r d n e s so fd u c t il ei r o n a n da l - b a s e da lio ya r ein v e s tig a t e d t h er e s ultss h o w t h a tt h es u r f a c e h a r d n e s si sg r e a t l yi m p r o v e da n dt h es t r e n g t h e n i n ge f f o r ti nt h em e l t e d z o n eh a ss o m ed i f f e r e n tw i t ht h a ti nt h ea f f e c t e dz o n e a tl a s t ，t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ec h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r e ，t h ec h a n g e so ft h ea 1 2 0 3 p h a s ea n di t sd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g e so ft h es u r f a c eh a r d n e s sa r e d is c u s s e d t h e1 a s e rc l a d d i n gi sp r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ew a yt oo p t i m i z et h e s u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo ft h ed u c t i l ei r o na n da 1 b a s e da l l o ys o a st o i m p r o v et h e i rs u r f a c ep r o p e r t i e s i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h e m a t e r i a l ss u r f a c ep r o c e s s i n g k e yw o r d s ：p l a s m as p r a y i n g ，l a s e rc l a d d i n g ，s u r f a c ep r o c e s s i n g ，d u c t i l e i r o n ，z n a lb a s e da ll o y i l 第一章绪言 铁的应用改变了人类的生产、生活方式，使人类文明进入了铁器时代。长期 以来，铸铁与钢无论是成分、性能、使用范围还是制造工艺都是泾渭分明的。前 者铸造工艺性能好，可以铸成任意形状，但其强度低，韧塑性更差，只能制造受 力不大的工件。但是球墨铸铁( 以下简称“球铁”) 的出现改变了人类的上述传统 认识，球铁在保留普通铸铁基础成分、工艺性能及多种优点的同时，强度和韧塑 性发生了质变，赶上甚至超过了钢。它的诞生，是继人类发明炼钢技术之后，在 黑色金属应用技术方面又一次大的技术创新，是2 0 世纪材料科学最重大的技术进 展之一。 随着现代工业的迅速发展，传统的钢铁材料越来越难以满足工作中高温、高 速和剧烈磨损的要求，所以近几年来，开始研究球墨铸铁的复合铸造、复合材料 及其它一些梯度材料的制各。如：1 、沈阳铸造所采用球铁碳化钨硬质合金复合 铸造的方法制造高速线材轧机用轧辊环，代替整体硬度合金辊环，而日本则采用 此方法制造钻机的牙轮钻头。2 、球铁白口铸铁( 或不锈钢) 的复合铸造用于制 造发动机进排气门和顶杆及其它要求局部耐热、耐磨、耐蚀的零件。 另外，铝及铝合金作为应用最广泛的有色金属，自出现以来，就以其低廉的 成本，优良的性能得到了广泛的应用。从日常的铝合金门窗制品到航天飞机上的 结构零件，它不但与我们的日常生活和工作息息相关，而且在高精尖领域也受到 了越来越大的重视。到8 0 年代初，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材 料用于制造柴油发动机活塞，从此铝基复合材料的研制与开发工作得到了异乎寻 常的发展。土耳其的s e r o g l u 等人用等离子喷涂技术制得了n i c 卜a 1 m g o _ - z r 0 ： 功能梯度涂层。1 9 9 0 年美国在航天推进系统中形成了3 2 5 0 万美元的高级复合材 料( 主要为m m c ) 市场，年平均增长率达1 6 ，远高于高性能合金的年增长率1 6 ， 其主要产品就是铝基和铝合金基复合材料幢3 。一些研究工作已经说明。8 3 ，在铝和 钢的金属中含有s i c 或a 1 ：0 。粒子或纤维时，其耐磨性及硬度有了很大的提高。就 目前而言，铝及其合金已经成为消耗量仅次于钢铁的第二大金属种类，在国民生 产和社会建设中起着越来越大的作用。 锌铝合金是一种使用范围极为广泛的机械工程材料，它具有良好的耐磨性和其 他机械、物理性能，并且由于比重小，无环境污染，用他莱替代传统的青铜制造 轴套等零件可节约5 0 左右的成本，具有很高的经济和社会效益。但随着应用的不 断拓展，特别是在高速、重载的工况条件下，进一步提高其表面硬度和耐磨性就 显得尤为重要。目前，为了提高锌铝合金的表面硬度和耐磨性有不少的方法，比 如加入稀土元素、低温处理、表面涂层等，但是效果都不太明显。陶瓷材料如氧 化铝具有非常高的硬度和耐磨性，所以在本课题中研究激光熔覆铸铁和锌铝合金 基a 1 ：0 。陶瓷复合层的各项性能，以寻找一种实用的表面增强工艺。 复合材料，尤其是金属基复合材料( k m c ) 是一种新的重要材料。目前在 材料科学领域中对它们的研究和应用也十分活跃。特别在近二十年中随着一些高 科技处理手段的不断完善，使得c v d ，p v d ，激光处理等方法得到了广泛的应用。 许多金属基复合材料技术已经应用到工业生产中。本实验所采用的等离子喷涂方 法，在基体表面镀膜质量很高，分布均匀，且不会改变镀层材料的形态。激光表 面重熔和合金化方法是一种很先进的表面改性方法，它可以改善表层组织，细化 晶粒，大幅度的改善基体的表面性能，而且有着极大的实际价值。 第二章文献综述 第一节球墨铸铁的发展 球铁中的石墨呈球状，因而使其具有优异的性能。球墨铸铁是一个呈辐射状 结晶的多晶体，在明视场下呈辐射状光泽，通过微区x r a y 衍射证实球墨的切面 均为石墨结晶的( 0 0 0 1 ) 面，晶面c 轴指向球心。应该指出的是：我国古代工匠 早在2 0 0 0 年前就已制造出了具有上述特征的球状石墨铸铁。近年来分别从中国河 南巩县出土的西汉( 公元前2 0 6 年到公元8 年) 铁镢及汉魏时代( 公元2 2 0 年至 2 6 5 年) 的“陵右式铸铁件上均发现了上述结构特征的球状石墨。分析表明上述 铸铁件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔制，在金属型中浇注，经热处 理后制成的。现代球铁采用向铁液中添加球化剂的方法使其铸态下析出球状石墨， 这种适合大量生产的工艺方法的出现及发展，使球铁真正登上了工业应用的舞台。 我国现代球铁的研究工作开始于1 9 5 0 年，最先是由中国科学院冶金陶瓷所和 清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺两地进行，采用铜镁合金冲入法研制成功 球铁。此后，国内各大企业及研究所经过八年的不断研究和应用，使得镁系球化 剂及其处理工艺基本成熟和完善。 镁具有很强的球化能力，但是用纯镁作球化剂，对原铁液质量要求严，否则 铸造缺陷严重。在五十年代末期，工业发达国家采用多种措施提高原铁液质量， 适应了镁球铁的要求，因而这些国家的球铁产量逐年大幅度增长。但我国的原铁 液质量较差，镁系球化剂不适应我国当时的铸造生产条件，因而到6 0 年代初，镁 球铁生产维艰，濒于全面下马的边缘。寻求适合我国国情的新型球化剂成为当务 之急。我国有极丰富的稀土资源。1 9 6 1 年包钢又成功地从炉渣中提取出廉价的稀 土，为稀土球化剂提供了充足的原料。1 9 6 4 年，我国研究成功具有我国资源特点 的稀土镁球铁，解决了镁球铁生产中长期存在的夹渣、缩松、球化不良等缺陷。 与原镁球铁相比，稀土镁球铁的铸造性能好，铸造缺陷少，力学性能高，生产简 便安全，并且适应我国的铸造生产条件，在原铁液质量较差的情况下能制造出合 格球铁。通过大力推广应用稀土镁球铁，我国逐步迈进球铁生产大国的行列。 七十年代初，美国、中国、芬兰几乎同时发表了等温淬火球铁的科研成果， 从而在全世界掀起了研究、应用等温淬火球铁的热潮。等温淬火球铁是力学性能 等级最高的球铁品种，也是一类球铁的总称。作为结构材料，等温淬火球铁具有 十分优异的使用性能。与同等韧性指标的普通球铁相比，其强度提高一倍，与合 金钢的强度相当，但其弹性模量低2 0 ，减振性、耐磨性提高。等温淬火球铁的质 量( w ) 与屈服强度( ys ) 的比值( w ys ) 是锻钢的5 0 ，低于铸铝、铸钢、 普通球铁、与热处理合金钢相当，这意味着它是轻而坚固的材料。因此，它是2 1 世纪竞争能力很强的材料。 我国等温淬火球铁研究的历史很长，但至今主要用于凸轮轴、磨球等零件， 没有形成齿轮等重要铸件的大批量生产能力，另外，标准牌号也只有qt 1 2 0 0 - 1 一种，亦显落后，是今后我国球铁研究的主要方向。 球铁件的力学性能( 硬度、伸长率、抗拉强度) 主要由基体中的珠光体和铁 素体数量、石墨球数量及其圆整度所决定。球铁生产初期，由于工艺尚不成熟， 质量尚不稳定，因而球铁多用来制作受力不大的小零件和机修配件。五十年代初 期，国外开始试验用球铁制造柴油机、汽油机的重要结构零件一一曲轴，引起我 国机械工业的重视。此后，国内几家企业相继开展了试验工作。一机部汽车局子 1 9 5 7 年1 1 月在天津动力机厂召开了铸铁曲轴经验交流会议，讨论了球铁曲轴的质 量控制原则，制订了球铁曲轴的技术条件、检验方法。球铁曲轴的成功应用，标 志着我国的球铁应用达到了较高的水平，球铁作为一种真正的工程材料登上了机 械工业舞台。 此外，球铁在其它零件上的应用也进行了大量的试验研究工作，并将其应用 于凸轮轴、正时齿轮、阀门、减速器齿轮等零件。 近一二十年来，球铁的产量和比例逐年增长，是增幅最大的铸件品种，其中 离心铸管的产量更是急剧增长，成为球铁的最大用户。离心球铁管由于强度高、 塑性好、耐腐蚀性好等优点，在供水、输气管道中大量应用。工业发达国家的离 心球铁管产量已占铸管总产量的9 5 一9 8 ，球铁总产量的4 0 一5 0 ，成为球铁的 最大用户。 随着等温淬火球铁工艺选择、等温淬火设备及自动检测系统的日趋完善，等 温淬火球铁在典型零件，如齿轮、闸瓦、车轮、磨球、磨盘等上的应用也日益广 泛。但在我国等温淬火球铁至今仍主要用于凸轮轴、磨球等零件，没有形成齿轮 等重要铸件的大批量生产能力。 随着现代工业的迅速发展，传统的钢铁材料越来越难以满足工作中高温、高 速和剧烈磨损的要求，所以近几年来，人们开始研究球墨铸铁的复合铸造、复合 材料及其它一些梯度材料的制备。如：l 、沈阳铸造所采用球铁碳化钨硬质合金 复合铸造的方法制造高速线材轧机用轧辊环，代替整体硬度合金辊环，而日本则 采用此方法制造钻机的牙轮钻头。2 、球铁自口铸铁( 或不锈钢) 的复合铸造用 于制造发动机进排气门和顶杆及其它要求局部耐热、耐磨、耐蚀的零件。3 、为 解决凸轮轴的耐磨问题，目前世界上6 0 以上的汽车凸轮轴都采用冷激合金铸铁的 材料。冷激合金铸铁凸轮轴是以一定的合金成分的铁液浇入凸轮桃尖由冷铁快速 冷却的型腔中，使凸轮桃尖表面形成2 7 m m 深度的莱氏体( 白口) 组织，这层莱 氏体是由很硬而脆的片状碳化物和较软的珠光体组成。在摩擦中，碳化物起骨架 作用，珠光体起储油作用。故该材质具有较好的储油和油膜保持性，其抗擦伤性、 耐磨性均较好。同样，等离子喷涂和激光表面改性都是很好的表面复合方法。 第二节铝与铝合金的发展 1 8 8 6 年美国的霍尔( h a l l ) 和法国的赫罗尔特( h 6 r o u l t ) 在各自进行的研究 中找到了一种经济的电解提炼铝的方法。从此，铝终于成为了一种实用的工业金 属。由于铝除了重量轻之外，其它技术性能如抗蚀性，导电性，导热性和机械加 工性能都非常优秀，加之储量丰富，占地壳总重量的8 ，所以在国民经济发展中 得到了广泛的应用，产量亦逐年上升。自1 9 0 0 年到1 9 5 0 年的5 0 年间，铝的世界 产量增加了2 5 0 倍，由6 0 0 0 吨左右增加到1 5 0 万吨。其后的2 5 年内产量又增加 了8 倍，超过铜而成为第二个用得最多的金属。在1 9 7 5 年，原铝产量为1 5 1 0 万 吨，而铜是9 4 0 万吨。如果按体积计算，铝的消费量就大得更多了。 随着使用范围的不断扩大，原铝的性能已经不能满足不同领域对其性能参数的 不同要求。这时，人们就开始往原铝中加入c u ，m g ，z n ，m n ，l i 等多种元素 添加剂，以制备具有某些特殊性能的铝合金材料。1 9 0 6 年，艾尔弗雷德威尔姆 ( a 1 f r e dw i l m ) 为了寻求一种强度较大的铝合金以代替黄铜制造弹壳，在柏林研 究出了名为硬铝的铝合金，该合金很快就用来制造齐柏林飞艇的构件，后来又用 于飞机构件。对超音速飞机如协和式飞机的兴趣，激起了对能长期如5 0 0 0 0 小时 在1 2 0 温度下工作的具有较高蠕变强度的薄板合金的需要。这样一来，r r 5 8 ( 2 6 1 8 ) 就应运而生。同时，其它各种铝合金也如雨后春笋般不断出现，满足了 各种不同类型的特殊要求。蹲1 本实验所研究的锌铝合金，是一种使用范围极为广泛的机械工程材料。5 0 年 代末期出现国际性的铜，锡资源紧张局面，以及压铸合金受到铝合金和塑料工业 的冲击时，锌铝合金的市场和应用研究才开始转向重力铸造合金方面。1 9 5 9 年国 际铅锌研究协会( i l z r o ) 组织了一项锌铝合金的开发项目，于1 9 6 2 年研制出 i l z r 0 1 2 合金，该合金含a 1 2 ，c u o 7 5 ，m g o 0 1 5 。后来加拿大n o r a n d a 研究中 心研制成功z a l 2 合金大大提高了i l z r 0 1 2 合金的冲击韧性，迅速打开了国际市场 销路。为了使锌铝合金能同黄铜等制品做有效的竞争，n o r a n d a 研究中心又从7 0 年代开始相继研制出z a 8 和z a 2 7 两个新牌号的重力铸造合金，从而形成了新的铸 造锌铝合金系列。使锌铝合金成为铜，锡青铜和铝青铜等材料的廉价替代品，具 有广阔的应用前景。但其表面硬度偏低，尤其是当它用在需要进行机械运动的环 境中时，这个缺点尤为明显。目前，为了提高锌铝合金的表面硬度和耐磨性有不 少的方法，比如加入稀土元素、低温处理、表面涂层等，但是效果都不太明显。 陶瓷材料如氧化铝、碳化硅，氮化硅等具有非常高的硬度和耐磨性，尤其是氧化 铝性价比更高。所以在本文中研究激光处理锌铝合金基a 1 ：0 。陶瓷复合层的各项特 性，试图找到一种实用的锌铝合金表面增强工艺。等离子喷涂和激光表面改性都 是很好的表面增强方法。 第三节等离子喷涂技术 等离子喷涂法是以等离子弧为热源将喷涂材料加热至熔化、半熔化或塑性状 态，然后高速从喷嘴喷出，并以高速微粒碰撞在基体表面形成较厚的膜层。其特 点是机动灵活，适合大型复杂工件的表面改性。 1 等离子热源的特点和应用： 通常，在正负两电极间因气体放电便产生电弧，由于该电弧经压缩后具有高 电离和高能量密度，因此气体分子电离结果必然形成许多带电粒子( 包括电子和 阳离子) ，而且正负电荷数相同，故称等离子弧( 见图2 1 ) 。 图2 1 等离子弧示意图 其最大特点是：温度和能量密度高以及输出功率大( 见表2 1 ) 。 表2 - 1等离子热源参数 等离子热源种类温度( k )能量密度( w c m 2 )输出功率( k w ) 空气中屯弧 1 0 0 0 01 0 45 0 等离子喷射2 0 0 0 01 0 5一2 0 0 聚束等离子束 3 0 0 0 05 1 0 5 1 0 65 0 0 因此，利用等离子弧发出的热量，可以进行许多加工和处理，从而促进了等离 子技术的发展和在焊接、切割、喷涂、表面改性、制造超微粒材料、熔化以及精 炼等方面的应用。 2 等离子喷涂原理： 等离子喷涂是热喷涂方法之一，其成膜过程如下：以等离子电弧为热源，将 惰性气体a r 气( 或是n ：或h e ) 加热，由于等离子弧温度可达2 0 0 0 0 ，从而使气 体分子分解为原子或离子。而且，气体在喷枪内以很高的速度喷出，其速度为音 速的几倍。这种高能量的气体载体便将要喷涂的粉末颗粒带入等离子喷嘴内，最 后将熔化的颗粒喷射到需喷涂的基体上( 见图2 2 ) 。 冷姆承j 2 一：萼离千q s 一唆硷坍未麓请进用气球f a r 气 ! ! , , l h m i ，, l i l 雪竺射? 5 一电性i 己承i 旨一整篪藉，7 一禽妊釜生器i 且喷球簿肢- 鲁一差 矗j j o 二- 电鲢- n _ 二酣韫地一甬拯 图2 2 等离子喷涂示意图 3 等离子喷涂特点： 采用等离子喷涂金属薄板时，基板上的温度在空冷下也能保持在2 0 0 c 以下， 其主要特点是： ( 1 )不变形，即使经精加工的部位也能喷涂； ( 2 ) 对被喷材料不会引起组织变化； ( 3 ) 喷涂过程不会引起基板氧化； ( 4 ) 即使熔点低的a 1 、s n 、z n 合金基板以及某些塑料也可以喷涂。 喷涂材料与被喷基板可以自由选择和组合。而且，采用等离子喷涂法，几乎 什么材料都可以喷涂在零件表面上。 ， 第四节激光表面改性技术 激光表面改性是以激光作为热源的热处理技术。它研究金属材料在激光作用下 组织和性质的变化规律，以及它在工业应用中所必须解决的工艺及装备。因此， 激光热处理涉及光学、材料科学与工程、机械和计算机等多门学科。采用激光对 材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年来迅速发展起来的材料表面新技 术，是材料科学的最新领域之一h 川p 川。虽然，目前激光热处理在热处理行业总 产值中所占分额还不大，但其应用前景光明。 2 4 1 激光及激光器 激光是一种受激发射，频率宽度很窄的一种特殊的光。自1 9 6 0 年发明第一台 激光器以来，人们对激光的特性进行了广泛的研究，并论证了激光的应用前景。 研究发现它具有单色性、相干性，方向性和高能量密度等四大特点。在这些特点 中激光束的空间相干性和方向性对它的聚焦性能有重要影响。激光用于表面处理 有其独特的优点，金属对激光的吸收系数达1 0 5 1 0 6 ，吸收过程发生在其表面0 0 1 - - 0 i m m 厚的薄层内。激光表面处理的深度决定于由表面向内部热扩散的距离，其 值很小，且易于控制。激光束可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦，经聚焦后， 可以将激光的巨大能量聚焦到直径为光波波长数量级的光斑上，形成极高的能量 密度，例如可产生1 0 5 w c m 2 一l o l 3 w c m 2 的功率密度( 辐照度) n 引。激光可准确地引 导至部件表面的不同部位，或在一定区域扫描。对部件表面作局部处理，功率密 度可准确控制，输入部件的能量小，部件的变形小，处理后表面可以不再进行加 工或只需少量加工。此外激光没有化学污染，具有加工速度快，无噪声，易于传 输，切换和自动控制的优点。激光的这些特性使激光可以聚焦产生巨大的功率密 度，而使激光加工成为可能。 激光技术经过四十多年的研究，已经可以生产出各种各样的激光器，按照其激 发原理可分为气体激光器和固体激光器两类。 以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质的激光器称为气体激光器。气 体激光器是以气体放电为主要的激励方式。气体放电是指在外加电场作用下，气 体中产生电流形成电离气体的现象。气体激光器是种类最多、应用最广泛的一类 激光器。其主要优点表现在： 1 工作物质均匀。它保证了激光束的优良光束质量，使大部分的气体激光 器能接近高斯分布的光束模式。在激光束的相干性、单色性方面，它优 于固体激光器。 2 谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱 线接近万余条。谱线范围从亚毫米波到真空紫外波段。 3 激光输出功率大，既能连续又能脉冲工作，且效率高。气体激光器容易 实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得 很大功率输出。例如高功率电激励c 晚激光器连续输出功率已达数万瓦以 上。 气体激光器还具有结构简单、运行费用低等优点，因而在工农业生产、科学研 究、材料加工等领域有广泛的应用价值。目前常用的气体激光器有氦氖激光器、 氩离子激光器、二氧化碳激光器等。一般在材料表面加工中常使用横流高功率二 氧化碳激光器副。 固体激光器主要采用光泵浦。固体工作物质中的激活粒子吸收某些波段的光 能。在工作物质中造成粒子束反转，形成激光。由于泵浦方式与气体激光器不相 同，因此激光器的基本组成构成、特性也不相同。固体激光器的主要特点是：运 行方式多样、固体工作物质种类多、导光系统简单，制作容易、结构紧凑，牢固 耐用。 2 4 2 激光加工工艺与特性 使用激光加工金属工件就是将激光束照射到加工物体的表面，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，因此属于无接触加工。通过激 光表面处理加工，被处理的部件发生物理，化学变化，可显著地提高材料的硬度、 强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，成倍地延长产 品使用寿命和降低成本，取得巨大的经济效益。 激光对金属的表面处理是七十年代出现大功率激光器之后才开始研究的课题， 它首先被用在对黑色金属进行处理，并迅速得以工业应用，比如汽车行业的汽缸 套，曲轴以及金属模的激光表面处理等。而对于有色金属的处理是近年来刚涉及 的课题，尤其是作为有色金属中用量较大的铝合金的激光表面处理的研究。由于 铝合金有较高的比强度，但由于其硬度低，耐磨性不高而使应用受到限制。已有 的研究表明激光处理能有效地改善合金的性能，明显提高其表明硬度及耐磨性， 耐蚀性并揭示了此项技术在工业上广泛的应用前景。 激光热处理包含多种工艺：激光相变硬化( 淬火) 和退火、激光熔覆、激光熔 凝和合金化、激光非晶化和微晶化、激光冲击硬化等。上述各种激光热处理工艺 共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律及其金属学行为。它们各自的特点 如表2 - 2 所示。 表2 2 各种激光热处理工艺的特点 工艺方法功率密度( w c m 2 )冷却速度( c s )作用区深度( m m ) 激光淬火 1 0 4 1 0 51 0 4 一1 0 50 2 - 3 激光合金化 1 0 4 1 0 61 0 4 1 0 50 2 - 2 激光熔覆1 0 4 1 0 6 1 0 4 1 0 6 0 2 - 2 激光非品化 1 0 6 1 0 1 01 0 6 1 0 m0 0 1 - 0 1 激光冲击硬化1 0 9 1 0 1 21 0 4 一1 0 60 0 2 - 0 2 在激光对合金材料表面进行处理的多种工艺方法中，最常用的是激光表面重熔， 激光熔覆和合金化技术。 2 4 3 激光表面重熔，激光熔覆和合金化 激光表面重熔和合金化处理所用激光器一般为工业用c o ：横流连续千瓦级激光 器。为防止表面氧化，一般在处理时用n ：保护。根据处理后熔化区组织特征可分 为激光表面重熔，激光熔覆和激光表面合金化三类： 1 激光表面重熔： 用一定功率的激光束快速扫描，使工件表面熔化并迅速凝固。从而改善表层组 织的分布，细化晶粒。这样的熔化可以进行一次或重复多次。在处理前，为防止 激光在合金表面的反射，先对待处理的工件表面进行黑化处理。经过激光表面重 熔处理后，晶粒细化的原因是由于表面熔化时，基体迅速吸热，产生很大的冷却 速度和形核率，在晶粒来不及长大之前便已凝固。 目前国内有不少单位进行了激光重熔处理的研究。使用铸造a l s i 合金为基材 进行激光重熔处理，发现铸造a l s i 合金经重熔处理后的组织分为熔化区和过渡 区两层。在熔化区，由于熔池中存在温度梯度，在液固界面前沿出现成分过冷 区，这样会得到树枝状或胞状组织，同时共晶组织的树枝干大为细化，变为原来 的十分之一。过渡区组织是以原共晶相界面作外延生长而来。试样的硬度在经过 激光重熔处理后增长了6 0 - - 9 0 ，耐磨性测试表明试样的耐磨性也有明显提高n 。 而在以铝合金为基材的激光重熔处理试验中，结果表明铝合金的硬度也提高了近2 倍n 副。国外的研究则更为系统深入，在对a 卜c u 3 3 w t 合金进行激光熔化处理并对 处理后熔区枝晶进行微观计算机模拟及测量，得出凝固速度影响枝晶分布的规律 【4 】 o 2 激光熔覆： 将具有某种特殊性能( 耐磨、耐蚀、耐热等) 的预制粉末涂覆于合金表面，或 者在处理的同时喷涂于处理的区域，使之在激光高密度的作用下与金属基体迅速 混合，并以冶金方式结合。从而形成具有特殊性能的表面包覆层。这样的预制粉 末可以是合金粉也可以是非合金粉。如a 1 ：0 。，s i c 等陶瓷颗粒，具有硬度高、耐 磨性好、耐化学腐蚀、高温强度高、热稳定性好，热膨胀系数小等一系列优点。 在合金表面形成陶瓷薄膜或陶瓷微粒强化层，可大大提高合金表面的强度和耐磨 性。 3 激光表面合金化： 经一定的预处理后，在合金表面涂覆所需合金元素层，经激光扫描后，金属表 面与涂层熔化并相互扩散，形成了具有不同化学成分的新的合金化层。因此以这 样的工艺制备出的材料属于金属基复合材料的范畴。 目前，在各种合金中，以铝合金作为基材进行激光表面合金化的研究较多。加 入的合金元素，要考虑它们的相互作用或与基体作用能够形成新的强化相，常用 的合金元素有c r ，n i ，f e ，s i ，c u ，b 等。激光表面合金化的工艺过程大致为： 基材表面预处理，用喷涂或胶结剂混合涂覆的方法将合金元素涂在铝合金表面， 最后在保护气氛下进行激光照射。激光功率为1 2 - - 2 2k w m m 2 ，移动速度为2 2 0 m m s 。经过处理后硬化层深度在0 5 - - 2 8 m m 范围内变化，合金硬度可提高到原 来的5 一l o 倍一一。根据显微测试，发现在熔化层中，合金元素的分布是不均匀的， 在熔化区和基体交界处，容易发生成分偏析，结果导致析出相的集聚。成分的偏 析程度由合金元素粉末加入量和激光处理参数所决定。选用化合物粒子加入到熔 化区进行强化时，除考虑化合物粒子本身的硬度和热稳定性外，还应考虑与铝合 金的相容性。即粒子的溶解，湿润性，线性膨胀系数与比体积的差异。为了保证 强化效果又不出现裂纹，避免分布的不均，要对加入量及处理参数进行优化。 第三章实验过程弟二覃头题赳柱 第一节等离子喷涂和激光表面熔覆 3 1 1 等离子喷涂 在锌铝合金表面形成a 1 ：0 。薄膜有多种方法，包括物理气相沉积( p v d ) ，化学 气相沉积( c v d ) 或直接手工涂覆。本实验着重于研究经过多道工序处理后试样的 微观结构与性能，因此希望a 1 ：0 。薄膜能够尽可能的均匀，且应该易于控制薄膜的 各项物理性能指标，经过比较后确定：等离子喷涂法进行镀膜处理能够很好地满 足实验要求。 使用上海市硅酸盐研究所的等离子喷涂机，以a 1 ：0 。粉末为喷涂材料，以球墨 铸铁和锌铝合金材料为基材，在球墨铸铁和锌铝合金材料表面得到了厚度约为 0 3 - 0 5 m m 的a 1 ：0 。涂层。 3 1 2 激光表面熔覆 经等离子喷涂后形成的a 1 ：0 。膜与球墨铸铁和锌铝合金基体间的结合力并不十 分牢固，经过磨擦后可能会脱落。因此为了增强膜层与球墨铸铁和锌铝合金基体 间的结合力，必须使用高能激光束使之重熔，以形成冶金结合。 使用中国科学院上海光学精密机械研究所自制横流5 千瓦级c 0 ：激光器，对经 过成膜处理的球墨铸铁和锌铝合金基片进行激光扫描处理。为了研究不同的激光 处理参数对试样性能和结构的影响，将样品分组分别进行不同的处理。实验中所 用的激光参数如下表3 1 所示： 表3 1球墨铸铁激光熔覆工艺参数表 编号 基体组织涂层激光功率扫描速度光斑直径 ( k w ) ( c m m i n ) ( m m ) c a s t i r o n 1 撑 f + pa 11 0 。 3 5 0 0 2 c a s t i r o n 一2 # f + p f3 5 0 o 2 c a s t i r o n 一3 # p a 1 ：0 。3 5 0 o 2 c a s t i r o n 一8 # p 3 5 0 o 2 z n - a 12 #q + b2 1 0 0 0 2 z n - a 1- 3 - - a + ba 1 ：0 3 1 0 0 o 2一 木f 一铁素体；p 一珠光体；f + p 一铁素体+ 珠光体 术q 富铝丰目：b 一富锌卡目 球墨铸铁和锌铝合金基片经过激光扫描处理后，在其表面形成明显的两边凹， 中间凸的扫描线。见图3 1 一描线 图3 1 样品熔池扫描线 第二节试样制备与观察研究 3 2 1 试样制备 1 金相试样制备 1 ) 截取 根据实验的设计要求，需要对激光处理横截面进行分析。因此如图4 2 1 所示 切割圆片试样，得到横截面积约为1i m m x 6 m m 的小块试样。 图4 2 试样切窭l l 示膏 2 ) 磨光和抛光 将切割后的试样用特制的夹具夹持，使用1 井一0 6 # 的金相砂纸依次对试样的横 截面进行磨光，直至在横截面上没有明显的划痕。然后在电动抛光机上依次用w 3 和w 1 5 金刚石研磨膏对试样的横截面进行抛光。经过抛光处理后用金相显微镜观 察试样的横截面应该看不见划痕。 3 ) 腐蚀 由于抛光磨面表层存在非晶态的拜尔培层乜1 1 的缘故，使各组成相的反光能力差 别极小，所以抛光磨面上的金相组织是看不出来的。为了把磨面表层的非晶态除 去，同时还要把各个不同的组成相显著地区别开来，得到有关显微组织的信息， 在实验中使用5 硝酸一酒精对试样抛光磨面进行化学浸蚀。 3 2 2 观察金相组织形貌 使用l i z c a 金相显微镜观察经过抛光和腐蚀后的试样。观察倍数为5 0 至2 0 0 倍，观察对象：激光重熔区整体形貌，细晶区形貌，过渡区形貌，基体区形貌。 并且对于具有显著金相特征的区域拍摄金相照片。 3 2 3 硬度测试 本实验的主要目的就是要改善球墨铸铁和锌铝合金的表面性能，而主要方面之 一就是增强球墨铸铁和锌铝合金表面的硬度；所以测量经激光处理后试样的表面 硬度有重要的意义。 在实验中使用m a t s u z a w am h t - i 型显微硬度计，测量试样从重熔区表面至基体 的硬度，得到一系列相应的硬度曲线。 3 2 4 微观结构和成分分析 为了解释和说明球墨铸铁和锌铝合金基陶瓷复合层的宏观特性，必须从微观相 结构及相成分方面深入分析。在实验中使用x l 3 0f e g 环境扫描电子显微镜( 带e d s 能谱) 和h s 0 0 透射电子显微镜，对试样微观的微观组织进行分析，讨论了试样组 织的变化规律和组织变化与硬度等表面性能变化之间的关系。 第四章球墨铸铁基a 1 ：0 ，陶瓷激光重熔区的组织与性能 41 1 重熔区形貌 第一节激光重熔区形貌 利用等离子喷涂方法在球墨铸铁表面生成a i n 的涂层，在滁层与球墨铸铁基 体z 间有一层过渡层，呈白亮色，如图4l 所示，其结合并不牢靠所以需要进 行激光处理，以提高界而结合。 圈41 过渡区白亮层形靛5 0 表面涂覆a l ：0 ：的球墨铸铁台金试样经过激光处理后在馓光扫描的轨迹上形 成重熔区。重熔区的形貌图如图4 2 和图43 所示。 圉42 重熔区示意图 惴池区 过渡医 丝体 囤43 重培区盒相形魏4 从图中可以看出：经激光处理后，试样上形成了近似半圆形的重熔区将重 熔区部分抛光、腐蚀，然后在金相显微镜下观察。我们发现重熔区中根据金相组 织的差异可以明显地分为两部分即熔池区( 细晶区) 以及熔池区与基体之例过渡 区( 热影响区) 。 41 2 熔池区的组织形貌 在整个重熔区中熔池区处于靠近表面的位置。图4 4 是试样熔池区部分的金 相显微形貌照片。 从图4 4 中可观察到未经 l ：也镀膜处理的试块的熔池匡中大量存在莱氏体组 织且组织生长方向垂直于熔池区的曲面并指向试块表面。这主要是液体金属结 晶及晶体生长所造成的。 1 、熔池中莱氏体的形成 熔池中菜氏体位于熔池区的中上部，其形态见下圈44 48 。 图44 熔池细晶区荠氏体组织金相4 0 0 x 圈45 熔池细晶区菜氏体组织图46 熔池细晶区菜氏体组织 图471 # 试样莱氏体组织3 0 k 图483 # 试样莱氏体组织2 0 k x 在熔池的冷却过程中，随着温度的降低，渗碳体首先从液体金属中析出并不 断长大。当温度降至球墨铸铁的共晶温度以下时，发生共晶转变，这时奥氏体晶 核出现在渗碳体晶粒锯齿分枝之间，并生长成树枝状晶粒，奥氏体形成一个个长 圆形的“芯子”位于连续的渗碳体之中，构成了莱氏体组织。 2 、熔池区中莱氏体的生长 熔池区中莱氏体的生长与熔池散热方向密切相关。在高能激光束作用下的动 态凝固中，熔池主要靠已结晶的晶粒固体散热。显然垂直于熔池边界方向上的温 度梯度。卯a x 最大“”，因而散热最快。晶粒的散热条件越好，则生长条件越有利。 合金熔池的边界是椭球形的曲面。 国49 台金熔池截面的等温线分布 这个曲面就是结晶等温面。熔池的最大散热方向必然垂直于结晶等温面。因 此品粒的生长方向也应垂直于结品等温面，形成沿散热方向得到主要发展的树 枝状品粒。从圈44 可以明显地看出这个生长趋势。 4l 3 过渡区的组织形貌 过渡区处于细晶区和基体区域之剧，其金相组织与熔池区有一定的差别。从 图4l o 中可以观察到过渡区中存在着马氏体、莱氏体、牛眼状石墨、残余奥氏件 等混合组织。石墨周围由莱氏体和马氏体环绕。 ( b ) 图41 0 过渡区的组织形貌4 0 0 圈41 1 进渡区石墨与周围马氏体与 围412 过渡区石墨与周围莱氏体与 莱氏体缀织马氏体组织 由图41 1 4 1 2 可见，石墨周围马氏体与莱氏体的环绕方式有石墨+ 马氏体+ 莱氏体和石墨+ 菜氏体+ 马氏体两种。表明两种石墨的状态并不完全相同，前一种 石墨本身并没有溶解只是石墨中碳受热扩散形成马氏体环绕层，而后一种石墨 本身部分溶解造成高碳区冷却形成莱氏体环绕层。 为了更进一步研究过渡区中组织形态的分布，本文使用h 一8 0 0 透射电子显微 镜对试样过渡区进行了观察，结果如下： ll # 试样组织形貌 圈41 7 莱氏体十马氏体2 0 k 图41 8 片状马氏体12 k x 囝419 片状马氏体3 0 k 图42 0 混合马氏体2 0 k 囤42 1 板条马氏体4 0 k x囤42 2 细小马氏体2 0 k x 山上图可推断出，在冷却过程中，过渡区为固液界面，冷却速度最大而且 石墨球熔解较少其碳含量比熔池中上部的莱氏体区低，所以形成了马氏体组织。 而且从马氏体医向莱氏体区移动，由于冷却速度下降和碳含量的上升，马氏体类 型也有所改变，由细小的扳条马氏体逐渐变化为粗大的针状马氏体。再靠近莱氏 体区域组织变化为马氏体与莱氏体的混合组织。 4 1 4 基体区的组织形貌 基体区未受激光能束的影响，它的组织形貌是由浇铸态通过自然冷却形成的， 因此其保持了铸态珠光体球墨铸铁原有的金相组织，从图4 2 3 中我们可以看到试 样的基体区中存在大量的珠光体组织和石墨球。 图42 3 基体区形貌4 0 0 x 第二节重熔区陶瓷相的分布和转变 4 2l 重熔区陶瓷相的分布 球墨铸铁 l n 涂层在经过激光束扫描以后，其形貌如图42 4 图42 6 所示。 j n 涂层一部分熔入熔池组织之中，另一部分咀 lz 0 ，颗粒的形式镶嵌在熔池区组 织内。( 见图4 2 7 ，4 3 1 ，4 3 2 ) 图42 41 # 试样截面总形貌圈42 5l # 试样熔池区形貌 围42 61 # 试样过渡区形貌 囤42 81 # 试样点1 能谱 j一 图43 01 #