（材料学专业论文）铝合金表面激光金属间铝化物复合强化.pdf

- 原创性声明 l i i 1 1i i ii iii ii i iii il y 17 9 14 4 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邀矬 日期：型：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：勃廷趣起导师签名：掣日期：型丝：兰兰f 山东大学硕士论文 目录 摘要i a i ；s t r a c t i i 第一章前言1 1 1 激光表面处理技术1 1 1 1 金属对激光的吸收率及提高方法2 1 1 2 熔池对流机制3 1 1 3 合金层稀释率问题4 1 1 4 合金强化层的凝固过程机理分析4 1 2 铝合金激光表面强化方法6 1 2 1 合金材料的基本要求及添加方法7 1 2 2 铝合金表面预处理8 1 2 3 铝合金激光表面重熔9 1 2 4 铝合金激光表面合金化1 0 1 2 5 铝合金激光表面熔覆1 1 1 2 6 铝合金表面激光强化存在的问题1 2 1 3 本文研究的目的和主要内容1 4 1 3 1 研究的目的1 4 1 3 2 主要研究内容1 4 第二章实验方法与步骤1 5 2 1 铝合金基体材料及预置粉末方式1 5 2 2 激光扫描参数设计1 5 2 3 组织性能测试设备及方法1 8 2 3 1 试样制备方法1 8 2 3 2 微观组织观察与分析1 8 2 3 3 硬度、耐磨性、高温抗氧化性能测试1 9 第三章实验结果与理论分析2 0 3 1n i 合金强化层的形貌与组织分析2 1 3 1 1 激光功率密度对n i 强化层的相貌影响2 1 山东大学硕士论文 3 1 2 强化层形成的n i - a 1 金属间化合物2 9 3 2t i 合金强化层的形貌与组织分析3 0 3 2 1 扫描速度对t i 强化层的形貌与组织性能的影响3 0 3 2 2t i 合金强化层的组织形貌微观分析3 3 3 2 3 强化层形成的t i m 金属问化合物3 8 3 3n i - t i 合金强化层的形貌与组织分析3 9 3 3 1 不同配比的n i - t i 合金强化层组织形貌分析3 9 3 3 2 强化层生成的金属问化合物4 5 3 4 铝合金激光表面强化常见缺陷及改善措施4 7 3 4 1 气孔缺陷4 7 3 4 2 开裂缺陷4 8 3 4 3 能量叠加与过热缺陷5 0 3 5 本章小结5 1 第四章强化层性能测试5 3 4 1 激光强化层的硬度5 3 4 1 1n i 强化层的硬度分析5 5 4 1 2t i 强化层的硬度分析5 7 4 1 3n i - t i 强化层的硬度分析6 0 4 2 试样的磨损测试与机理分析6 1 4 2 1 磨损性能测试6 l 4 2 2 磨损机理6 3 4 3 强化层的高温性能测试6 5 4 4 本章小结6 6 第五章结论6 7 参考文献6 9 致谢7 4 攻读硕士学位期间的学术成果7 5 山东大学硕： 论文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1l a s e rs u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g y 1 1 1 1l a s e ra b s o r p t i v i t yo f m e t a la n di m p r o v i n gw a y s 2 1 1 2p o o lc o n v e c t i o nm e c h a n i s m 3 1 1 3d i l u t i o nr a t eo fa l l o yl a y e r 4 1 1 4m e c h a n i s mo fa l l o ys t r e n g t h e n e dl a y e rs o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e s 4 1 2a l u m i n u ma l l o yl a s e rs u r f a c es t r e n g t h e n i n gm e t h o d s 6 1 2 1a l l o yp o w d e rr e q u i r e m e n t sa n da d d i n gm e t h o d s 7 1 2 2a l u m i n u ma l l o ys u r f a c ep r e t r e a t m e n t 8 1 2 3a l u m i n u ma l l o yl a s e rs u r f a c er e m e l t i n g 9 1 2 4a l u m i n u ma l l o yl a s e rs u r f a c ea l l o y i n g 10 1 2 5a l u m i n u ma l l o yl a s e rs u r f a c ec l a d d i n g 11 1 2 6p r o b l e m so na l u m i n u ma l l o yl a s e rs u r f a c es t r e n g t h e n i n g 1 2 1 3t h ep u r p o s em a i nc o n t e n t so f t h es t u d y 1 4 1 3 1p u r p o s eo f t h es t u d y 1 4 1 3 ：! m a i nc o n t e n t s 1 4 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 15 2 1a l u m i n u mp o w d e rm a t r i xm a t e r i a la n dp r e s e tm o d e 15 2 2d e s i g no f l a s e rs c a n n i n gp a r a m e t e r s 1 5 2 3t e s te q u i p m e n t sa n dt e s tm e t h o d so f m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 18 2 3 1 s a m p l ep r e p a r a t i o n 18 2 3 2m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s 18 2 3 3 p e r f o r m a n c et e s t sf o rh a r d n e s s ， a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n do x i d a t i o n r e s i s t a n c e 1 9 i i i c h a p t e r3e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s 2 0 3 1m o r p h o l o g ya n a l y s i so f t ia l l o ys t r e n g t h e n e dl a y e r ”2 1 3 1 1e f f e c to fl a s e rp o w e rd e n s i t yo nm o r p h o l o g yo fn is t r e n g t h e n e dl a y e r 2 1 3 1 2n i - a ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sf o r m e di ns t r e n g t h e n e dl a y e r 2 9 3 2m o r p h o l o g ya n a l y s i so ft ia l l o ys t r e n g t h e n e dl a y e r 3 0 3 2 1e f f e c to fs c a n n i n gs p e e do nm o r p h o l o g ya n dp r o p e r t i e so ft ia l l o y l a y e r ”3 0 3 2 2m i c r o s c o p i cm o r p h o l o g ya n a l y s i so f t ia l l o ys t r e n g t h e n e dl a y e r 3 3 3 2 3t i a li n t e r m e t a l l i cc o m p o u n df o r m e di ns t r e n g t h e n e dl a y e r 3 8 3 3m o r p h o l o g ya n a l y s i so f n i - t ia l l o ys t r e n g t h e n e dl a y e r 3 9 3 3 1m o r p h o l o g ya n a l y s i so fs t r e n g t h e n e dl a y e rf o rn i - t ia l l o yw i t hd i f f e r e n t p r o p o r t i o n s 3 9 3 3 2i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d si ns t r e n g t h e n e dl a y e r 4 5 3 4c o m m o nd e f e c t sa n di m p r o v e m e n tm e a s u r e sf o ra l u m i n i u ma l l o y sl a s e r s u r f a c es t r e n t h e n e dl a y e r 4 7 3 4 1g a sh o l ed e f e c t s 4 7 3 4 2c r a c kd e f e c t s 4 8 3 4 3s u p e r p o s i t i o no f e n e r g ya n do v e r h e a t i n gd e f e c t s 5 0 3 5s u m m a r y 51 c h a p t e r4p e r f o r m a n c e t e s t sf o rs t r e n g t h e nl a y e r 5 3 4 1h a r d n e s so fl a s e rs t r e n g t h e nl a y e r 。5 3 4 1 1h a r d n e s sa n a l y s i so f n is t r e n g t h e nl a y e r 5 5 4 1 2h a r d n e s sa n a l y s i so f t is t r e n g t h e nl a y e r 5 7 4 1 3h a r d n e s sa n a l y s i so f n i - t is t r e n g 吐l e nl a y e r 6 0 4 2w e a rt e s ta n dm e c h a n i s m 6 1 4 2 1w e a rp e r f o r m a n c et e s t 6 1 4 2 2w e a rm e c h a n i s m 6 3 4 3h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c et e s t 6 5 4 4s u m m a r y 6 6 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n s 6 7 t v 山东大学硕十论文 r e f e r e n c e s 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t 7 4 t h e p u b f i s h e da c a d e m i cp a p e r sd u r i n gs t u d y i n g f o rt h em a s t e rd e g r e e 7 5 v 山东大学硕士论文 v i 山东大学硕士论文 摘要 铝合金表面激光金属间铝化物复合强化 本文利用激光强化技术，采用高功率连续波的y a g 固体激光器对预置了n i 、 t i 等粉末的2 0 2 4 铝合金基体表面进行激光强化处理，以期原位反应生成铝的金属 间化合物，从而提高铝合金表面的硬度、耐磨损及耐高温抗氧化性能。 在氩气保护的条件下，采用适宜的激光强化工艺参数和粉末组合，可在基体 表面制得厚度为1 ， 2 m m ，组织致密，且与基体呈现良好冶金接合的合金强化层。 对强化层的微观组织结构分析结果表明，强化层主要i 扫n i a l 、n i 3 a i 、n i a l 3 、a 1 3 t i 、 a i t i 等金属间化合物与分布在它们之间的a - a 1 固溶体组成，并形成了多层次的组 织结构。表层主要由细小胞状晶枝组织构成，并出现了大量纳米级组织颗粒；内 层组织呈多样性分布，组织生长具有很强的方向性；接合部则是由垂直于界面生 长的柱状晶组织构成，从而提高了强化层与基体的接合性能。 强化层性能受激光参数影响很大，激光功率密度影响熔池的对流强度，扫描 速度影响熔池的冷却速度。在一定的激光功率密度下，扫描速度越大，得到的组 织颗粒越细小，强化层硬度越高，同时其厚度会变薄，但扫描速度过大时会导致 层内出现裂纹。在预涂粉末厚度0 3 m m ，激光功率密度为7 0 0 - 8 0 0 w m m 2 ，扫描 速度1 2 1 4 m m s ，搭接率3 0 ，保护氩气的流量为2 0 l m i n 处理条件下能得到质 量较好的强化层。 几种合金粉末的激光强化层硬度均比基体有了显著提高，强化层平均硬度值 可达3 5 0 h v ，较基材2 0 2 4 铝合金硬度提高了近2 倍，而耐磨性能提高4 倍以上，且 具有较强的高温抗氧化性能，强化层在连续2 4 d 时，4 0 0 1 2 的环境中层内未出现 开裂现象。 关键词：铝合金；激光强化；金属问化合物；强化层 山东大学硕士论文 l a s e rs u r f a c e a l l o y i n go fa l u m i n u ma l l o yw i t ht i t a n i u ma n d n i c k e lm i x e dp o w d e r s a b s t r a c t a s t r e n g t h e n i n gl a y e rw a sf a b r i c a t e do n2 0 2 4a l u m i n u mm l o yb yl a s e r s u r f a c e m o d i f i c a t i o nw i t hp u r et i ，n ia n dt i 神婀m i x e dp o w d e r si no r d e rt oo b t a i ni n - s i t u f o r m e da l u m i n u mi n t e r m e t a l l i c sf o ri m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so ft h ea i2 0 2 4 ，s u c ha s s u r f a c eh a r d n e s s ，w e a l r e s i s t a n c e ，h i g ht e m p e r a t u r ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，e t c w i t hp r o p e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st h eq u a l i f i e ds t r e n g t h e n i n gl a y e ro fa b o u t1 2 i t l mn l i c kw a sf o r m e d t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r ea n dw e a rp r o p e r t i e so f t h es t r e n g t h e n i n gl a y e rs h o w e dt h a tt h es t r e n g t h e n i n gl a y e rw a sc o m p o s e do ft h e i n t e r m e t a l l i c ss u c ha sn i a i ，n i 3 a 1 ，n i a l3 ，a 1 3 t i ，a 1 t ie t c i nt h ef o r mo ff i n e d e n d r i t e sd i s t r i b u t e di na - a is o l i ds o l u t i o n t h es t r e n g t h e n i n gl a y e rc a nb ed i v i d e d i n t os e v e r a l m i c r o - l a y e r s ：t h e s u r f a c el a y e ri s p r i m a r i l y f o r m e do ft h es m a l l c e l l u l a r - l i k ec r y s t a ls t i c k sa n dal a r g en u m b e ro fn a n o p a r t i c l e s ；t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ei n n e rl a y e ri sv a r i e da n dh a sas t r o n gd i r e c t i o n a l ；t h em i c r o s t r u c t u r en e a rt h e s u b s t r a t ei sc o l u m n a ra n dg r o w sp e r p e n d i c u l a rt ot h ei n t e r f a c e ，w h i c hi m p r o v e st h e b i n ds t r e n g t hb e t w e e nt h es t r e n g t h e n i n gl a y e ra n dt h es u b s t r a t e t h e p r o p e r t i e so fs t r e n g t h e n i n gl a y e ra r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yl a s e rp a r a m e t e r sa n d t h ec o n v e c t i o ns t r e n g t ho fm d tp o o li sa f f e c t e db yl a s e rp o w e rd e n s i t y g i v e nl a s e r p o w e rd e n s i t y ，w i lah i g h e rs c a n n i n gs p e e d ，t h ec o m i n g sw i t haf i n e rm i c r o s t r u c t u r e ， ah i g h e rh a r d n e s sa n dat h i n n e rt h i c k n e s sc a nb eo b t a i n e d h o w e v e r , e x c e s s i v eh i 【g l l s c a n n i n gs p e e dw i l lr e s u l ti nt h ec r a c ko ft h ec o a t i n g s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，as e to fp r o p e rp a r a m e t e r so fl a s e rp o w e rd e n s i t y ：7 0 0 , - - 8 0 0 w r a m 2 ，s c a n n i n g s p e e d ：1 2 - - 。1 4 m m s ，o v e r l a p ：3 0 a n da r g o nf l o wr a t e ：2 0 l m i n , w a so b t a i n e d ： t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g eh a r d n e s so ft h el a y e rw a sm o r et h a n3 5 0h v ， w h i c hw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h ea 1 2 0 2 4s u b s t r a t e ( 1 e s st h a n12 0h v ) t h e w e a l r e s i s t a n c eo ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e rw a s4t i m e sh i g h e rc o m p a r e dw i mt h ea i 2 0 2 4s u b s t r a t e t h es t r e n g t h e n i n gl a y e ra l s oh a sas t r o n go x i d a t i o nr e s i s t a n c ea t n 山东大学硕士论文 e l e v a t e d t e m p e r a t u r e sc o m p a r e d w i t ht h e c o a t i n g s l a s e rf a b r i c a t e dw i t h t i c 5 0 + s i c 5 0 e x p o s e dt o4 0 0 f o r2 4h o u r s ，t h el a t t e rw a sc r a c kb u tt h ef o r m e r w a s n t k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；l a s e ra l l o y i n g ；i n t e r m e t a l l i c s ；s t r e n g t h e n i n gl a y e r ! i i 山东大学硕士论文 i v 山东大学硕士论文 1 1 激光表面处理技术 第一章前言 自从梅曼在1 9 6 0 年试制成功了世界上第一台激光器以后，激光技术很快就 在军事、工农业和科学研究等领域中得到应用。随着相关理论研究的不断深化以 及各类激光器的不断问世，激光技术对许多科技领域的发展都起了重大的改革和 推动作用【l 】。由于激光束可聚焦成直径很小的光斑( 直径可达0 1 r a m ) ，能量高 度集中( 功率密度可达1 0 1 2 w c m 2 ) ，因此在材料的加工中常用激光进行打孔、 切割、焊接、热处理、打标和微细加工等。目前工业中常用的激光器类型主要有 c 0 2 激光器、n d ：y a g 激光器和准分子激光器等。 激光技术已在全世界得到了广泛的发展与应用，美国是世界上最早建立激光 加工站的国家，现今美国激光加工站超过1 7 6 5 家，并正在推行“激光核聚变计 划 ，德国、英国和日本等国家都把激光技术作为国家级发展计划来实施【2 】。我 国在6 0 年代中期开始在钟表行业的宝石轴承加工中采用了激光打标，到目前为 止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理等领域都取 得较好的应用。另外，激光熔覆、激光制备纳米材料、激光快速三维立体成型都 在快速走向实用化阶段。现在国内从事激光及激光应用设备生产的企业已达数百 家，各种类型的激光加工站迅速发展。在国家自然科学基金、8 6 3 计划、“火炬 计划 中均有相当多的激光加工技术项目被列入。由此可见，激光加工产业具有 很好的发展前景和很大的潜力。 激光表面处理技术是在材料表面形成一定厚度的激光处理层，以改善材料表 面的力学性能、物理性能等，从而提高工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。 激光表面处理技术是在2 0 世纪7 0 年代初的大功率激光器研制成功之后兴起的，并 在近十年内得到迅速的发展【3 川。激光处理后的基体表面形成的强化层深度可控， 组织细小均匀，含有多种化合物和介稳相，可大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐 腐蚀、抗接触疲劳等性能。由于激光束能量密度高，对非激光照射部位几乎没有 影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到较小的程度，后续加工余 量小。与电子束等高能量密度源相比，其优点在于激光处理无需真空工作室，被 山东大学硕士论文 处理的工件是否导电均无影响。现今工程材料的激光表面处理是全世界范围内材 料工作者的重要研究内容【8 - 1 0 1 ，主要方法有激光重熔、激光熔覆、激光合金化、 激光非晶化、激光冲击硬化等。表1 1 是典型的几种激光表面处理工艺所需的激 光功率密度和作用时间。 表1 1 几种典型表面处理所需的激光功率密度和作用时间【4 】 t a b i 1 s e v e r a lt y p i c a ls u r f a c e 仃e a u n e n tr e q u i r e x tf o rt h er o l eo fl a s e rp o w e rd e n s i t ya n dt i m e 工艺方法功率密度w c i n 2冷却速度c s - 1作用深度m m 激光重熔1 0 3 1 0 5 激光熔覆 激光合金化 激光非晶化 激光冲击硬化 1 0 4 1 0 6 l o 1 0 8 1 0 l 1 0 s 1 0 8 1 0 l o l o 1 0 6 l o 1 0 6 1 0 4 1 0 6 1 0 6 1 0 1 0 1 0 4 1 0 6 o 2 1 0 2 2 0 2 - 2 0 0 l 旬1 0 0 2 - o 2 1 1 1 金属对激光的吸收率及提高方法 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的 结剁1 1 】。激光从另一种介质传播到另外一种介质时，由于折射率的不同，在两者 之间的界面上会出现折射和反射。反射率描述了入射激光功率被反射的部分，进 入材料的激光，由郎伯定律，随着穿透距离的加强，光强按指数规律衰减，深入 表层下面z 处的光强为： ( z ) = ( 1 - r ) o e 也( 1 1 ) 式中，r 为材料表面对激光的反射率；o 为入射光强度；( 1 琅池为表面( z = o ) 处 的透穿光强；口为材料的吸系数，单位为c m 1 。 激光表面强化是基于光热效应的热加工，关键是激光能被加工材料吸收并转 化为热量，金属中存在大量的自由电子，激光照射金属时，光子能量小，只会对 自由电子发生作用，能量的吸收是通过自由电子发生作用，然后电子通过碰撞传 递给晶格，由于金属中的自由电子密度大，因而光束透射深度很小时就被吸收。 2 山东大学硕士论文 对于波长为0 2 5 9 m 的紫外光到波长1 0 6 1 t m 的红外光的测量结果表明：光波在各种 金属中的穿透深度为1 0 n m 左右，吸收系数约为1 0 5 1 0 6 c m - 1 。实际上金属对激光 的吸收率同时受到波长、温度、材料特性及表面状态等因素的影响，通常情况下 激光波长越短、材料温度越高、表面粗糙度越大吸收率就越大。为增强材料的表 面吸收率，常用的表面预处理方法包括预热、表面粗糙化、磷化和采用涂料涂敷 等。 激光作用于预置粉末涂层时，材料的吸收情况比较复杂，比利时e u e n 大学 t p k u r t h ，提出的光线追踪模型计算结果表明，粉末吸收能量高于块体，且吸收 的能量的最大处不在粉末表面，而是在据表面的一定深度上，并且激光波长不同 时粉末的吸收深度不同【4 】。 1 1 2 熔池对流机制 池 影响区 图1 1 激光处理熔池对流不意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rt r e a t m e n tp o o le o n v e e t i o n 在激光的强作用下基体金属与涂覆材料熔化混合形成熔池，在熔池内存在金 属熔体的复杂对流运动。对流机制有各种解释，目前广为接受的是表面张力驱动 说【1 2 1 ，在激光照射下，在激光光斑中心附近其熔体的表面温度高，而偏离熔池中 心区域越远，其熔体的表面温度越低。这样由于熔池内温度分布不均匀，造成表 面张力大小不等，金属溶液表面张力随温度升高而降低，温度高的地方表面张力 小，这种表面张力差驱使液体从低张力区流向高张力区，而这样流动的结果又使 液面产生了高度差，在重力作用下，液体重新回流，形成的对流引起了熔池的搅 拌，对流可使熔池内成分趋于均匀，但也易造成氧化和夹渣等缺陷。图1 1 为熔 池对流整体示意图。 影响熔池对流特征的因素主要有两方面，一是材质性能，如合金组分、浓度、 黏度、密度、热物理性能等。一般所添加的溶质元素增大溶液的黏度时，溶液对 流阻力增加，流动性变差，容易造成不均匀。当添加元素直接影响溶液表面张力 3 山东大学硕士论文 时，也将直接影响熔池特性，如添加硫元素，会使表面张力系数由负变正，使熔 池对流方向改变。二是激光工艺参数，如功率密度、扫描速度、光斑形状、保 护气体的种类与流量等。它们的综合作用决定了熔体的温度梯度，通常功率密度 增加，对流强度增加，扫描速度决定作用时间长短影响熔池对流循环次数，而不 同的光束能量分布则有可能改变熔池的对流分布，但要同时控制过强的对流，以 免造成表面的凹凸不匀。 1 1 3 合金层稀释率问题 激光表面合金强化的目的就是使各种元素达到最佳配合，控制各种合金元素 组分的含量，控制各组织的形态和尺寸，从而获得理想的结构和性能。稀释率是 涂层的合金元素因熔化的基体材料混入而发生的浓度变化程度。当厚度为h l 的 预涂层被激光作用时，由于激光与合金粉末间的交互作用，该层首先被熔化，然 后是厚度为j j l 2 的基体表面也随之熔化，最终变成厚度为d 的表面强化层，一般 情况下，总有关系式d h i 成立，d 值与激光有效功率强度、交互作用时间、离 焦量、吸收系数等工艺因素有关。在表面强化设计前，应首先确定所需表面强化 层的厚度d 。稀释率可以通过测量整个强化层合金元素的含量，测量强化层的截 面积或强化层的高度等方法进行计算，a b b a s 等通过实验发现可用以下公式来简 化合金层的稀释率。 p ：点 ( 1 2 ) b + f 、 其中：口稀释率；b 一基体在合金层截面中所占的面积；f 涂覆金属在强化层截面 中所占的面积。此测量方法简便，但精度差，尤其是强化层形状不规则时难以统 计。稀释率的大小决定着合金化合物的含量和种类，进而决定了强化层的性能， 因此控制稀释率是加工过程中的重点。 1 1 4 合金强化层的凝固过程机理分析 激光表面强化中合金熔体的凝固是一个动态凝固过程。在激光处理过程中， 合金粉末与基体不断被熔化以形成熔池，随着光束移走，熔化的金属不断冷却形 成强化层。激光强化的熔池直径一般在1 - - - 4 m m 之间，而深度可达几个毫米，激 光扫描后热量迅速向基体周围扩散，熔池存在时间极短，一般不足1 秒，结晶过 程冷却速度可达1 0 7 1 函s ，图1 2 为熔池纵向截面即x z 平面的示意图，材料沿着 4 山东大学硕士论文 熔池前沿( 即a b 线) 熔化，沿着结晶前沿( 即b c 线) 结晶，局域的结晶速度 v s 为进给速度v v 在结晶前沿法线上的投影，可得出： v s = v v x c o s o( 1 3 ) 可看出结晶速度在b 点为0 ，结晶速度沿着结晶方向着渐增大，最大值在c 点，大 小为：v v ，可看出熔池内不同部位结晶速度有很大差异。由于激光强化的凝固速 度快，因此熔池内部化学成分不易均匀。由于合金熔池内存在温度梯度和晶体长 大速度的差异，从而使得沿着合金熔池深度方向出现不同的凝固组织区域，也就 是组织梯度。常见的复合组织特征有三种：平面晶胞状晶胞状树枝晶树枝晶； 胞状晶胞状树枝晶树枝晶；胞状晶一树枝副1 4 】。在强化层中的晶体生长主要是受 热流的影响方向来控制，特别是在垂直于基体方向的温度梯度较大，因其散热条 件较好，生长较快，同时结晶还受结晶各向异性的影响【1 5 1 。 z x l 激光束 ca 穴，| b 结晶速度：v s v t 4 4 1 - - 加工速度 图1 2 熔池纵向截面a p x z 平面的示意副”1 f i g 1 2b a t hl o n g i t u d i n a ls e c t i o nd i a g r a mo ft h ex - zp l a n e 温度梯度与凝固速度( g r ) 影响凝固组织生长形态，图1 3 示意了凝固速度r 和温度梯度g 对凝固界面结晶形式的影响。从图中看到，当g r 减小时，凝固特 征由平面生长向胞状晶到树枝晶以及等轴晶生长方式的转变。根据g r e e n w a l l e d 对激光熔化后的热传导所作的数学解析，在冷却过程中，g 的变化特征是刚开始 凝固时最大，随着凝固的进行逐渐减小。而r 的变化规律正好相反，刚开始凝固 5 山东大学硕士论文 时r 最小，随着凝固的进行r 值逐渐变大。由此可以得到凝固界面处g r 的变化规 律：在凝固初期，g r 具有最大值，随着凝固的进行，g r 值随之减小，凝固表 面处g r 具有最小值。在激光快速扫描基体的表面下，基于熔池本身的传热和凝 固特征，熔池底部到顶部，温度梯度逐渐降低，这样在顶部会出现枝晶甚至等轴 枝晶组织。 0 蜊 爨 趟 赠 凝固速度r 图1 - 3 温度梯度和凝同速率对凝固界面结晶形式的影响n 6 1 f i g 1 3t h e e f f e c to ft e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n df r e e z i n gr a t ef o rc r y s t a l l i z a t i o n 1 2 铝合金激光表面强化方法 铝合金由于具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等诸多优异性能， 在光学精密仪器、汽车车身与发动机、航空航天器结构等方面取得了成功应用 1 7 - j g j 。然而铝合金本身也存在一定的缺陷和不足，在有氯离子及碱性介质的环境 中，极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏，同时 铝合金硬度较低、摩擦系数高、容易拉伤且难以润滑导致其耐磨性差。为扩大其 使用范围，通常采用表面处理以提高其耐磨和耐蚀等性能，然而常规的表面处理 方法，如气相沉积和电镀等获得的强化层较薄( 仅有几百个微米) ，且强化层与 基体之间属机械接合或扩散接合，强度不高，易产生开裂和脱落，而阳极氧化法 在铝基复合材料上不能形成连续的氧化膜，对基体不能起到有效的防腐作用，铬 酸盐的毒性大，严重污染环境和危害人类健康 2 0 l 。而铝合金激光表面处理以其高 效、无污染成为制备铝合金表面涂层的有效方法之一。 6 ，i l ，一一 一 一 山东大学硕士论文 1 2 1 合金材料的基本要求及添加方法 激光强化粉末材料应能满足下列基本要求：( 1 ) 具有良好的固态流动性。 粉末的流动性与粉粒的形状、粒度分布、表面状态及粉末的湿度等因素有关，球 形粉末流动性最好。粉末粒度有粗粉、细粉、极细粉和超细粉之分。如果颗粒大 时空隙太大，熔合时易产生飞溅，而细小的颗粒拥有更大的表面积，粉末产生的 漫反射，会被相邻的粉末颗粒重新吸收，可增大对激光的吸收。送粉法一般使用 普通粒度或粗粒度粉末，主要是因为太细粉固态流动性差，预制粉末法可使用较 细粒度粉末，但都不能过度细小，过度细小会造成熔池中的金属液体流动性很差， 进而导致表面层中的合金元素不均匀。使用时粉末应保持干燥。( 2 ) 适当的热 膨胀系数、导热性。粉末的这些参数应该尽可能与基体材料相接近，不然激光强 化层中易产生开裂，产生裂纹的主要原因之一就是强化材料和基材之间的热膨胀 系数的差异，选用涂层材料时应尽量考虑涂层与基材在膨胀系数上的匹配，以减 少复合层中的残余应力。( 3 ) 具有良好的润湿性。润湿角越小，液态流动性愈 好，易于得到平整光滑的合金化层。( 4 ) 合金粉末的熔点与基体材料的