（机械电子工程专业论文）铝合金激光熔覆耐磨涂层技术研究.pdf

摘 要 摘要 铝合金是工业中用量最大的有色会属，在航空、航天以及动力机械中得到了 广泛应用。但由于硬度低，耐磨性较差，限制了其进一步应用。激光熔覆技术可 有效地提高铝合金的硬度和耐磨性。激光熔覆是近二十年来发展起来的一种表面 强化技术，它具有许多常规方法无法比拟的优势。 本文采用c 0 2 激光器在铝台金基体上用激光熔覆的方法分别制取了a l s i 粉 术涂层、a i s i + s i c 粉末涂层、a 1 s i + a 1 2 0 3 粉末涂层、触青铜粉末涂层。以此 为熔覆材料的研究在国内目前并不多，因此本文旨在探讨这些熔覆材料是否可以 成功地熔覆在铝合金表面，熔覆后的性能如何。综合运用一系列现代物理测试手 段，对熔覆层的组织、性能做了细致的测试和分析。 采用预置粉末涂层法成功地在铝合金表面熔覆了a l s i 粉末涂层。采用氩气 保护激光熔池，在一定的激光熔覆处理工艺参数下，可以获得均匀连续、界面为 冶金结合的致密涂层。涂层底部和中下部基相组织为胞状枝晶，中上部和顶部为 细小枝晶或等轴晶。激光熔覆层的硬度性能比基体提高了一倍多。对于s i c 熔覆 涂层的研究结果表明，由于未熔s i c 的弥散强化、固溶强化以及激光快速加热快 速冷却造成的晶粒细化等因素，激光熔覆层的硬度性能比基体提高了三倍。在优 化工艺参数下的a l z 0 3 熔覆涂层与基底问呈良好的结合，熔覆层和基底的稀释较 弱。激光熔覆层的硬度性能比基体提高了近两倍。实验中还分析了熔覆过程中产 生的裂纹和气孔问题，提出了解决措施。 结果表明，采用激光熔覆在铝合金表面熔覆新的材料的结果良好，大大提高 了铝合会表面的硬度。 关键词：激光熔覆铝合金组织性能 i l 垒堕! 型 a b s t r a c t a l u m i n i u ma l l o yi sak i n do fc l o r e dm e t a lw h i c hh a st h el a r g e s tu s e dq u a n t i t y i t sm o s t l yu s e di nt h ef i e l do fs p a c e f l i g h ta n dp o w e rm a c h i n e b u tb e c a u s ei t sl o w r i g i d i t yw h i c hl i m i t si t sm o r ea p p l i c a t i o n l a s e rc l a d d i n gc a l li m p r o v e t h er i g i d i t yo f a l u m i n i u ma l l o ya v a i l a b l y l a s e rc l a d d i n gi sak i n do fc a s el ：s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e h a v eb e e nd e v e l o p e df o rs o m et w e n t yy e a r s ，w h i c hh a ss o m eu n i q u ea d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t ht h ec o m m o nc l a d d i n gp r o c e s s e s b ym e a n so fc 0 2l a s e r , w e a rr e s i s t a n c ec o a t i n g sh a v eb e e no b t a i n e db yl a s e r c l a d d i n g a i s i 、a i - s i + s i c 、a i s i + a 1 2 0 3 、c u a io na l u m i n i u ma l l o yi nt h es t u d yo f t h i sp a p e r t h e r ei sf e wr e s e a r c ha b o u tt h e s ec l a d d i n gm a t e r i a l sa th o m e ，s ot h i sa r t i c l e m o s t l yd i s c u s s e sw h e t h e rt h e s ec l a d d i n gm a t e r i a lc a nb ec l a d d e do nt h es u r f a c eo f a l u m i n i u ma l l o ya n dw h a ta b o u tt h ec a p a b i l i t ya f t e rc l a d d i n g t h em i e r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h ec l a d d i n gc o a t i n g sh a v eb e e na n a l y z e da n dt e s t e db y u s eo fas e r i e so f m o d e mp h y s i c a lt e s tm e a n s a 1 一s ic o m p o s i t ec o a t i n g sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e do nt h ea l u m i n i u m a l l o yv i at h ep r e s e t - p o w d e rc l a d d i n gp r o c e s s a n dt h el a s e rc l a d d i n gp r o c e s s i n gh a s b e e ns t u d i e d a r g o nu s e da ss h i e l d i n gg a s ，s o u n dc o a t i n g sc a nb ef a b r i c a t e dw i t ht h e o p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h ec o a t i n g sh a v es m o o t ha n dc o n t i n u o u ss u r f a c e ， a n d m e t a l l u r g i c a l l yb o n dt ot h es n b s t r a t e i nt h eb o t t o ma n dl o w - m i dz o n e so ft h ec l a d ， t h em a t r i xg r a i n sa r ef i n e l yc e l l u l a ro rc e l l d e n d r i t e i nu p m i da n dt o pa r ef i n e d e n d r i t i ca n de q u i a x i a lg r a i n s t h er e s u l t ss h o wt h a tr i g i d i t yp r o p e r t yo ft h ec o a t i n g s a r e1t i m e so fr e s p e c t i v es u b s t r a t e s f o rs i cc l a d d i n gl a y e r , t h er e s u l t ss h o wt h a t r i g i d i t ya n dr e s i s t a n c ep r o p e r t yo ft h ec o a t i n g sa r e3t i m e so ft h o s eo fr e s p e c t i v e s u b s t r a t e sd u et od i s p e r s a ls t r e n g t h e n i n go fb o t hs i c a n do t h e rs e p a r a t e d o u td i s p e r s a l p h a s e ，s o l i dd i s s o l v i n gs t r e n g t h e n i n ga n df i n e rc r y s t a lp a r t i c l ew h i c hr e s u l t sf r o mt h e r a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n go fl a s e rc l a d d i n g f o ra 1 2 0 3c l a d d i n gl a y e lt h ec l a d d i n g c o a t i n g sw i t ho p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v el i t t l ed i l u t i o nb yt h es u b s t r a t ea n d g o o db o n d i n gt ot h es u b s t r a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tr i g i d i t yp r o p e r t yo ft h ec o a t i n g s a r e2t i m e so fr e s p e c t i v es u b s t r a t e s i ne x p e r i m e n tt h ep h e n o m e n o nt h a tc r a c k sr i s eu p i nt h ec l a da n dh a sb e e ne x p l a i n e d t h es o l u t i o n sf o rs e t t l i n gt h ep h e n o m e n o nw e r e p u t t e df o r w a r d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s en e wc l a d d i n gm a t e r i a l sw e r ew e l lb o n d e dw i t h a l u m i n i u ma l l o yb yl a s e rc l a d d i n ga n dt h er i g i d i t yp r o p e r t yo fa l u m i n i u ma l l o yw a s l l i a b s t r a c i g r e a t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，a l u m i n u ma l l o y , 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 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，除了文中特另0 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，也不包含为获得丢洼王些太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1 沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 妈伟鑫 签字日期：口年上月彭日 学位论文版权使用授权书 本学位论义作者完全了解丞洼王业盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太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：肯伟鑫 签字日期：汐i 年l 月湘 跏繇w 够 扩 签字同期：仉砚年砂月瑶伺 学位论文的主要创新点 一、通过涂层材料体系设计和激光熔覆工艺优化在z l l 0 2 合 金表面制备出表面质量良好且与基底冶金结合的s i c 、a 1 2 0 3 增强 的铝基复合材料涂层，克服了传统表面改性技术涂层薄、涂层与 基底结合力弱的缺点。 二、利用s e m 、x r d 等现代分析测试手段对激光熔覆层的 微观组织结构进行了系统分析，揭示了激光快速熔凝条件下涂层 基体金属的结晶规律和增强颗粒的形态和分布特征。 三、测试了激光熔覆层的摩擦磨损性能，并进行了对比分析， 揭示了激光熔覆层的磨损机制和强化机制。 第章绪论 第一章绪论 1 1 激光加工技术特点与发展现状 激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。美国科学家梅曼 ( t h m a i m a n ) 于1 9 6 0 年研究成功世界上第一台激光器以后，激光技术很快就在 实际领域中得到应用。随着对有关基本理论研究的不断深化以及各类激光器的不 断问世与改进，其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益 和社会效益更加显著。如今，激光技术已被广泛应用于工业、农业、医学、军工、 科学研究等许多领域。从精细加工到激光核聚变，从视听装置、激光通讯到捕捉、 跟踪、测量飞行目标，从激光育种到激光美容等等，一个世界范隧具有深远发展 前景、生机勃勃的激光加工新兴产业已经形成。同时，激光技术的发展大大促进 了多种学科、多种技术和多种生产水平的进步和提高，其影响之大，举世瞩目。 1 1 1 激光加工技术的特点 众所周知，激光具有单色性、相干性和平行性三大宝贵特性i ”，这些优异特 性是普通光源难以比拟的，因此就给激光加工带来了一些其它方法所不具备的特 点： 1 由于激光加工具有非接触性、高能激光束的移动速度与能量均可以调节 等特点，可以实现多种加工的目的； 2 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以用来加工高硬度、高脆性 及高熔点材料； 3 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件； 4 激光加工过程中，激光束能量密度高、加工速度快，并且是局部加工， 对激光照射部位没有或仅有极小影响。因此，激光加工造成的热影响区以及工件 热变形都很小，所需的后续加工量也较小： 5 由于激光的高能性，通过透明介质可实现对密闭容器内工件的各种加工； 6 由于激光束易于导向、聚焦实现做各方向变换，极易于数控系统配合从 而可对复杂工件进行加工，因此它又是一种极为灵活的加工方法； 7 激光加工的生产效率高，加工质量稳定可靠，故有很好的经济效益和社 会效益。 激光加工的许多特点和优势是显而易见的，当然其不足之处也不可忽视。如 第一章绪论 目前激光加工系统发备价格还比较高，激光尚属于一种比较昂贵的能源。因此， 只有在那些最能发挥其特点或用其它方法不能或很难加工的情况下采用激光加 工方为适直。另外，许多欲采用此技术的工程技术人员目前对它尚不够熟悉等不 利因素均需逐步加以解决1 2 】。 1 1 2 激光加工技术发展现状 激光应用于材料加工，如激光打孔、激光切割、激光焊接、激光热处理、激 光打标、激光微细加工、激光熔覆等，解决了许多当前常规方法无法解决或很难 解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，这一当前新兴的先进制造和加工 技术统称为激光加工技术。 激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出2 0 多种激光加工 技术。把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件 定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。 激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环 境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相 结台可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、 高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景1 3 j 。 目前，已成熟的激光加工技术包括：激光焊接技术、激光打孔技术、激光切 割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激 光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光表面强化技术。 激光表面强化技术包括：激光相变硬化技术、激光熔覆技术、激光表面合金 化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术， 这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。 国内外激光加工技术发展概况由于激光加工技术不但解决了许多常规方法无 法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，被誉为未来制造系 统共同的加工手段。尤其在发达国家的加工业中，现在已逐步进入“光加工”时代。 迄今为止，美国、德国、日本等工业发达国家的激光加工已经形成了新兴的 支柱产业，工业激光器已经商品化，加工技术日臻成熟，政府和企业界都非常重 视这一产业，在实际应用中已为发展高科技和攻克尖端技术以及解决许多关键难 题做出了重要贡献。世界激光器市场可以划分为三大区域：美国( 包括北美) 占5 5 ， 欧洲占2 2 ，日本及太平洋缝区占2 3 。而在激光材料加工设备方面是德国占 首位，目前的世界工业激光加工市场基本上为美国、欧洲和日本所分割。 美国是世界上最早建立激光加工站的国家，许多加工站建立于7 0 年代中期， 在美国，激光加工站已超过1 7 6 5 家，这对于在美国推广激光加工技术起着重要 2 第一章绪论 的作用。在欧洲地区激光产业发展最快的是德国，特别是激光材料加工方面处于 世界领先的地位。德国为了推广激光加工技术，除了建立9 个国家级激光中心外， 还大量建立激光加工站；同时在大、中、小型企业积极建立激光加工生产线。八 十年代初，日本产业界积极采用激光加工技术。统计表明，日本占当今世界上工 业用激光设备的3 0 左右，激光加工技术是日本重要的基础制造技术之一。同本 积极应用激光加工技术，最近5 轴或6 轴三维激光切割机器人已在日本汽车、机 械、电机重工中得到应用。激光焊接在日本电子、电机、汽车、车辆零部件， o a 机器等小件、大批量生产中也得到迅速发展。日本在生产线上应用激光焊接 也比较成功。据统计，到1 9 9 5 年为止日本已建立了1 5 0 0 家激光加工站。近年来， 以每年新建2 0 0 3 0 0 家的速度在递增【4 】。 据统计，国外已有3 6 0 0 多台工业激光器在汽车生产中应用，如西门子公司 的一个部门在流水线上就采用了4 0 0 多台激光器。单单是激光点焊代替电阻焊， 每辆轿车就可节省5 6 公斤金属，而且还可减少大量燃油消耗，经济效益和社会 效益十分可观。 在国内，激光加工业发展总体状况落后于世界发达国家，但是发展速度也很 快。我国在6 0 年代中期开始就在钟表行业的宝石轴承加工中采用了激光打标， 现累计产值已达2 2 亿元。缸体激光淬火是当前最为活跃的应用热门，全国已有 近1 0 0 家类似于国外的激光加工站在从事这项工作。由于其加工质量好，经济和 社会效益高，因此还有继续发展和扩大的趋势。我国在激光加工领域的应用始于 激光打孔，随着大功率c 0 2 激光器的研制成功，使激光加工技术应用领域不断扩 大。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 理和激光打标等领域都已经取得较好的应用，另外，激光熔敷、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。目前，国内从事激光器及 激光应用设备生产的单位有几百家。国家级激光工程技术研究中心有四个，各种 类型的激光加工站迅速发展。我国激光加工产业具有很好的发展前景和很大的潜 力。国家高度重视发展激光这一高新技术，激光加工技术被列为国家重点攻关计 划，在国家自然科学基金、“8 6 3 计划”、“火炬”计划等都有相当的项目被列入。 由此不难看出，激光加工技术所取得的效果是显著的，应用前景是十分广阔的。 1 2 激光熔覆工艺 激光熔覆也称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利 用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其 为冶金结合的添加熔覆层，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化 以及电气特性等的工艺方法。 第一章绪论 1 2 1 激光熔覆的特点 与热喷涂、等离子喷涂、气相沉积、电镀、化学镀、堆焊等传统的表面改性 技术相比，激光熔覆技术具有如下的特点： 1 适用的材料体系广泛，可以对各种金属和陶瓷材料进行激光熔覆； 2 可以依据使用性能要求，进行涂层材料成分设计，选配不同熔覆材料体 系，获得理想涂层； 3 涂层稀释度低，受污染小，保证所设计涂层的性能； 4 由于激光束能量密度高，激光熔覆加热和冷却速度很大，熔池熔体凝固 速度快，因此，涂层组织得到改善； 5 ，对基体材料热影响小，基体热变形小，因此可以对成形工件进行选区激 光熔覆处理； 6 涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化； 7 可以对破废工件进行修复处理。 与激光相交硬化和激光表面重熔技术相比，激光熔覆技术可以得到性能要求 更灵活、更苛刻的涂层，因此其应用也更广泛。由于激光柬的高能密度所产生的 近似绝热的快速加热过程，所以激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也小。 控制激光的输入能量，还可将基材的稀释作用限制在极低的程度，从而保持原始 材料的优异性能。激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料 的成分亦不受通常的热力学条件的限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相当广 泛的，包括镍基、钴和铁基合金，碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等。另外， 实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的微观结构、 与基材良好的结合性、均匀的化学组成。这些特点都可以极大地提高激光熔覆处 理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能l 酆。 1 2 2 常用激光熔覆材料 激光熔覆对熔覆材料的基本要求为了获得激光熔覆后所需要的使用性能， 如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能激光熔覆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，球形粉末流动性最最好。粉末粒度有粗粉、细粉、 极细粉和超细粉之分。送粉法一般使用普通粒度或粗粉束。极细粉和超细粉因固 态流动性差，一般的送粉器不能使用。如必须使用超细粉时，须使用特殊的送粉 4 箱章绪论 器才能保证均匀送粉。粉末受潮时流动性差，使用时应注意烘干； 2 适合的热膨胀系数、导热性。应该尽可能与工件材料相接近，以减少熔 覆层中的残余应力； 3 具有良好的润湿性。润湿性与表面张力有关，表面张力愈小，润湿角愈 小，液态流动性愈好，易于得到平整光滑的熔覆层； 4 应有良好的造渣、除气、隔气性能。合金粉末在熔化状态时应有良好的 脱氧，除气能力，其脱氧产物应形成比重小、熔点低的熔渣覆盖在液态金属表面， 对表面其保护作用，以防止产生夹渣、气孔、氧化等缺陷； 5 台金粉末的熔点不宜太高。粉未熔点愈低，愈易控制熔覆层的稀释率， 所获得的熔覆层质量愈好；熔点愈低，液态流动性愈好，对获得平整光滑的熔覆 层有利 常用熔覆材料目前可用于激光熔覆的合金粉末有自熔合会粉末和复合 粉末。 1 自熔合金粉末 所谓自熔性是指合金粉末中含有的硼和硅，这两种元素具有自我脱氧和造渣 的性能。其优点在于：熔覆后，在熔覆层表面形成b 2 0 2 、s i 0 2 薄膜，这种薄膜 既能防止合金中的元素氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而 获得氧化物含量低、气孑l 率少的熔覆层。 现今，国内外常用的自熔性合金粉末可分为镍基、钴基和铁基三大类，另外 还有w c 型自熔合金粉末，其中镍基和钴基合金粉术的自熔性良好，耐腐蚀、 耐磨、抗氧化性能也优良，但价格昂贵，比铁基贵1 - 3 倍，铁基自熔性冶金粉末 最大的优点是成本低，但抗氧化性差，熔层内气孔夹渣较多。在滑动磨损、冲击 磨损和磨粒磨损严重的条件下，镍基、钴基和铁基自熔性合金已不能胜任，此时 在上述的自熔性合金粉末中加入一定量的w c 粉末。熔覆后，熔覆层不仅具有 高的硬度、耐磨性，又有一定的韧性n 目前常用的自熔性合金粉末的化学组成及性能如下： 1 ) n i 基自熔性合金粉末主要有n i c r - b s i 合金，它是激光熔覆技术中应 用广泛的熔覆材料。它是在n i b s i 合金系列的基础上加入适量的c r 形成的， c f 能溶于n j 中形成镍铬固溶体而增加涂层强度，提高涂层的抗氧化性和耐蚀性。 c r 还能与b 和c 形成c r 2 b 、c r b 、c r c 3 等碳化物和硼化物，可提高涂层的硬度 和耐磨性。 2 ) 熔覆所用的c o 基合金粉末，主要有c o 基自熔合金粉末、司太立合金 粉末和c o w c 类硬质合金粉末。c 0 基自熔合金粉末是在哥太立合金基础上加入 适量的b 、s i 元素而形成的，c o 与c f 形成稳定的固熔体基体，在基体上弥散分 第一章绪论 布着大量碳、硼化物等( c r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 、w c 、c r b 、c r 2 b ) ，涂层具有优良的高温 性能和综合力学性能，但c o 基自熔性合金粉末价格高，工业生产中主要用于在 6 0 0 7 0 0 。c 高温下工作的耐磨，耐蚀和抗氧化性零件的表面涂层。c o w c 类硬质 合余粉末即是在钴基中加入适量w c 陶瓷颗粒，碳化钨被加热时间短，得以滞 留或部分保留，以角状颗粒形式存留在基材中。 3 ) f e 基合金粉术主要有铁基自熔性合金不锈钢或自粘性不锈钢粉、w c f e 系列等。铁基自熔性台金是在f e 内加入一定量n i 和适量的b 、s i 等合金元素而 制成的，不锈钢系是在f e 基内加入一定量c r 、n i ，适量w 、m o 而成的。f e 基 系列可作为c o 、n i 基系列的补充，若工艺得当，涂层效果也是可以的。 2 复合粉末 复合粉末是一种新型的表面强化工程材料，组成其粉末的成分可以是金属与 金属、金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属与塑料、金属与石墨等非金属，范围甚是 广泛。复合粉末大致分为：硬质耐磨复合粉末、减磨复合粉末、耐高温和隔热复 合粉术、耐腐蚀抗氧化复合粉末等。复合粉术的发展更加拓宽了激光熔覆的应用 领域，使得此技术在金属的表面改性方面更具有生命力1 8 j 。 复合粉末的主要品种及性能如下： ( 1 ) 硬质耐磨复合粉末 其心核材料为各种碳化物硬质台金颗粒，包覆材料为金属或合金。涂层具有 优异的抗磨料磨损性能，是理想的耐磨材料。这类复合粉末有c o w c 、n i w c 、 f e w c 、n i c r w c 、n i c r 3 c 2 、c o w t i c 2 、c o t c r 3 c 2 等。应用较多的是c o w c 。 ( 2 ) 减磨润滑复合粉末 采用摩擦系数低、硬度低、有自润滑性能的多孔型软质材料如石墨、二硫化 铝、硅藻土、聚四氟乙烯等作心核材料，包覆金属常采用钴、镍、青铜、铝、硅 铝合会等。由于涂层很软，很容易被金属零件磨削，形成可磨密封磨损副。这种 粉末制成的涂层，多用于无油润滑或干摩擦、边界润滑以及无法保养的机械中， 如高温、真空、热水中工作的机械和设备等。 ( 3 ) 耐高温和隔热复合粉末 这类粉末又分为金属型、陶瓷型和金属陶瓷型三类。金属型复合粉末主要有 n i a 1 、n i c r a 1 、n i c r c o 、n i c 删y 、c o c r a 1 y 等。其涂层致密性高、热 传导快，能把涂层表面所受高温辐射热迅速发射出去，是良好的高温涂层。陶瓷 复合粉末，主要是以z r 0 2 、a 1 2 0 3 、c r 2 0 3 、t i 0 2 、m g o 、n i o 等耐高温的氧化 物为基础发展起来的，其涂层孔隙多，传热散热缓慢，在高温下是良好的隔热涂 层。金属陶瓷型复合粉末是把金属型和陶瓷型两种复合粉末按不同组成与配比复 合而成的粉末，同时具有耐高温和隔热性能，可作为在1 2 0 0 1 4 0 0 c i 作的耐 第一章绪论 高温隔热涂层。 ( 4 ) 耐腐蚀抗氧化复合粉末 这类粉末也有金属型、陶瓷型和金属陶瓷型三种。金属复合粉米，主要成分 是c r 、及n i 。这类复合粉未有n i a 1 、n i c r a 1 、c r s i 、a 1 c r 、 n i - c r s i 、 n i c r a l y 、c o c r a i y 等。陶瓷复合粉末有t i 0 2 a 1 2 0 ”m g o t i 0 2 、a 1 2 0 3 一c r 2 0 3 、 c r 2 0 3 b e o 等。金属陶瓷型复合粉末有c r - a 1 2 0 3 、c r - m o - a 1 2 0 3 、m 9 0 c o 、 c r m o a 1 2 0 3 、t i 0 2 等。这三种粉末在热喷涂时都能形成无孔而致密的涂层，有 保护母材不受腐蚀和氧化的作用，在腐蚀介质和氧化气氛中化学性能十分稳定， 还有良好的抗热振性能。与母材结合力强，不易剥蚀i ”。 上述材料具有优异的耐磨、耐蚀等性能，在通常情况下是以粉末的形式使用。 并采用火焰喷焊等方法溶覆，可获得表面光滑且与基材结合较好的熔覆层，已被 广泛用于机械、冶金、水电、航空、造纸、和玻璃等工业。将其用做激光熔覆材 料亦可获得较满意的效果，尤其是自熔合金粉末、自熔碳化物弥散或复合粉末仍 是当前最适合激光熔覆的材料。 1 2 3 激光熔覆工艺及其发展概况 激光熔覆的基底材料种类目前已进行研究的主要有铁、碳钢、不锈钢、镍基 合金、铜基合金、钛合金及铝合金等，其中，针对钢铁材料的研究较早，且比较 成熟，并已在工业中获得应用，而针对铝和钛等轻合金的研究仍在广泛进行。所 用熔覆材料体系主要包括不锈钢、钴基、镍基、铁基和铜基等合金粉末及其与 t i c 、s i c 、w c 、b n 、a 1 2 0 3 、z r 0 2 等陶瓷粉末的混合体系，另外还有棒材、丝 材及薄板材料等。针对粉末状熔覆材料，熔覆材料的添加方式有预置法和同步法 两种。 预置法是在激光熔覆之前，采用火焰喷涂、等离子喷涂或粘结剂粘结法等手 段把熔覆粉末材料预涂在基底材料表面，然后再用激光束辐照，进行激光熔覆处 理；同步法是在激光束辐照基底材料表面的同时，采用粉末自重方式或载气流吹 送方式把熔覆粉末送入激光熔池。预置粉末法采用较早且较普遍，其工艺简单， 操作灵活，被认为是一种较好的方法，并且，目前粘结剂的种类已有多种，如水 玻璃+ 松油醇、酚醛树脂、甲基纤维素+ 丙酮等。同步送粉法粉末利用率低，并 且对粉末造成污染。同步送粉法工艺复杂，难以控制，目前仍在研究中。 基于上述的一系列优点，激光熔覆是激光热处理中研究很多、进展很快、应 用很广的一种新工艺，被认为是一种新的、很有发展前景的表面改进技术。1 9 7 4 年开始激光熔覆实验研究。1 9 7 8 年，美国的a v c o 公司的e v e r t 实验室和m e t c 公司相继发表文章报道他们的研究成果，他们的成果引起了应用专家的趣，推 7 第一章绪论 动了激光熔覆技术的发展，英国利物浦大学s t e e n 教授在激光熔覆研究方面也取 得了很大进展。1 9 7 9 年日本f i - 1 立公司公开了他们的激光熔覆在汽轮机叶片上的 应用专利。此后，许多工业国家纷纷投入了较多的人力物力从事这方面的研究， 内容包括：涂层表面质量、组织性能、机械性能、物理模型、数学模型等许多方 面。 我国的激光熔覆研究工作开始予8 0 年代初期。1 9 8 1 年，中科院长春光机所 针对汽轮机叶片防蚀问题选用镍基自熔合金，在2 c r l 3 钢基材上进行了激光熔覆 研究。随着我国大功率激光器的发展，副八十年代中期，上海光机所、华中理工 大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、天津纺织工学院、重庆大学等单位 相继开展了这方面的研究工作。到9 0 年代初期，国内从事这方面研究的单位已 达几十家之多，并开展了深入细致的研究，在工业上获得了应用。如今，我国在 激光熔覆方面的研究已达国际同期水平【埘。 1 2 4 激光熔覆技术的应用 鉴于激光熔覆技术自身优点及激光熔覆涂层的优异性能，各国学者和技术人 员均在不断地对其进行深入研究，不断地开拓其应用领域。随着材料科学、计算 机应用科学、自动控制技术及激光熔覆技术自身的发展，激光熔覆技术在工业领 域的多个方面己获得应用或者存在巨大潜在应用。下面，把激光熔覆技术应用的 几个主要方面归纳如下： 1 材料表面改性。通过在普通材料表面激光熔覆具有特定性能的异质材料， 可以获得具有特定性能的优质涂层，达至# 对普通材料表面改性的目的，延长零部 件使用寿命，扩大普通材料的使用范围。这种表面改性包括改善材料表面的强度、 耐磨性、耐腐蚀性( 包括酸、碱、盐腐蚀及气体腐蚀1 及耐高温性等。这方面的研 究和应用已多有报道，并已取得可喜成绩。 2 局部部位损伤表面的修复。对零部件的局部磨损等损伤表面，可以采用 激光熔覆技术对其进行局部修复，修复后的局部表面性能甚至可以超过原始零部 件。例如：飞机发动机等叶片叶肩部位，由于工作过程中叶肩配合面间的磨损导 致叶肩变矮，配合间隙增大，使得贵重叶片报废，此时，可以采用激光熔覆技术 把叶片叶肩修复，并可以提高其局部性能；发电站发电机组动力传动轴由于长时 间工作而被偏磨损，成为非圆柱体，使得传动轴工作性能很差，此时，可以采用 激光熔覆技术把传动轴修复为圆柱形，并进一步提高其耐磨性能，延长使用寿命。 3 快速成型( 或称为直接成型) 零部件。快速成型技术在现代化工业的模具 设计和零部件制备中已成为一项越来越重要的技术。如今，随着侠速成型技术种 类不断增多，激光熔覆技术已成为快速成型技术之，并受到广泛关注。k o c k 第一章绪论 和m a z u m d e r 等人采用激光熔覆快速成型技术直接制备了几种简单形状的铝合金 零部件。他们认为，虽然该技术在工业中应用尚有定的困难，但是，由于其能 大大降低成本，因此，具有巨大价值和广阔的应用哨茸景。 4 制备表面复合材料。利用激光熔覆过程中，激光熔覆工艺的散热特性及 熔覆材料各组分在高能激光束形成的高温熔池中的冶金特性，制备新型材料。若 初始熔覆材料为陶瓷和金属的混合体，则可以制得表面复合材料。 1 3 铝合金表面激光熔覆现状 材料学科学家及工程技术人员直对铝基材料进行不断深入的研究。铝基材 料也由传统的铸造铝合余发展到改性铝合金和铝基复合材料。铝基复合材料使得 铝合金的耐磨性和强度等综合机械性能到了大幅度提高。然而，铝基材料熔点低、 硬度低和耐磨性差的缺陷仍没有得到根本的克服。这在很大程度上限制了铝合金 的应用范围。多年来，为了克服铝合金的不足，铝合金的整体改性和表面改性一 直是人们努力的方向”。 1 3 1 存在的问题 1 铝合金易被氧化 铝合金在空气中极易被氧化，在表面生成一层氧化膜。铝合金表面的氧化膜 ( a 1 2 0 3 ) 的熔点很高，不易熔化，且其比重比铝大，因而就会在激光熔覆产生 的熔池中下沉，在界面上形成夹杂或者气孔，影响熔覆质量。要想获得高质量的 涂层，就想要办法尽量除去氧化膜。目前去除a 1 2 0 ，的方法有机械法、自造渣元 素法及综合法等。这几种方法中，综合法操作较为复杂，不适应大规模的生产应 用，主要局限于实验室研究；机械法因为其操作简单，应用较广泛，但去除氧化 膜不彻底，效果不理想；自造渣元素法目前已经在工业生产中得到成功应用，而 且考虑到铝合金在空气中的氧化速度较快，即使去除氧化膜后，在空气中及加工 过程中也会很快被氧化，所以自造渣元素法实在是一个不错的方法。 2 铝合金对激光的反射率大 铝对波长为1 0 印m 的c 0 2 激光的反射率很高，所以，在加工中，激光能量 大部分被表面所反射，如何提高铝对激光能量的吸收率成为加工过程中的一大难 题。目前常用的方法有：化学着色、火焰喷涂和表面粗糙化、采用涂料，但是这 些方法都不是十分有效。 3 易形成裂纹 铝合金具有较强的负电性，能与粉末材料中的许多元素结合形成金属间化合 9 第一章绪论 物。较脆的金属问化合物的形成不利于熔覆，如n i a i 、n i m l 3 、f e 3 a i 等都是金 属问化合物脆性相。为了避免形成金属间化合物脆性相，可以通过其它合余元素 的加入来消除或者减少脆性相的形成；或者在基体表面制备中间层，将粉末熔覆 于中间层之上，避免了脆性相的形成。 由于在激光熔覆中，表面涂层被快速熔化，熔融层与基体阃产生了很大的温 度梯度，冷却后，由于熔凝层与基体的胀缩不一致，就会形成熔凝层内的内应力， 当局部应力超过材料的强度极限时就会产生裂纹。内应力可以通过预热或后热来 减少或者消除。 4 易形成气孔 熔覆层内的气孑l 主要是由于熔化过程中产生的气体，在快速冷却熔凝过程中 来不及逸出而形成的，最主要的是溶液中的碳与氧反应所形成的反应性气孔。采 用粘结法预置粉末时，如粘结试剂选用不当，也会在熔化中产生气体。 一般来说，在熔覆过程中，产生气孔是难以完全避免的，只能采取措施加以 控制，常用的方法有： 激光熔池存在的时间应尽量延长，增加气体逸出时间； 覆层应尽量薄，以便于气体逸出： 增加保护气体的流量。 1 3 2 激光熔覆处理工艺 铝合金表面激光熔覆所用激光束工作方式主要有固定激光束方式和振荡激 光束方式，激光器功率有2 k w 、4 k w 、5 k w 及1 0 k w 等不尽相同，但均成功 地获得了定性能的熔覆层。具体采用多大激光功率对铝合金进行表面熔覆，尚 没有统一的标准。这一方面要看设备实际能力，另一方面要恰当协调激光熔覆各 工艺参数之间的搭配关系，控制好输入熔覆材料中的能量密度。铝合金表面激光 熔覆所需控制的工艺参数与钢和铸铁等材料激光熔覆时所需控制工艺参数基本 相同，主要包括：激光束功率，光斑尺寸，光斑振幅和振荡频率f 采用振荡激光柬 进行熔覆时) ，激光束扫描速度，预置层厚度( 预置涂层法) 或送粉速率( 自动送粉 法) 及保护气流量等。 l j u 和m a z u m d e r 等人1 2 0 l 采用1 0 k w 的c 0 2 激光器在a a 3 3 3 铝合金表面上熔 覆了a l - c u 粉末材料，得出了一定激光工艺参数下，激光功率、载气流量等其余 参数对于覆层形成的影响。 t t w o n g 和( 2 y l i a n g 等人1 2 1 j 分别采用5 k w c 0 2 激光器和等离子喷涂的方法 在铝合金表面上熔覆了n i c 卜b s i 和n i 。c r - b s i + w c 粉末材料，相互比较后得 出：激光熔覆所得试样比等离子喷涂所得试样具有更好的摩擦磨损性能，其中激 1 0 第一章绪论 光熔覆n i c r - b s i 的铝合金试样的熔覆层具有最好的摩擦磨损性能；等离子喷涂 所得试样比熔覆所得试样出现剥落现象要普遍得多，这也是导致大而积磨损率出 现的主要原因；大量的无组织结构和过共晶存在于熔覆层中，使得熔覆层具有较 高的硬度和较好的磨损性能。 g y l i a n g 和j ，y s u l 2 2 l 采用5 k w c 0 2 激光器在铝硅合金表面表面熔覆 n i c 卜a l 粉末，用s e m 和t e m 分析覆层后，发现大量的无定形和过共晶结构存 在于熔覆层。在5 2 0 多次采用退火处理束处理所得试样，并测量熔覆层中无定 形结构的含量，结果表明，这些无定形结构可以大大提高铝合金的摩擦磨损性能。 l d u b o u r g 和e h l a w k a 等人【2 3 】采用预置涂层法在铝合金上熔覆了铜和铁粉 末，然后采用x 射线衍射仪和硬度测量仪对熔覆层组织进行了分析，发现了熔 覆层中存在a 1 2 c u 和a 1 7 c u 2 f e 金属相，可以提高铝合金的硬度，所得熔覆层的 显微硬度为3 7 0 h v 。 董世运等人1 2 4 l 将l f c u l 6 熔覆于z l l 0 4 上，涂层组织由界面结合区的粗大枝 晶过渡到细小枝晶，再由涂层下部的胞晶逐渐过渡到涂层中部及顶部的细小枝晶 和等轴晶。激光熔覆铜合金的显微硬度为3 5 0 4 0 0 h v ，为z l l 0 4 基体材料显微 硬度( 9 0 1 1 0 h v ) 的4 5 倍。 西安交大梁工英等人【2 5 l 利用5 k w 的c 0 2 激光器对z l l l l 合金表面的n i w c 等离子涂层进行了熔覆处理。利用s e m 和x 射线衍射分析了激光层中的组织分 布，并对激光处理后的试样进行了耐磨性实验。实验结果表明，激光熔层中的组 织以镍铝基的金属间化合物为主；w c 颗粒基本在熔区中熔化，在冷却过程中以 弥散碳化物形式析出。这些组织的存在使得激光熔层具有很高的硬度，其润滑磨 损耐磨性为未经激光处理喷涂层的1 7 5 倍和舢s i 合金基体的2 8 3 倍。 沈阳工大的张松等人【2 6 l 采用2 k w 连续b i d ：y a g 激光器在a a 6 0 6 1 铝合金表 面激光熔覆s i c 陶瓷粉末。通过此方法，可在6 0 6 1 a 1 合金表面制备s i c 颗粒增 强表面复合材料改性层，熔覆层中还有少量的a 1 4 c 3 和a 1 4 s i c 4 金属间化合物。 与6 0 6 1 a 1 相比，涂层改善了基体的耐空泡腐蚀性能。 近年来，铝合金表面激光熔覆技术获得了很大发展，新的熔覆材料体系不断 被开发出来，熔覆工艺和设备也不断得到改进。同时，对该技术的研究也不断深 入，其经济效益也已显现出来。 第一章绪论 1 4 选题依据及研究内容 1 4 1 选题依据 本论文课题来自孙荣禄教授主持的天津市自然科学基金资助项目“铝合金表 面激光熔覆耐磨、减磨涂层技术研究”。在目前的工业生产中，对于许多较为普 遍使用的零部件，如汽车发动机、活塞、刀具、高温磨具、内燃机凸轮挺杆等等， 往往要求不仅具有良好的加工性与一定的承载能力，同时又要求具备良好耐磨 性。目前常用的制造方法是加入硬质晶须或粒子的复合材料来提高其耐磨性，或 者通过热喷涂进行工件表面改性来提高其耐磨性。前者通常只能做出大块材料或 直接成型。而后者虽然是一种较为常用且已发展成较为成熟的涂覆技术，但不可 回避的是陔技术存在着其本身难以克服的缺陷：涂