激光强化、修复技术

1 激光表面强化的原理 当激光束照射到材料表面时 激光被材料吸收变为热能 表层材料受热升温 由于功率集中在一个 很小的表面上 在很短时间 10 10 S 内即把材料加热到高温 加热速度高达 lO5 lO9 C s 使材 料发生固体相变 熔化甚至蒸发 当激光束被切断或移开后 材料表面冷速很快 冷速高达 lO4 C s 自然冷却就能实现表面强化 根据激光束与材料表面作用的功率密度 作用时间及作用方式的不同 可实 现不同类型的激光表面强化 2 激光表面强化技术的分类 激光表面强化技术的分类见图 1 图 2 图 2 表示出激光表面强化方法在激光功率密度和作用时间 坐标系中所处的位置 这些过程在很大程度上取决于功率密度和幅照时间 3 激光束表面强化的特点 1 激光功率密度大 加热速度快 105 lO9 s 加热温度高 基体自然冷却速度高 lO4oC s 生产效率高 2 表面强化层组织细 硬度高 质量好 表面光洁无氧化 具有高的强度 韧性 耐磨性 耐蚀性 3 热影响区小 工件变形小 4 可以局部加热 对形状复杂 非对称几何形状的零件及特殊部位均可进行表面强化处理 如盲孔 底部 深孔内壁等 5 整个过程易实现自动控制 6 无污染 劳动条件好 激光表面强化技术也存在一些问题 如对反射率高的材料要进行防反射处理 不适宜一次进行大面 积处理 激光本身是转换效率较低的能源 激光设备价格较高等等 因此 采用激光表面强化技术时 要 选择适当的零件 材料和工艺 充分利用其优点 使之成为高效率 高经济效益的方法 4 激光表面相变硬化 激光淬火 激光淬火是金属材料在固态下经受激光辐照 表面被迅速加热到奥氏体化温度以上 并在激光停止 辐射后快速自淬火得到马氏体组织的一种工艺方法 激光淬火适用于珠光体灰铁 铁素体灰铁 球墨铸铁 碳钢 合金钢 马氏体型不锈钢 铝合金等 钢铁材料激光淬火比传统热处理的组织更细小 硬度提高 15 20 耐磨性明显提高 见表 1 在 MM200 型磨损试验机上测定了 4 种钢材激光淬火试样的耐磨性并与普通热处理试样对比 结果表明 激 光淬火试样的耐磨性比淬火 低温回火试样提高 50 左右 比淬火 高温回火试样提高 15 倍左右 针盘 磨损试验结果表明 SK 一 5 共析钢激光淬火试样比高频表面淬火试样的耐磨性提高 1 倍 4 1 应用举例 1 邮票打孔器激光淬火 由 0366 rfllnx 645mill 壁厚 9 mm 筒式孔模与筒式针模组成 分布 25 000 个直径 0 89rflln 的孔和针 材料为中碳钢 径向误差 不超过 0 05 rflln 常规热处理无法满足 打孔器生产周期 3 4 个月 使用寿命仅一个多月 邮票 供应紧张 对打孔器孔模周围孔刃进行激光表面淬火后 硬度由 18HRC 提高到 70HRC 淬火层深度 0 10 0 50lain 几乎无变形 过去进口打孑 L 器印刷邮票 150 万张 国产打孔器印刷 50 万张 采 用激光淬火后印刷 1000 万张仍可使用 3 2 细长 空心 轴激光淬火 轴长 26O0 rnIn 材料为 40Cr 和 45 钢 要求振摆 中心挠度 0 2mln 工厂采用感应加热淬火因变形超差而报废 采用激光淬火后振摆 0 1 n 变形 组织 硬度全部合格 l 3 筒形薄壁零件内表面激光淬火 外径 60niro 壁厚 8niro 长 106 n in 1 内表面淬火要求内径 变形450 Hv 层深 0 4nlln 达到要求 7 激光表面熔覆 在基体材料表面添加熔覆材料 采用预置法或同步法 利用高能密度的激光束使之与基体表面薄层 一起熔凝 在基材表面形成与其呈冶金结合的添料熔覆层 见图 3 其特点是 熔覆层与基体呈冶金结合 对基材的热影响区小 变形小 基材的稀释程度低 一般为 2 8 7 1 激光熔覆材料 激光熔覆材料主要是热喷涂类材料 如自熔性合金 金属 陶瓷复合材料 陶瓷材料及纳米材料等 1 自熔性合金粉末 主要是铁基自熔合金 镍基自熔合金和钴基自熔合金等 镍基自熔合金激光熔 覆层的组成相是 一 Ni 及 Ni3B M23c6 M7c3 CrB Cr2B 等 铁基自熔合金激光熔覆层的组成相是 a Fe 7 一 Fe MTC3 M23c6 Fe2B 等 钴基自熔合金激光熔覆层的组成相是 a Co CO2B M23 CB 6 M6C 等 2 金属 陶瓷复合材料 如自熔合金 WC Co Ni wC NiCr NiCrA1 Cr3C2 等 3 陶瓷材料 如氧化铝 氧化锆 Al o3 25 ZFO2 Y2o3 75 Tio2 13 A12o3 87 系 列等 因存在裂纹 剥落等问题 尚处于研究阶段 4 纳米材料或纳米复合材料 如纳米 WC Ni 基自熔合金等 7 2 不同熔覆材料干摩擦滑动磨损试验结果 体积磨损量 H n3 Is 不同熔覆材料干摩擦滑动磨损试验结果见表 2 7 3 镍基自熔合金 WC 熔覆层干摩擦滑动磨损 试验结果 镍基自熔合金 WC 熔覆层干摩擦滑动磨损试验结果见表 3 7 4 镍基自熔合金 WC 熔覆层橡胶轮浆体磨损 试验结果 试样尺寸 5inlnx 25inlnx 50mm S WC 为粒径 420 840ttm 的烧结碳化钨 C WC 为粒径 280 600ttm 的铸造碳化钨 橡胶轮直径 177 1 mm 转速 180 r min 外周线速度 1 67m s 载 荷 7ON 试验时间 60min 浆体组成 无烟煤 150 420tun 35 石英砂 280 420tun 20 自来水 45 实验结果 见图 4 图 5 7 5 应用举例 1 矿用渣浆泵平衡盘 受矿井水的腐蚀和水中煤粒的冲蚀磨损的交互作用 一般采用合金钢或 合金铸铁 使用寿命很低 后改为火焰喷焊镍基合金 零件使用寿命有所提高 但工艺操作复杂 合金粉 末消耗多 工件变形大 涂层缺陷多 零件加工量大 采用 45 钢激光熔覆 Ni60 和 Ni60 WC 涂层 经煤 矿现场使用 使用寿命比火焰喷焊镍基合金涂层提高 50 以上 而且质量好 效益高 8 2 激光熔覆截齿 熔覆材料 Ni 基自熔合金 WC 3 矿用 108 t 自卸车发动机凸轮轴的修复 熔覆材料 Ni 基自熔合金 8 激光冲击硬化 用功率密度很高