激光强化、修复技术

-.z.1．激光外表强化的原理当激光束照射到材料外表时，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外表上，在很短时间(10～～10S)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，材料外表冷速很快(冷速高达lO4~C／s)，自然冷却就能实现外表强化。根据激光束与材料外表作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光外表强化。2激光外表强化技术的分类激光外表强化技术的分类见图1、图2。图2表示出激光外表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激光束外表强化的特点(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)(2)外表强化层组织细，硬度高，质量好，外表光洁无氧化，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展外表强化处理，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。激光外表强化技术也存在一些问题，如对反射率高的材料要进展防反射处理，不适宜一次进展大面积处理，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，采用激光外表强化技术时，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激光外表相变硬化(激光淬火)激光淬火是金属材料在固态下经受激光辐照，外表被迅速加热到奥氏体化温度以上，并在激光停顿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比照。结果说明，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。针盘磨损试验结果说明，SK一5共析钢激光淬火试样比高频外表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0366rflln*645mill(壁厚9mm)筒式孔模与筒式针模组成。分布25000个直径0．89rflln的孔和针，材料为中碳钢，径向误差不超过0．05rflln。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，邮票供给紧*。对打孔器孔模周围孔刃进展激光外表淬火后，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*，国产打孔器印刷50万*，采用激光淬火后印刷1000万*仍可使用_3。(2)细长(空心)轴激光淬火：轴长26O0rnIn，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≤0．1ⅡⅡn，变形、组织、硬度全部合格l。(3)筒形薄壁零件内外表激光淬火：外径60niro，壁厚8niro，长106n-in-1。内外表淬火要求内径变形<0．1咖，采用传统热处理工艺，内径及椭圆度均超差。采用激光淬火一次成功。(4)汽车转向器壳体：美国通用汽车公司萨基诺(Saginaw)转向器分厂(1974年)首先将激光淬火应用于工业大批量生产，在可锻铸铁壳体内外表磨损最严重的局部处理了5条宽1．5～2．5mln，深0．25～0．35mln的硬化带，硬度64HRC，使用寿命提高10倍。(5)发动机缸体和缸套：美国通用汽车公司1978年建成EMD柴油机激光热处理生产线。4台5kWC02激光器在铸铁缸套内壁处理出宽2．5rflln，深0．5mln的螺旋线硬化带。(6)大恒公司对汽车发动机缸体内壁进展激光淬火，激光功率900W，扫描速度40mm／s，硬化带宽3．5rflln，深0．25～0．3mln，硬度63HRC，使用寿命提高3倍。5激光外表熔凝处理(激光上釉)能量密度很高的激光束在金属外表连续扫描，形成薄的熔化层，利用基体吸热作用使熔池中的金属液以1(y6～108K／s的速度冷却、凝固，可以细化铸造组织，减少偏析，形成高度过饱和固溶体等亚稳定相乃至非晶态，提高材料外表耐磨、抗蚀、抗氧化性能等。5．1应用举例(1)铸造Al—si合金晶粒细化：Al—si合金铸造组织是初生si+(Al—Si)共晶组织。激光熔凝处理后，初生si由原先约60tnn细化为1～4tnn并提高了硬度。(2)珠光体基体灰铸铁(250HV)，激光熔凝处理后，组织为含有马氏体的细小的白口铸铁型凝固组织800～950HV，磨料磨损性能显著提高。铁素体基体球墨铸铁(180HV)，激光熔凝处理后，组织主要为含马氏体的细小的白口铸铁型凝固组织4OO～950Hv，具有良好耐磨性。(3)型煤辊轮：材料为灰铸铁，由于传统热处理变形大，易开裂，原先冷加工后不进展热处理，使用寿命很低。采用激光外表熔凝处理后，硬度大大提高，使用寿命延长。6激光外表合金化用激光束将金属外表和外加合金元素一起熔化混合后，迅速凝固，在原基材外表形成新的合金层。进展激光合金化的基材主要有：普通碳钢、合金钢、高速钢、铸铁等。合金化元素主要有：Cr，Ni，w，Mo，Ti，Mn，B，V，Co等。6．1应用举例*厂冲压模具，材料规定是45钢，加工完后发现是Q235．A钢，原工艺为火焰淬火，由于Q235．A钢工件外表微熔并增碳、增铬，外表硬度>450Hv，层深>0．4nlln，到达要求。7激光外表熔覆在基体材料外表添加熔覆材料(采用预置法或同步法)，利用高能密度的激光束使之与基体外表薄层一起熔凝，在基材外表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HⅡn3)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5inln*25inln*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±1mm，转速180r／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