【正文】 是，有色金屬特別是鋁合金表面實現(xiàn) 激光涂覆比鋼鐵材料困難得多。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實例： 寬帶激光熔覆 NiWC復(fù)合涂層 效果：復(fù)合涂層熔覆區(qū)主要是由 g Ni、 WC、 W2C、 M23C6及 M7C3 所組成；涂層 厚度為 1mm；稀釋度為 7%；涂層合金最高 硬度為 。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實例： 寬帶激光熔覆 NiWC復(fù)合涂層 熔覆材料體系：基材為 38CrMoAl，涂層材料為 Ni60B+25vol.%WC復(fù)合熔覆粉末。但所有這些方法都不能令人滿意。激光包覆具有粘結(jié)牢靠，包覆層厚度容易控制，操作簡單和加工周期短等優(yōu)點。 激光表面熔覆于 1981年被成功地應(yīng)用于大型噴氣客機(jī)渦輪葉片發(fā)動機(jī)的高壓透平葉片護(hù)罩后，引起了重視，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外激光表面改性研究的熱點。 1978年 Poate等人用雙頻激光輻照，把 Pt， Pd和 Ni膜合金化到 Si中，試樣表面被熔化并在橫向產(chǎn)生非常均勻的合金層，其平均成分可通過改變膜厚和激光功率在一定的范圍內(nèi)變化。 （ 1）鐵基系 在某些情況下，鋼中加入 Cr， Ni， Mo等貴重元素不是為了提高整體強(qiáng)度，而是為了防止環(huán)境對表面的損傷，此時采用表面合金化可使成本大大降低。 激光表面處理工藝 3. 激光表面合金化： 利用激光束使合金涂層與基體金屬表面混合熔化，在很短的時間內(nèi)，形成不同化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的表面合金。目前國內(nèi)外對激光非晶態(tài)處理給予極大的關(guān)注，認(rèn)為它是制作非晶態(tài)合金的一種很有前途的技術(shù)。 激光掃描處理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶態(tài)硬化層的硬度是基體硬度的 5～ 6倍。輥面上需使用程控鉆床打出 個 。 采用激光加熱表面熔化 結(jié)晶處理灰鑄鐵，在白口區(qū)硬度達(dá)到 1070～1210HV。 激光表面處理工藝 為了提高灰鑄鐵及球墨鑄鐵的耐磨性，采 用激光加熱表面熔化－結(jié)晶處理使其表面白 口化，可顯著提高耐磨性，這種處理方法在 生產(chǎn)上使用較多。 激光表面處理工藝 編號 零件名稱 材 料 優(yōu)點或效果 1 錠桿 GCr15 硬化區(qū)深 ，峰值硬度 ,相對耐 磨性提高 10倍 2 成形刀 高速鋼 刀具耐用度提高 ～ ，切削速度提高 7～ 8倍 3 氣缸套 鑄鐵 比硼缸套壽命高 25％，與活塞環(huán)配制壽命提 高 30％ 4 精密儀 器 V型導(dǎo) 軌 45鋼 較原來滲碳工藝減少工序，變形極小，成品 率高 激光表面處理工藝 2. 激光表面熔凝處理： 利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，從而使金屬表面產(chǎn)生特殊的微觀組織結(jié)構(gòu)的一種表面改性技術(shù)。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實例 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸激光相變硬化 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是制冷機(jī)的關(guān)鍵部件，現(xiàn)多采用球墨鑄鐵制備而成，其主要失效形式是軸頸發(fā)生嚴(yán)重磨損。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實例 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)激光相變硬化 活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)易損基礎(chǔ)件之一 。 鑄鐵 大致可分為三層：表層是熔化－凝固所 得的樹枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減 ??；第二層是隱針馬氏體加少量殘留的石墨及 磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏 體。 冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易 得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。 激光照射到材料表面 表層材料受熱升溫 激光作用后冷卻 激光被吸收變?yōu)闊崮? 固態(tài)相變 /熔化 /蒸發(fā) 加熱速度快： 105109℃ /S 自冷速度高： ＞ 104 ℃ /S 輸入功率小，工件變形小 可局部加熱 精確控制：線加工 自動化 但反射率高、轉(zhuǎn)換率低、設(shè)備昂貴、不能大面積 激光束表面處理技術(shù) ?激光與材料：反射與吸收；吸收通過大量傳導(dǎo)電子的帶間躍遷實現(xiàn)。 波長越短，吸收率高 越粗糙，越易吸收 溫度升高、吸收越多：熔點 4050%，沸點 90% 雜質(zhì)影響吸收 黑化處理：碳素 /磷化 /油漆 激光束表面處理技術(shù) 激光相變 激光電鍍：陰極加熱 激光物理氣相沉積 激光化學(xué)氣相沉積 激光束表面處理技術(shù) 激光熔融 激光表面沖擊 1. 激光相變硬化： 在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。 激光表面處理工藝 低碳鋼 可分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體。 激光表面處理工藝 美國正在研究用激光淬火處理飛機(jī)的重載 齒輪，以取代滲碳淬火的化學(xué)熱處理工藝。 為提高活塞環(huán)耐磨性延長其使用壽命 ， 對由42CrMo鋼制備的活塞環(huán)溝內(nèi)側(cè)進(jìn)行了激光 相變硬化處理。為此，采用激光相變硬化技術(shù)對軸頸進(jìn)行強(qiáng)化處理。 細(xì)化鑄造晶粒 過飽和固溶體 減少偏析 非晶體 改變表層結(jié)構(gòu) 激光表面處理工藝 激光熔化淬火處理后的 ZL101及的晶粒尺寸僅為原來的1/10，硬度可提高 30%左右。如采用二氧化碳激光器對 鉻鉬合金鑄鐵活塞環(huán)進(jìn)行熔化一結(jié)晶處理， 可獲得由細(xì)小碳化物與隱晶馬氏體所組成的 極細(xì)萊氏體。美國阿爾科公司利用這種方法處理灰鑄鐵的凸輪軸等零件，表面形成萊氏體組織，硬度為 52～ 54HRC。過去因打孔器技術(shù)沒過關(guān)，以致不能滿足需要。 航空發(fā)動機(jī)渦輪盤表面形成一非晶態(tài)層，使其重量減少50%。 激光表面處理工藝 激光非晶體的應(yīng)用正在開發(fā)中?？色@得理想合金或亞穩(wěn)態(tài)合金。例如，用 70%Cr－ 30%Ni的金屬粉末對一般碳鋼進(jìn)行激光表面合金化，表面可獲得29%Cr13%Ni的合金，該合金在 1mol/L H2SO4中的極化曲線與 188不銹鋼的極化曲線相似，有幾乎一樣的鈍化能力，即具有相同的耐蝕性。用連續(xù)波激光加熱固體有可能形成單相硅化物。 激光表面處理工藝 1．激光包覆 激光包覆工藝是繼激光淬火之后，第二個在工業(yè)中獲得應(yīng)用的一種激光表面改性技術(shù)。 激光表面處理工藝 1．激光包覆 英國已采用計算機(jī)控制的激光包覆工藝取代手工氬弧堆焊工藝，在發(fā)動機(jī)渦輪葉片上包覆鈷基合金，可得到無氣孔、無裂紋的高性能包覆層，工效提高 11倍，成本降低 80%，鈷基合金的消耗量減少 50%。因為它們獲得的涂層含有過多的氣孔、熔渣夾雜和微觀裂紋，而且涂層結(jié)合強(qiáng)度低，易脫落。 工藝：激光輸出功率為 ，掃描速度為 3mm/min，送粉率為 9g/min，光斑尺寸為 15mm 。 應(yīng)用范圍： a)軸件修復(fù)； b)新產(chǎn)品，以提高使用壽命。鋁合金與涂覆 材料的熔點相差很大，而且鋁合金表面存在高 熔點、高表面張力、高致密度的 Al2O3氧化膜， 所以，涂層易脫落、開裂、產(chǎn)生氣孔或與鋁合 金混合生成新合金，難以獲得合格的涂層。鋁合金的激光熔覆 已在國外獲得應(yīng)用。如果用激光沖擊硬化處理齒輪和 軸承等精加工的工作面，就可以阻止處理部位裂紋的 擴(kuò)展。 激光表面處理工藝 用激光沖擊波對飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的緊固件進(jìn)行 處理，其緊固件的高頻疲勞壽命，處理后比 處理前要延長 100倍，這對提高飛機(jī)的性能起 著決定性的作用。 激光表面改性對性能的影響 一、力學(xué)性能 1．硬度 比感應(yīng)熱處理的硬度略高 T12鋼： 1050HV T8鋼： 980HV 45鋼： 780HV， W19Cr4V高速鋼： 1000～ 1100HV。 灰口鑄鐵、球墨鑄鐵等材料，經(jīng)過激光表 面強(qiáng)化以后，提高耐磨性的效果也是顯著 的。 激光表面改性對性能的影響 激光電鍍：激光可以提高金屬的沉積速度，同等面積可使金屬的電沉積速度提高三個數(shù)量級以上。 激光表面處理工藝 激光化學(xué)氣相沉積 是將激光照射至 TiCl4＋ H2＋ CO2， 或 TiCl4＋ CH4的混合氣體中 ， 由于 激光的熱分解作用 ， 在基體上沉積出 TiO2或 TiC膜層 。 激光表面處理工藝 電子束表面改性技術(shù)與激光技術(shù)一樣， 都是近年來迅速發(fā)展起來的表面處理新 技術(shù)，它具有節(jié)約能源、防止環(huán)境污染、 提高生產(chǎn)率和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點，已在 各發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。 可在幾分之一秒甚至千分之一秒把金屬材 料由室溫加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度或熔化溫度。 第六章 表面改性新技術(shù) （ 3）電子束淬火時靠金屬基體自行冷卻淬 火介質(zhì)，一般也不需要特別的冷卻裝置。 （ 7）電子束功率等參數(shù)可以控制，因此， 表面改性的位置、深度等工藝和性能指標(biāo) 也能嚴(yán)格控制。 第六章 表面改性新技術(shù) 一、電子束表面相變強(qiáng)化 獲得一種超細(xì)晶粒組織。 第六章 表面改性新技術(shù) 二、電子束表面合金化 用電子束快速加熱進(jìn)行表面合金化處理， 盡管時間很短，但仍完成了液體金屬的混合 和合金元素的擴(kuò)散并重新分布的過程，從而 獲得了滿意的表面合金化結(jié)構(gòu)與硬度。由于快速凝固細(xì)化顯 微組織，可獲得致密性極好的非晶態(tài)層，這 種非晶態(tài)組織具有很高抗腐蝕與抗疲勞的性 能。 第六章 表面改性新技術(shù) 五、電子束表面熔覆 利用電子束熔覆處理技術(shù)時，向熔化區(qū)添 加合金元素，在材料表面產(chǎn)生一些覆蓋層， 像一些薄的銀箔、金箔等薄片、金屬絲或者 像電沉積層一樣，在熔化區(qū)可得到所希望的 化學(xué)成分的覆蓋層。 把這個密封面用電子 束熔化約 3mm深 ， 由于速冷 ， 可得到比任何鑄件 都細(xì)的滲碳體組織。 第六章 表面改性新技術(shù) 按 接觸介質(zhì) 劃分有 固體法 、 液體法 、 氣體法和 等離子法 ?；罨瘎┮话銥辂u化物，如 NH4Cl， NH4I等。 第六章 表面改性新技術(shù) 2．液體法 目前世界上采用的較新的液體法熱擴(kuò)滲技術(shù) 是鹽浴法 ， 其基本原理是在金屬鹽熔融液體中 加入 V、 Nb、 Cr、 Ti、 Ta等鐵合金粉末 ， 然 后把含有較高 C， N的鋼件浸入 （ 可預(yù)先進(jìn)行 滲碳 、 氮化或碳氮共滲 ） ， 在 800～ 1250℃ 溫 度下 ， 經(jīng)過 ～ 10h的時間后；可在表面上形 成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層 ， 從而賦予 工件表面高的耐磨性。等離子體是利用低真空下氣體輝光放 電獲得的，因為離子活性比原子高，加上電場 的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼技術(shù) 鋼的滲硼層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐熱 性能均比滲碳層和氨化層高。隨著硼在鐵中滲入量的增加，硼與鐵 依次形成穩(wěn)定的化合物 Fe2B和 FeB，這些鐵的 硼化物，在高溫時也具有較高的穩(wěn)定性。比 較常用的是固體法和液體法。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼工藝方法 (1) 固體滲硼 填充劑： 滲硼介質(zhì)的分散劑和載體，一般由 惰性物質(zhì)組成。它具有 設(shè)備簡單、清洗容易的優(yōu)點，適合批量處理。該法質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡 便，已在生產(chǎn)中應(yīng)用。粘結(jié)劑的選擇對滲硼后 滲劑的脫落性有重要影響。電解時浸在熔融硼砂中的工件作 陰極，容器或石墨棒為陽極進(jìn)行電解滲硼。 滲硼層的組織與性能 滲硼后的滲層組織由表向里依次為 FeB、 Fe2B、過渡層、心部組織，即由化合物、過 渡層和基體組織三部分組成。此外，滲硼 處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能 力。滲硼層對 鹽酸、硫酸、磷酸及堿具有良好的抗蝕性，在 600℃ 下硼化物層抗氧化性良好。近年來，滲硼還逐漸 擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬，例如難 熔屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中獲得應(yīng)用。滲金屬的特點是：滲層是靠加熱 擴(kuò)散形成的，所滲元素與基體金屬常發(fā)生反應(yīng)而 形成化合物相，使?jié)B層與基體結(jié)合牢固，其結(jié)合 強(qiáng)度是電鍍、化學(xué)鍍等機(jī)械結(jié)合所難以達(dá)到的。 第六章 表面改性新技術(shù) (1) 滲鉻的方法 1) 固體粉末滲鉻 該法是將工件埋入滲鉻劑中，放在高溫的密封 容器中保溫一定的時間進(jìn)行滲鉻。 第六章 表面改性新技術(shù) (1) 滲鉻的方法 1) 固體粉末滲鉻 （ a）固體粉末通氫滲鉻法 氫氣促進(jìn)了化學(xué)還 原反應(yīng)的進(jìn)行，使之產(chǎn)生更多的活性 [Cr]，加 快了滲速。這種方法 大大縮短了工藝周期，并保持零件心部性能不 變。滲鉻源是鉻 粉或鉻鐵粉，溶劑是冰晶石，粘結(jié)劑可用水玻 璃、干性油漆、清漆、硅酸鹽等。滲鉻氣氛（鹵化鉻）可在爐 外制取，也可在爐內(nèi)放置鉻或鉻鐵粉末，通以 Cl2和 H2制取。 第六章 表面改性新技術(shù) (1) 滲鉻的方法 3) 液體滲鉻 液體滲鉻是在含有活性鉻原子的鹽浴中進(jìn)行 的，具有設(shè)備