【文章內(nèi)容簡介】 以及形成硬化花樣 （ 2） 激光表面熔凝處理 激光表面熔凝處理事宜一定功率的激光照射在樣品上，是表層鑄鐵熔化，同時在未熔鑄鐵基體的快速冷卻作用下，金屬表面由外而內(nèi)形成組織和性能均異于原始基體上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 11 的熔凝層和相變層，一般稱為激光熔凝處理。而且對于尺寸較小、幾何形狀較復雜的零件，采用傳統(tǒng)的涂層方式加工時，容易引起零件尺寸的變化或形變，與之相比，采用激光表明熔凝處理技術則有著更大的優(yōu)勢。 （ 3） 激光表面淬火 表面淬火的方法有很多，一般是高頻感應加熱淬火和火焰加熱淬火、激光加熱淬火。將球墨鑄鐵件表面加熱到 900℃左右，保溫一 定時間后，表面組織會實現(xiàn)全部奧氏體化，此時進行油冷或熔鹽中冷卻實現(xiàn)表面淬火，然后在 300℃溫度下加熱保溫回火，使表面組織轉(zhuǎn)化為回火馬氏體以及殘余奧氏體，表面組織中的石墨形態(tài)保持不變。（ 4） 激光熔覆 激光熔覆是利用高能密度的激光束，將通過輸送裝置的金屬粉末或事先預置于基體上的涂層熔化，在基體上形成熔池。在光束通過后，熔化金屬 ( 包括涂層材料和部分基體材料 ) 快速凝固后與基體冶金結(jié)合，形成單道熔覆，并通過多道搭接，在基體上建立一定體積范圍的熔覆層。由于只在基體表面熔覆很薄的一層涂層，就能達到在低成本鋼板上制成高 性能表面的目的，從而代替了用貴重、稀有金屬材料制作的高級合金，降低了能源和資源消耗。因為基體材料的良好的導熱性能，從而產(chǎn)生極高的冷卻速度，使熔覆層快速凝固結(jié)晶。不但產(chǎn)生高結(jié)合強度冶金結(jié)合，而且還獲得均勻細小的顯微組織，由此獲得具有非常優(yōu)異的力學性能和耐磨、耐蝕性能的表面。 （ 5） 納米復合涂層處理 納米復合涂層處理是在在球墨鑄鐵件表面涂覆一層含有納米材料的復合涂層，復合涂層具有較強的耐磨性和潤滑性，同時還具有高熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，涂層為多層復合，也就使得涂層和基體結(jié)合力及涂層的韌性非常高，大大提升了零件的疲勞 抗力，還能使球墨鑄鐵件表面具有納米材料的優(yōu)異特性和復合涂層的力學性能，也大大延長了零件的使用壽命。 目前添加的納米顆粒主要是納米碳化物、納米氮化物、納米氧化物、納米金屬、納米合金等。 激光重熔技術 金屬的激光表面改性技術是 20 世紀 70 年代中期才發(fā)展起來的高新技術 ,它將現(xiàn)代物理學、計算機、材料科學、先進制造技術等方面的成果和知識進行有機結(jié)合 ,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的表面強化 ,還能實現(xiàn)低等級材料的高性能表層改性 ,達到零件低成本與產(chǎn)品表面高性能的最佳組合 ,為解決整體強化和其它表面強化工藝難以克服上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 12 的矛盾提供了可 能 ,并對重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇和匹配、設計和生產(chǎn)過程產(chǎn)生重大的有利影響。 該技術主要利用激光具有的高亮度、高方向性和高單色性的特點。激光能夠產(chǎn)生1012W/cm2 的能量密度 ,遠遠高于傳統(tǒng)的火焰表面處理和感應表面淬火時獲得的能量密度。當高能量密度的激光作用在金屬表面時 ,金屬表層和所吸收的激光進行光熱轉(zhuǎn)換 ,由于光子穿透金屬的能力較弱 ,只能使金屬表面較小范圍內(nèi)的溫度在微秒、甚至納秒級的時間內(nèi)達到材料的相變或熔化溫度。當激光離開后 ,金屬表面的高溫區(qū)將快速冷卻。根據(jù)表面需要的性能指標 ,可以選擇合適的工藝方法和工藝參 數(shù) ,以控制金屬表面的組織變化和性能。如檄光相變硬化和沖擊強化主要用于金屬材料的表面硬化處理，而激光重熔技術主要用于改善表面的微觀組織 ,提高產(chǎn)品表面的耐磨性能和抗腐蝕性能 ,而激光熔覆和合金化是不同成分的合金元素與基體混合以形成新的合金化表層。 激光表明改性方法很多，參照 的分類方法，將金屬表面的激光改性方法進行分類，如圖 所示。 圖 激光表面改性處理方法分類 激光重熔的研究發(fā)展方向 激光重熔的概念是最近幾年才提出來的一個名詞。過去的二十年來，激 光重熔的概念一直是依附于激光熔覆的概念之上的，直到現(xiàn)在，在大量的著作中還沿用預置式的激光熔覆這一說法。激光重熔近年來發(fā)展快速，但是由于其影響參數(shù)很多，實驗條件不成熟等原因，仍存在很多問題，這些問題也限制了重熔技術的進一步發(fā)展和應用，今后的發(fā)展方向大致有以下幾個方面。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 13 （ 1） 合理設計涂層材料，優(yōu)化工藝。這一步主要是對熱噴涂的研究，包括涂層與基體涂覆結(jié)合層，噴涂前后對涂層進行熱處理，以及噴涂設備的穩(wěn)定以保證涂層厚度均勻、成分均一，再進行激光重熔的研究。看看二者如何才能達到最優(yōu)配合，以期提高重熔層的性能，這也是 走向工業(yè)應用的前提。 （ 2） 研究激光重熔對基體材料的熱應力和開裂傾向。目前已有不少研究者開展了這方面的研究。只有對激光重熔過程產(chǎn)生的熱應力有正確的認識和理解，通過一定的工藝控制，才能避免產(chǎn)生合金層裂紋的產(chǎn)生，拓寬激光重熔的應用。 （ 3） 解決與大功率激光器配套系列裝置的工藝穩(wěn)定性問題。目前激光器存在輸出功率不穩(wěn)定、多道搭接中任兩道重熔間隔時間不易控制、工作臺操作比較麻煩，以及光斑直徑的測量存在一定的偶然性等問題。 激光重熔的特點 作為激光表面改性的重要技術之一 ,激光重熔技術引起了學者們的極大關注。 激光重熔也稱激光熔凝 ,是將激光束加熱工件表面至熔化到一定深度 ,然后自冷使熔化區(qū)域凝固 ,獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需要的表面改性技術。其主要特點有： （ 1）表面熔化時不添加任何合金元素 ,重熔層與基體材料是天然的冶金結(jié)合。 （ 2）在激光重熔過程中 ,可以排除雜質(zhì)和氣體 ,同時因急冷時進行重結(jié)晶 ,可以獲得具有較高硬度、耐磨性和抗腐蝕性能的組織。 （ 3）其熔化層較薄 ,熱作用區(qū)小 ,對表面粗糙度和工件尺寸影響不大 ,有時可以不需要后續(xù)的磨光而直接使用。 （ 4）表面重熔層深度遠大于激光非晶化。澎光重熔層的組織取決于基體金屬材料 。對于鐵基合金、欽基合金等可以發(fā)生固態(tài)相變的材料 ,激光作用區(qū)的重熔組織由三層組成 :表面熔化區(qū)、沙 :表層的固態(tài)相變區(qū)和內(nèi)層的過渡區(qū)。而不能發(fā)生固態(tài)相變的合金如鎳基合金、奧氏體不銹鋼等材料的熔化組織則只有一層熔化區(qū)。 由于激光重熔后的工件通常不進行后續(xù)的磨光而直接使用 ,因此對重熔處理后的表面質(zhì)量有所要求。在激光重熔處理時 ,熔化區(qū)形成的溫度梯度很大 ,導致在表層形成很高的應力梯度和熔體的環(huán)流運動。如在鐵的熔體中環(huán)流的運動速度可達 150mm/s。熔體內(nèi)部壓 力的變化需要相應的補償 ,它由熔池表面的彎曲來完成的 ,從而影響了表面的形貌。為了保證工件表面的形貌和尺寸 ,主要從以下幾個方面進行控制 : （ 1） 選用最佳的激光重熔工藝參數(shù)和工藝方法。在激光重熔的工藝參數(shù)中 ,對表面形貌的顯微起伏影響最大的是激光功率密度。連續(xù)重熔處理時 ,功率密度宜應在上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 14 5103W/cm2至 5104W/cm2之間。同時 ,為了獲得最佳的表面形貌 ,應采用較低的掃描速度。這樣的激光參數(shù)可以使熔池中的環(huán)流分解成許多小的旋渦 ,從而降低表面的彎曲程度。 （ 2）工件設計加工時 ,由預留加工余量來補償原始表面顯微硬 度的下降量。在熔池中加入能減小流體速度的專用添加劑 ,是改善表面形貌的有效途徑。但如果因激光工藝參數(shù)不當造成表面形貌嚴重損壞 ,并需要進行后續(xù)的磨光處理 ,則失去了激光重熔處理的意義。這不僅增加了產(chǎn)品的制造成本 ,更重要的是失去了具有良好耐磨性能的重熔層。 激光的工藝參數(shù)的選擇直接影響到噴射電鍍層激光重熔的性能，而且激光功率、掃描速度、光斑大小等工藝參數(shù)之間的相互匹配也至關重要。據(jù)資料表明激光重熔的工藝參數(shù)分別對于激光重熔層深度的影響如下： (1)激光功率的影響是至關重要 的，它正比于激光重熔層的深度。當其它條件一定時，激光功率越大，所獲得的激光重熔層就越深，或者在要求一定深度的情況下可獲得面積較大的重熔層。同時，對于在相同激光功率條件下，光束的模式和激光功率的穩(wěn)定性都對激光重熔有著影響。 (2)掃描速度直接反映了激光束在材料表面的時間。在激光功率密度一定、其它條件相同時，掃描速度越低，激光在材料表面作用的時間就越長，溫度就越高，材料表面就越容易熔化，重熔層深就越大；反之，掃描速度越快，重熔層就越薄。 (3)在相同光斑尺寸的情況下，工件表面處于焦點內(nèi)側(cè)或焦點外側(cè)對重熔質(zhì)量 也有影響。選擇焦點外側(cè)更為方便。光斑尺寸的大小直接影響重熔層帶寬，同時在相同激光功率和掃描速度條件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，重熔層越淺。反之，光斑尺寸越小，功率密度越高，重熔層越高。 激光重熔過程中溫度場的分布決定了重熔層的情況，因此，為了獲得激光工藝參數(shù)對重熔層的性能的影響關系，必須研究工藝參數(shù)對噴射電鍍重熔層的溫度場分布規(guī)律的影響。在確定激光重熔工藝參數(shù)時，首先要分析被加工零件的材料物性、使用條件、服役工況，以便明確技術條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求，從而決定重熔工藝種類和重熔層的硬度、深度、寬度，并由此考 慮選用激光掃描的方式和位置等。其次，根據(jù)工件的形狀、特點，參考已做過的試驗預定工藝參數(shù)范圍，再根據(jù)三個參數(shù)的實驗對比，選出符合產(chǎn)品質(zhì)量要求的最佳工藝，通過驗證后再行確定。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 15 總之，確定工藝參數(shù)是一個復雜的過程，必須經(jīng)過充分、周密地實驗和論證， 從最終的綜合效果來選擇確定。 球墨鑄鐵表面激光重熔 用激光表面加工的手段進行材料表面改性 ,諸如激光表面重熔 , 合金化 ,涂覆 ,陶瓷化等等 ,都是通過控制近表層的化學組分和顯微結(jié)構(gòu)來達到的。通過對符合鐵碳合金相圖的穩(wěn)定相鑄鐵組織表面進行激光快速熔凝 ,可以產(chǎn)生亞 穩(wěn)態(tài)的奧氏體加滲碳體結(jié)構(gòu)。熱影響帶厚度也由于光束的高能量密度而減小到最小。這種表面的性質(zhì)與其基體材料相比 ,無論在抗疲勞、抗腐蝕 、耐磨性等各個方面的優(yōu)越性使得激光加工已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。合金鑄鐵由于它們的可鑄造性能 , 以及它們的良好的可加工性 ,被廣泛應用于許多領域。 片狀石墨球墨鑄鐵是它們的典型代表。在過去的十幾年中 , 對于鑄鐵表面激光重熔后的組織形貌及性能的研究已有大量的報道。例如有的文獻報道了利用連續(xù)波 CO2激光器對鑄鐵進行表面重熔的研究。利用大功率脈沖激光器對鑄鐵進行表面重熔 ,以及對多 道掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變異的機理的討論也已見報道。 球墨鑄鐵表面激光淬火可以獲得一定厚度的淬硬層 ,使表面具有淬火馬氏體、殘余奧氏體與石墨的混合顯微組織 ,對提高有潤滑表面 的耐磨性有較顯著的效果。如圖 為球墨鑄鐵熔池區(qū) 500 倍下金相形貌。的當激光作用線能量密度較高時 ,在石墨與基體界面還會產(chǎn)生部分熔化 ,結(jié)晶后形成白口鑄鐵區(qū) ,從而改變表面強化機制 ,獲得相應的表面性能。由于激光加熱速度快 ,有時甚至超過材料的導熱速度 ,同時激光加熱區(qū)域一般很小 ,因此激光重熔或淬火具有快速加熱和快速冷卻的特性 ,導致材料相變具有顯著的不均勻 性 ,將影響球墨鑄鐵激光表面處理后的性能。因此研究激光作用于球墨鑄鐵后的相變特性與相變條件有重要的實際意義。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 16 圖 球墨鑄鐵熔池區(qū)金相形貌 500 實驗的目的和意義 當前球墨鑄鐵雖然由于自身良好的機械性能，其應用范圍已經(jīng)十分廣泛，但由于許多領域都要求工件表面要具有高硬度、耐磨性、耐高溫等性能 , 如一些閥門的閥座、大型機床的導軌等，這些要求一定程度上限制了球墨鑄鐵的應用范圍。而激光重熔工藝處理可以改善球墨鑄鐵的表面性能，激光重熔可以在球墨鑄鐵表面獲得高硬度、高耐磨性和高溫性 能的改性層，因此對這類工件進行激光重熔處理 ,獲得具有所需性能的球墨鑄鐵材料，便具有重要的實際意義。例如白口鑄鐵具有較高的硬度和耐磨性，但由于它的脆性大，使其在應用上具有極大的限制 ,而球墨鑄鐵具有足夠的韌度、良好的鑄造成型性，再經(jīng)過激光重熔后又能獲得高硬度與高耐磨性的表層，這一技術大大拓寬了球墨鑄鐵鑄件的應用領域。 隨著時代的發(fā)展，激光重熔技術的不斷進步，用激光重熔技術進行材料表面改性，是解決資源浪費、環(huán)境污染和廢舊裝備翻新改造的有效途徑之一，是符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項綠色系統(tǒng)工程。 2 實驗材料及方法 實驗材料 實驗用主要材料為鑄態(tài) 珠光