【正文】 激光表面處理工藝 用激光沖擊波對飛機結構中的緊固件進行 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，這對提高飛機的性能起 著決定性的作用。 各種材料經(jīng)過激光表面改性處理以后，可以得到硬 度很高、晶粒和組織很細的強化層，它與基體的結合 屬于緊密的冶金結合。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 擴展。 激光表面處理工藝 激光沖擊硬化是正在開發(fā)的一種材料表面改性技術，它不僅可以大大提高材料的強度和硬度，而且能有效提高鋼、鋁、鈦等合金的抗疲勞性能。鋁合金的激光熔覆 已在國外獲得應用。一般鋁合金預熱溫度為 300℃ ～ 500℃ ； 鈦合金預熱溫度為 400℃ ～ 700℃ 。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。這對于表面耐 磨、耐蝕和抗疲勞性都很差的鋁合金來說尤為 重要。 應用范圍： a)軸件修復； b)新產(chǎn)品，以提高使用壽命。 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 。 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 。使用激光進行陶瓷涂覆，即可避免產(chǎn)生上述缺陷，提高涂層質(zhì)量，延長使用壽命。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，而且涂層結合強度低，易脫落。 激光表面處理工藝 2．陶瓷層激光涂覆 火焰噴涂和等離子噴涂等熱噴涂的方法廣泛用來進行陶瓷涂覆。 激光表面處理工藝 1．激光包覆 英國已采用計算機控制的激光包覆工藝取代手工氬弧堆焊工藝，在發(fā)動機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%。 激光表面處理工藝 1．激光包覆 激光包覆是選擇硬度高、耐磨、耐蝕和抗疲勞性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束掃描，將包覆材料熔化到基體表面，形成包覆層。 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)中獲得應用的一種激光表面改性技術。 激光表面處理工藝 與表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，這樣一來避免了熔化基體對添加層的稀釋，可獲得具有原來特性和功能的強化層。用連續(xù)波激光加熱固體有可能形成單相硅化物。例如以 Si合金化可達到的硬度是 200HV，以 Cu合金化可達300HV，以 Fe合金化可達 300～ 500HV， 激光表面處理工藝 （ 3）金屬硅化物 激光表面合金化另外一個應用領域是制作硅上面的金屬觸點。例如，用 70%Cr－ 30%Ni的金屬粉末對一般碳鋼進行激光表面合金化，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。激光表面合金化的基本目的也是為了提高表面的耐磨、耐蝕性等性能?？色@得理想合金或亞穩(wěn)態(tài)合金。該工藝已應用于生產(chǎn) F－ 15型戰(zhàn)斗機用的 F100型發(fā)動機上。 激光表面處理工藝 激光非晶體的應用正在開發(fā)中。 采用激光掃描處理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶態(tài)硬化層的硬度為 1300～ 1500HV，是基體硬度的 5～ 6倍。 航空發(fā)動機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 非晶態(tài)金屬具有較高的強韌性及非常好的抗腐蝕性和抗磨損性能。過去因打孔器技術沒過關，以致不能滿足需要。印刷郵票用的輥式打孔器，輥外徑為 365mm，長 645mm，壁厚 ；輥筒材料為 50鋼。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。 激光表面處理工藝 通過快磨試驗、汽車臺架試驗與裝車考核試驗證明，活塞環(huán)的磨損量減少，使用壽命提高。如采用二氧化碳激光器對 鉻鉬合金鑄鐵活塞環(huán)進行熔化一結晶處理， 可獲得由細小碳化物與隱晶馬氏體所組成的 極細萊氏體。 鑄造合金一般都存在著氧化物、硫化物等夾雜和疏松，用激光把表面重熔就可以把雜質(zhì)、氣孔、化合物釋放出來，同時把表面層細化。 細化鑄造晶粒 過飽和固溶體 減少偏析 非晶體 改變表層結構 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。 效果： 激光硬化區(qū)主要是由針狀馬氏體、奧氏體及團絮狀組織所組成；硬化區(qū)平均硬度達 HRC60以上；硬化區(qū)層深為 1mm；使用壽命提高 3倍。為此，采用激光相變硬化技術對軸頸進行強化處理。 激光表面處理工藝 應用實例 內(nèi)燃機活塞環(huán)溝側面激光相變硬化 效果： 激光硬化區(qū)主要是由細長板條馬氏體和其間不連續(xù)分布的奧氏體所組成；除位錯亞結構外，在局部區(qū)域還出現(xiàn)了平行排列的微細孿晶組織；硬化區(qū)最大硬度為；硬化層深為 ；激光硬化表面光潔度基本保持不變，變形量滿足形位公差要求。 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)側進行了激光 相變硬化處理。 采用激光硬化飛機發(fā)動機氣缸內(nèi)壁，比 氮化處理快 14倍，且所得到的硬化層比經(jīng)過 10～ 20h氮化處理的硬化層還厚，質(zhì)量優(yōu) 良，幾乎無變形。 激光表面處理工藝 美國正在研究用激光淬火處理飛機的重載 齒輪，以取代滲碳淬火的化學熱處理工藝。 激光表面處理工藝 高碳鋼 也可分為兩層：外層是隱針馬氏體； 內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。 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。 因加熱時間短，碳原子的擴散及晶粒的長大 受到限制，所以得到的奧氏體晶粒小。 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 激光相變 激光電鍍：陰極加熱 激光物理氣相沉積 激光化學氣相沉積 激光束表面處理技術 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。表面改性技術 教師：強穎懷 學院：材料學院 激光束表面處理技術 最引人注目的技術之一 成功地走向工業(yè)化生產(chǎn)應用 傳統(tǒng)的表面處理技術相競爭 提高制品的性能和壽命 獲得極大的社會效益和經(jīng)濟效益 激光束表面處理技術 相位一致 方向性好 波長單一 優(yōu)越的聚光性 可以獲得很高的能量密度 高能束表面改性技術中的一種主要手段 激光束表面處理技術 ?激光束表面處理：采用激光對材料表面進行改性的一種表面處理技術。 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、轉換率低、設備昂貴、不能大面積 激光束表面處理技術 ?激光與材料：反射與吸收；吸收通過大量傳導電子的帶間躍遷實現(xiàn)。 加熱和冷卻速度高： 105～ 109℃ /S 高硬度：比常規(guī)淬火提高 15%～ 20% 變形小：加熱層薄 疲勞強度高 激光表面處理工藝 由于激光加熱速率極快，相變在很大的過 熱度下進行，形核率很大。 冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易 得到隱針或細針馬氏體組織。 中碳鋼 可分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體，硬度 HV達 800，比一般淬火硬度高出 100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。 鑄鐵 大致可分為三層：表層是熔化－凝固所 得的樹枝狀結晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減 ?。坏诙邮请[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。 直升飛機輔助動力裝置的行星齒輪 飛機主傳動裝置的傳動齒輪 用激光硬化的飛機重載齒輪，不需要最后 研磨，大大降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。 激光表面處理工藝 應用實例 內(nèi)燃機活塞環(huán)激光相變硬化 活塞環(huán)是內(nèi)燃機易損基礎件之一 。 工藝： 激光輸出功率 ，掃描速度22mm/s，光斑直徑 3mm。 激光表面處理工藝 應用實例 螺桿壓縮機轉子軸頸激光相變硬化 螺桿壓縮機轉子是制冷機的關鍵部件，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)生嚴重磨損。 激光表面處理工藝 螺桿壓縮機轉子軸頸激光相變硬化 工藝： 激光輸出功率 ，掃描速度17mm/s，光斑直徑 4mm。 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 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構的一種表面改性技術。 AA390鋁合金，處理前合金組織中鑲有 60μm大的 Si顆粒，處理后硅的顆粒變?yōu)?1～ 4μm。 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。萊氏體的硬化層深度為 ～ ，硬度為 1000～ 2023HV。 采用激光加熱表面熔化 結晶處理灰鑄鐵，在白口區(qū)硬度達到 1070～1210HV。 激光表面處理工藝 與表面淬火相比，顯著地提高了耐磨性和 抗蝕性，縮短了熱處理時間，保證了產(chǎn)品質(zhì) 量。輥面上需使用程控鉆床打出 個 。我國現(xiàn)已采用激光處理的辦法使孔刃部達 60HRC以上，攻克了這一難題。 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。 激光表面處理工藝 激光非晶化就是用激光的手段在金屬表面上制得非晶層的技術，有有時稱之為激光上釉，是非晶態(tài)金屬獲得的一個重要手段。目前國內(nèi)外對激光非晶態(tài)處理給予極大的關注，認為它是制作非晶態(tài)合金的一種很有前途的技術。美國工藝研究中心采用此工藝在航空發(fā)動機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 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)，形成不同化學成分和結構的表面合金。 區(qū)域合金化 有效利用能量 精確控制密度和深度 不規(guī)則零件合金 激光表面處理工藝 激光合金化是表面改性處理的新方法，特別適用于工件的重要部位的處理，這樣既改善了工件的使用壽命，又可簡化工藝和節(jié)約昂貴的整體合金。 （ 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 （ 2）有色金屬系 在鋁合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。 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。 激光表面處理工藝 4. 激光表面熔覆： 在金屬基體表面上預涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進行激光重熔時，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而得到一外加的熔覆層。 激光表面熔覆于 1981年被成功地應用于大型噴氣客機渦輪葉片發(fā)動機的高壓透平葉片護罩后，引起了重視，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外激光表