金属表面激光合金化技术问题分析_激光熔覆

莱阳农学院学报　13(4):298～302,1996

JournalofLaiyangAgriculturalCollege

Ξ金属表面激光合金化技术问题分析

陈传忠　于慧君　周建强　周香林

(山东工业大学,济南250061)

自1964年第一篇激光合金化的论文发表以来,因激光合金化有很多优点,巨大的政治和经济意义,人们对这项技术的兴趣日益增大,80光合金化技术寄予很大的希望,,究〔1〕。国内自80年代初开始。在近几届增多,已达到国际先进水平。为了这项技术的全面和合金化元素的配比方面已进行了大量深入而广泛的研究、合金钢、高速钢〔2〕、不锈钢、模具钢和铸铁等钢铁材料,而且还

〔3〕涉及到Al、Ti、Ni、Cu、Mg及其合金等有色金属材料。合金化元素有Cr、Ni、W、Ti、Mn、

氧化物、氮化物和硼化物Mo、V等金属元素和C、N、B等非金属元素,以及它们的碳化物、

等。在众多行业有着非常广阔的应用前景。但还存在一些工艺理论和技术问题尚待进一步解决。

1　合金化材料与基体材料间的匹配性

由文献[3]激光合金化研究现状可以看出:激光合金化所使用的元素和化合物可以用于不同金属材料表面的强化。由于这些合金化材料在高能激光束的作用下,很容易进入激光合金化区。故其选择范围是非常广泛的,似乎所有的元素和化合

物都能应于各种基材

的激光合金化。对于激光合金化技术的应用

来说,选择合金化材料时除了考虑所需要的

性能(如合金化层的硬度、耐磨性、耐蚀性、

抗氧化性能等)外,还必须考虑在激光作用下

这些合金化材料在进入金属表面时的行为及　图1　激光合金化层的形貌示意图

其与基体金属熔体的相互作用特征,即它们之间的溶解、形成化合物的可能性、润湿性、线膨胀系数和比容等物理性能的匹配性,以保证得到均匀、连续、无裂纹和孔洞缺陷的合金化层,如润湿性对合金化的影响见图1所示〔4〕,a)为润湿性较差的情况,b)为中等情况,c)为润湿性较好的情况。只有合金化材料对基本材料的润湿性能较好时,才能获得比较满意的合金化效果。合金化层与基体要达到冶金结合状态,以提高合金化层的结合强度,并且合金化层的韧性、抗压和抗弯等性能指标要满足使用要求,这些规范都是实际生产应用中不可缺少的Ξ本文收到日期:1996-03-08

4期陈传忠等:金属表面激光合金化技术问题分析299条件〔5〕。总之,合金化材料的选择不仅考虑到所需的表面性能,还必须涉及材料对合金化区的表面质量和内在质量的影响、合金材料的利用率、来源及其价格等各方面的因素。因此,用于金属表面激光合金化的合金材料的选取是有限的。

2　激光加工设备的配套性与稳定性

激光合金化需要大功率激光束,因为用于激光合金化的最大光斑直径受到激光功率的限制。如2kw左右的CO2激光器,适于合金化的最大光斑直径为5mm;对于5kw激光器的最大光斑直径也只有8mm〔6〕。对于连续激光为了达到大面积合金化的目的,必须要利用大功率或大面积光斑技术,如聚焦法、宽带法及转镜法。

如采用大面积光斑技术,当激光输出功率一定时,光斑面积越大,其功率密度越低,光束直径的增大将使功率密度以平方关系下降,这将削弱激光的高能密度和超快加热的优势,对于激光合金化,为了保持激光的高能密度和超快速加热特征,当激光输出功率kw时,束斑的最大理论面积不能超过20mm2;当功率为5kw时,带扫描装置,光束由圆形变成矩形时,为前提。的,现在还仍处在研制阶段,,。若采用大功率技术就存,,但5kw单机的性能稳定,kw,还未形成商品。

,目前大面积的合金化都采用多道搭接扫描(如图2),由于第二,存在一个搭接区,由于二次加热效应,其组织与性能均不同于正常合金化区的组织与性能。搭接区具有形态复杂的特殊组织特征,整体上表现为一种宏观的呈周期性出现的组织状态;这种组织的周期性必然带来性能的周期变化。一般来讲,耐磨件对组织与性能的这种周期性变化不太敏感,但耐蚀、耐热和抗疲劳件则对此十分敏感,很容易在搭接处导致早期失效。据资料报

导〔7〕对45钢Cr、Mo激光合金化层的矩形光斑重熔处

理,可以消除合金化时搭接区出现的回火软化效应;

合金化后的固溶处理可以提高硬度分布的均匀性。但

目前关于搭接区组织对合金化性能的影响还没有专

门、系统的研究。

3　激光合金化的工艺技术研究

人们虽然在激光表面合金化的工艺技术方面做

了大量的研究工作〔3〕。但与激光相变强化相比,激光

合金化的研究尚不够深入,工艺参数的重现性和可信图2激光合金化时搭接扫描示意图

1.基体;2.预置层;3.合金化带 ;度不大,实验结果往往难以相互引用,工艺理论研究4.合金化带 ;5.搭接区尚不成熟。这些问题除继续深入探讨外,尚可寻求其

它的新的工艺和方法,如激光气体合金化〔5〕,在某种适当的合金化气氛中,通过激光加热熔化基材表面,在熔池的对流作用下,合金元素可以快速地渗入较深的部位。这种情况下表面粗糙度主要取决于样品原始粗糙度、成分、气流速度及喷嘴角度,既能控制表面平整度,又能强化表面性能,如果这项工艺得到很好地完善,就可能应用于生产,对实际应用产生巨大的影响。

300莱阳农学院学报13卷4　激光合金化层的裂纹与孔洞

当激光辐照金属表面时,金属表面的温度急剧升高,然后通过基体的作用急冷至室温。在这个过程中,材料表面发生成分、组织和性能的变化,易导致合金化层或与基体交界处形成裂纹。激光合金化层中裂纹的形成机理在于表面合金化层与基体材料间存在热膨胀系数、弹性模量及导热系数等物理性能间的较大差异,在激光超快速加热作用下,其温度梯度很大,以致最终导致裂纹的形成和长大。也就是说,合金化层的Α・E(线膨胀系数与弹性模量之积)值与基本材料的Α・E值之差是产生热应力的主要原因,两者之差越大,热应力就越大。另一方面,导热系数Κ决定了在冷却过程中温度梯度的大小。当合金化层的Κ与基体材料的Κ差别较大时,则在过渡区出现温度梯度的突变,这为裂纹的形成提供了有利条件〔6〕,促进了裂纹的形成与扩展。

对这一问题的解决方法有两种,一是通过调整激光合金化的工艺参数、的缓冷或回火处理〔3〕、较复杂。资料报导〔8〕,英国帝国大学的J.Powell度Α・E,上述方法都是非常有效的,;,当两者的Α・E、Κ的差别较大时,上述,在满足合金化目的的前提下,E与Κ等物理量与基材相近的合金化材料,以防开裂。

理性能的差别有关。孔洞一般来讲被看是缺陷,但在某些情况下希望得到具有一定孔隙度的合金化层,这就需要通过一定的激光工艺来实现。

5　激光合金化层的表面波纹

金属表面激光合金化后出现许多凹凸不平的波纹。这是由于激光束能量分布的不均匀性造成了被照射的金属表面的温度分布不均匀,离光斑中心越近,熔池液体的表面温度越高,则表面张力越小,即在合金化过程中熔池表面存在表面张力梯度,根据热散热力学理论,必然存在液体的流动〔9～11〕,导致金属表面的波纹。一般来讲,表面波纹是不可避免的,只有通过各种方法尽量使表面凹凸趋于零,其措施有:①改善光束模式,即改善光束截面的能量分布,使合金熔化区的温度梯度和表面张力梯度降低,从而使熔化区的表面张力趋于一致,避免较大的波纹凸起;②采用振荡光束合金化,使熔池表面的最高温度来回变化,使表面温度趋于一致,并且可使合金化表面的成分和显微组织均匀化,必然有助于改善激光合金化的表面质量;③万瓦级或更高功率激光器的应用,可获得较大的熔池面积,使表面张力梯度下降,且可获得较深的合金化层,可采用研磨等机加工方法去除表面波纹。另一方面,采用大功率激光器合金化时,可采用高功率下的快速扫描,使扫描速度大于产生波纹表面的临界扫描速度,就可完全避免波纹状表面的产生〔12〕。

6　合金化层的组织特点

激光表面合金化层的组织特点就是合金化组织的不均匀性。有三个方面:一是合金化熔池内的不均匀性,在其横截面内出现组织梯度;二是合金化熔池内的宏观组织不均匀性;三是前已述及的周期性变化的大面积合金化的搭接区。

合金化区的组织梯度是指在激光合金化的同一熔池内,由于合金熔池的整个截面内存

4期陈传忠等:金属表面激光合金化技术问题分析301在温度梯度和晶体长大速度的差异,则使最终的激光合金化组织不是单一的凝固组织,而表现为一种复合性的凝固组织,即沿合金熔池的深度方向出现不同的凝固组织区域,也就是存在组织梯度。常见的复合组织特征有三种〔6〕:平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;胞状树枝晶→树枝晶。

激光合金化的宏观组织不均匀性是指某些情况下其低倍宏观组织不均匀,对此已有较多的研究,从物理冶金学的观点看,形成宏观组织不均匀性的主要原因是激光作用下的合金熔池内的熔体对流运动并非使合金元素在熔池内均匀混合,即存在宏观的成分不均匀性,其均匀程度受到激光合金化工艺参数、合金熔体特性参数及其流体力学特性的综合控制。对于这种组织不均匀性对表面合金的使用性能(特别是耐蚀、耐热及抗疲老性能)的影响,目前限于激光合金化应用基础研究的深度和试验设备的局限性,还没有人专门从事这方面的研究。能的不均匀性〔13〕。

7　激光合金化过程中的成分控制

〔14,15〔1激光合金化区的成分受激光工艺参数的控制〔14〕,从理论上推导出了表面合〔15与〔16〕。但是还不能做到对合金化层成分的精确控制,,精确控制合金元素的溶入量比较困难。另外,目前用于激光合金化的自动送料装置和方法还没有很好地解决,这也给合金化层的成分控制带来了一定的困难。

在激光合金化过程中,如果整个工艺过程控制不严,将产生合金元素的烧损现象,即高温下合金元素的氧化,将导致合金化层内合金元素分布不均匀〔12,17〕。合金化过程中氧的来源有三种途径:a)合金粉末本身已氧化;b)合金涂层存在一定的孔隙,在这些孔隙中含有一定量的氧气;c)外界大气中的氧气参与激光与合金粉末的相互作用。合金元素的烧损是激光合金化过程中一个值得重视的问题。要避免合金元素的烧损就是避免氧介入激光与合金粉末的交互作用过程。只有解决了合金元素的烧损问题,才能更好地进行合金设计,更好地控制合金成分和合金化层的组织结构,从而充分发挥激光合金化技术的优势。

8　典型零件的激光合金化

激光合金化技术在生产中的应用实例已屡见不鲜,例如美国华利夫特兵工公司,采用大功率激光涂层技术应用于提高大口径炮筒的抗烧蚀寿命〔18〕。美国通用汽车公司发动机铝制气门座上进行合金化处理,变形量≤0.13mm,硬度大于55HRC,在540℃条件下,2h无明显软化现象。前苏联对Al25铝合金活塞环槽进行Ni、～3.5倍。Cr合金化处理,寿命提高了3

耐蚀性和抗冲AVCO公司采用30%Cr粉激光合金化处理汽车发动机排气阀,使其耐磨性、

击能力得到很大的提高〔19〕。我国结合石油、化工、冶金、汽车、电力等工业开展了大量的激光合金化研究工作,有些零件已用于实际生产〔20～22〕。

即使如此,寻找适合于激光合金合金化处理的典型零件依然是此技术走向应用的关键,因受当前激光功率及大面积光斑技术的制约,大面积合金化需要搭接处理,无疑合金化层的搭接在耐蚀和抗疲劳等方面其优势发挥不出来,就目前的状况来讲,其局限性还是比较突

302莱阳农学院学报13卷出的。

虽然目前激光表面合金化技术中还存在一些尚待解决的问题,但前景是广阔的。在不久的将来它将会在工业中发挥出巨大的潜力和深远的影响,为工业革命做出贡献。

参　考　文　献

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