激光表面合金化的研究进展及其应用.docx
《激光表面合金化的研究进展及其应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《激光表面合金化的研究进展及其应用.docx(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、激光表面合金化的研究进展及应用(袁中涛 20100110)摘要:激光表面合金化是一种材料表面改性处理的新方法,具有广阔的应用前景。本文综述了激光表面合金化的研究现状,其中包括激光表面合金化工艺制定的基本原理及工艺分类,合金化涂层的组织特性与性能。介绍了研究的材料类型及方法,国内外研究重点以及最新研究成果和理论分析,并且简要讲述了激光表面合金化在实际工程中的具体应用及研究展望。同时本文指出了激光合金化当前研究存在的有待解决的问题和今后需要改进的方向。关键词:激光表面合金化 合金化涂层 基体材料 冶金结合正文:激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态,有改变其化学成分的激光表面处理新技术。它是利用
2、高能激光束将基体金属表面熔化,同时加入合金化元素,在以基体为溶剂,合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层,从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层,用于取代昂贵的整体合金,节约贵重金属材料和战略材料,使廉价基体材料得到广泛应用,从而使生产成本大幅下降。与常规热处理相比,激光表面合金化能够使难以接近的和局部的区域合金化,在快速处理的过程中能够有效的利用能源,利用激光的深聚焦在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。而且具有工件变形小、冷却
3、速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点,具有很好的发展前景。目前。激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁,而且还涉及到钛合金、铝合金等有色金属1,2。1. 激光表面合金化的基本原理和工艺分类1.1 激光表面合金化的基本原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米级别)小斑点上,加上它本身强度高.故可以使焦点处的功率密度达到1051013 W/cm2.温度可达1万C以上。在这样的高温下。任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的
4、冲击。因此,激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。激光合金化(1aser Surface Alloying,LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法。是在高能量激光束的照射下.使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同时快速熔化、混合,形成厚度为10l 000m的表面融化层,使材料表面在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能.所以能达到表面改性处理的目的。在农用汽车工业方面,激光表面合金化工艺可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的农用汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸
5、、衬套等的使用寿命。1.2 激光表面合金化的工艺分类激光合金化组织结构的主要特征与激光熔凝处理有相似之处,合金化区域具有细密的组织,成分近于均匀。激光表面合金化所采用的工艺形式有预置法、硬质粒子喷射法、和气相合金法。预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔,氧-乙炔和等离子喷涂、粘结剂涂覆等预涂覆方法,将所要求的合金粉末事先涂覆在要合金的材料表面,然后有激光加热熔化,在表面形成新的合金层。该法在一些铁基表面进行合金化是普遍采用硬质粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时,从一喷嘴中吹入碳化物或者氮化物等细粒,使粒子进入熔池达到合金化层。激光气体合金化法是一种在适当的气氛中应用激光加热熔化
6、基体材料以获得合金化的方法,它主要用于软基材料表面,如铝、钛及其合金3。2. 合金化涂层的组织特性和性能2.1激光表面合金化的组织特性激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。激光表面合金化过程中,温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化,所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征,主要组织特征类型有三种:平面晶一胞状晶一胞状树枝晶树枝晶;胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶;胞状树枝晶一树枝晶。2.2激光表面合金化的性能当前研究认为,激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合,结合强度高,能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能,获得了广泛应用。(
7、1)耐磨性。目前,激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末(如SiC,wC,TiC等),或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐磨性的工艺目前应用依然很广泛,相当的文献报道都采用此方法进行激光表面合金化研究。蒋平4利用预涂SiC粉的方法对T-6Al一4V合金进行激光合金化实验,制得以TiC和金属间化合物Ti。Si。为增强相的复合材料表面改性层,合金化涂层硬度及在二体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。(2)耐蚀性。通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性,是激光合金化在实际中的
8、一个重要的应用分支,对不锈钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果,但其耐蚀性机理较为复杂,目前处于探索阶段。KHLo等预涂WC粉末A1S1316L不锈钢进行激光合金化,采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化涂层,在35的NaCl溶液中的抗空蚀性能可提高30倍。研究认为,抗空蚀性能的提高可能是由于激光合金化过程中WC的分解。从而使钨在熔体中的固溶度提高及枝晶碳化物的析出所引起的。Muthukanann Duraiselvam等则对Ti一6Al一4V添加NiTiTiC开展激光表面合金化研究,所得到的合金化涂层致密。几乎无裂纹。腐蚀实验显示,合金化涂层耐蚀性相对基体增加1218倍,耐蚀
9、性的增加主要是由于合金化涂层中金属间化合物所贡献的。(3)耐磨耐蚀性。在某些恶劣的工况条件下,要求工件能够具有一定的耐腐蚀磨损性能,以满足实际工况需要。不同的研究人员实验表明,采用合适的工艺对基体材料进行激光合金化表面处理,合金化涂层的耐磨耐蚀性能够同时得到改善。田永生5对Ti6Al一4V分别添加碳、氮、硼进行激光合金化的硬度为1 1001 300 HV,明显高于Ti一6Al一4V(约405 HV),磨损试验表明,合金化涂层的耐磨性是基体的34倍。当采用碳、氮、硼或TiC、TiN等粉末进行复合合金化后,分别进行激光合金化后合金层的硬度为可达1 6001 700 HV,耐磨性能高于基体5倍以上,
10、合金层的磨损表面比较平整,形成的沟槽较浅,未发生粘着磨损。而基体的磨损表面粗糙,存在较深的沟槽,并呈现粘着磨损,经稀土化处理后,其耐蚀性得到进一步提高。陈长军6采用二氧化碳激光器在ZM5镁合金上激光合金化预置Al粉,获得富Al的MgAl合金化涂层。激光Al合金化使ZM5合金基材表面硬度由7580 HV提高到275325 HV,同时耐蚀性得到提高。3. 激光表面合金化主要研究的材料类型激光表面合金化研究的材料有很多,下面主要介绍镁合金,钛合金,铸造铝合金和铝基复合材料的激光表面合金化。3.1镁合金的激光表面合金化工业纯镁的力学性能很低,镁的合金化是实际应用中最有效的强化途径,但加入过多的合金元素
11、,将使材料的密度增加而失去镁合金作为轻质材料的优势,因此,实际使用中,镁合金基体中的合金含量不能过高。激光表面合金化是在高能量激光束的辐照下,使材料表层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合,形成与基体成分和性能不同的表面合金层,从而提高材料的耐蚀、耐磨等表面性能。GALuN和MURAYAMA等人采用CO2激光对镁合金表面进行了Al,Cu,Ni和si等元素的合金化处理,这些元素可与镁形成稳定且硬度较高的金属间化合物(即第2相)。GALUN等在激光束辐照基体表面产生熔池的同时,向熔池内加入合金元素粉末,同时采用氩气对熔池进行保护,获得的改性层厚700m1200m,合金元素的质量分数达0150
12、55,组织均匀细密,改性层由过饱和固溶体和硬度较高的金属间化合物组成。研究表明,加入适量的合金元素Al,Cu,Ni和Si可使改性层的硬度和耐磨性得到显著提高。加入铜使镁合金耐磨性的提高效果最为显著,铜的质量分数为0.34时,改性层硬度达250HV,材料的耐磨性得到显著提高,但由于第2相M92Cu对电化学腐蚀的加速作用,材料的腐蚀严重。加入合金元素铝,对镁合金的耐蚀性的提高效果最好,一方面由于Al的增加使表面膜更加稳定,另一方面由于Al与Mg形成的金属间化合物含量较高时,将呈网状分布,对腐蚀起有效的屏障作用,当Al的质量分数大于0.2时,可使镁合金的耐蚀性大大提高。但由于Al与Mg形成的金属间化
13、物较脆,因此加入过量的Al对镁合金耐磨性的提高效果并不理想。研究表明,随着合金元素含量的增加,改性层硬度增加,但合金了亡素与镁形成的金属间化合物一般较脆,加入过量的合金元素,容易造成金属间化合物的脱落,反而会使材料耐磨性下降。激光功率太小或扫描速度过高时,合金粉末难以与基体充分熔合生成均匀的合金层。另外,由于表面材料在凝固和冷却过程中的收缩,随着改性层内较脆的金属间化物的增加容易在改性层内产生裂纹,选择合适的工艺参数和进行适当的热处理,可减少改性层内的裂纹。3.2钛合金的激光表面合金化钛合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能优异等特点,在航空、航天、冶金、化工等工业部门具有重要的应用价值和广阔的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 激光 表面 合金 研究进展 及其 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【Fis****915】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【Fis****915】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。