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、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。（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，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，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015055，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应用前景。但钛合金存在耐磨性能差等缺点，限制了它在运动构件中的使用。近年来，采用激光熔覆的方法提高钛合金耐磨性的研究已有许多报道。孙建军7过采用CO2激光对TC4合金进行TiN表面合金化处理，探讨了激光功率对合金化层组织和硬度的影响。结果表明，激光合金化试样存在组织不同的三个区域，分别为TiN合金化层，基底熔凝层和淬火层。TiN合金化层由钛合金基体和TiN组成，其中TiN呈现颗粒和树枝晶两种形态。基底熔凝层为定向生长的柱状晶，基底淬火层为针状马氏体。TiN激光合金化层的硬度在7001100HV之间，约为阻合金的24倍。3.3铸造铝合金和铝基复合材料铸造铝合金由于具有低密度 高比强 热导率高延展性能和耐腐蚀性能优异等优点 在汽车 航空等工业部门中获得广泛的应用 但是 由于传统的铝合金硬度低 耐磨性差等因素极大地限制了铸造铝合金的应用 铝不具有同素异形转变 所以不能像铁碳合金一样通过固态相变来提高铝合金的硬度 为了提高铝合金的硬度 除了从冶金方面添加合金元素的途径来达到之外 还可以通过表面改性来实现 铝合金的表面改性 或者叫做表面处理 包括合金化 熔覆等工艺 例如激光合金化 激光熔覆等 铝合金的激光表面合金化是指在激光光源的辐照下将Fe、Ni、Cr、B、Si等合金元素熔入铝合金基体 形成与基体具有优异冶金结合性能的合金化层 由于FeNi等合金化元素与Al形成细小弥散分布的金属间化合物强化相 达到提高铝合金表面硬度 改善耐磨性能的目的 由于激光能量的可控性好 合金化层与基体的结合性能好等优点 因此 激光表面合金化得到广泛的研究和应用8,9周龙早等10将Ni-Cr合金粉末用有机粘接剂调成膏状涂在铸造铝合金ZL108基体上，然后采用CO2激光进行激光表面合金化处理。通过选择合理的工艺参数，在基体表面获得冶金结合性能良好的合金化层，利用光学显微镜扫描电镜 、能谱仪、X射线衍射仪对合金化层的显微组织结构进行详细的研究。结果表明，合金化层由Ni-Al金属间化合物组成，并且呈点状、弥散分布在Al-Si共晶基体上。合金化层的显微硬度可达到230HV左右，比基体材料提高大约3倍，,耐磨性比基体提高2倍左右。王华明等11对SiC颗粒增强6061铝复合材料以Ni-Cr-B粉末为原料进行激光表面合金化后发现，合金层中SiC颗粒已经完全溶解，在合金层中形成了比较复杂的新相，如Al3Ni2,Si2B和初生硅，这些新相的耐腐蚀性很好，由于是快速凝固，合金层组织非常细小均匀，从而使复合材料的耐腐蚀性有了显著提高。梅胜敏等12为了提高 SiC增强铝基复合材料的抗腐蚀性能，利用KrF准分子激光在高纯度氮气环境下对 SiC晶须增强铝基复合材料进行气体合金化处理。处理后在试件表面形成了一个几微米厚的富含AlN陶瓷相的表面改性层，其不再含有导致材料抗腐蚀性恶化的金属间化合物，SiC增强相的数量也大幅度减少，从而使材料的耐腐蚀性得到显著提高。4. 国内外研究现状光作为高能热源极大丰富了材料表面改性的方法，被国内外学者广泛用于材料表面改性。激光表面合金化是既改变表面的物理状态，又改变表面化学成分的表面改性方法。这种方法可以使低级材料表面获得高级性能，获得良好的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等特性。大多数金属材料都可以应用这项技术来改善表面性能，激光合金化在大多数材料表谣都得到了应用，而且处理效果明显，如A1合金表面加入铜、锰、铬等元素获1.5mm左右厚的合金层，明显提高了耐磨性和承载能力。国外还研究存低合金钢表面合金化WC层的研究，形成具有硬质合金层的表面使其具有良好耐磨损性。激光表面熔覆技术经常用来提高材料的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能等。用于提高耐磨性的比较好的合金有钻基、镍基及铁基等自熔性合金：用于耐蚀的主要是镍基自熔性合金或者是不锈钢为基含有SiC、B4C等复合涂层而用于耐高温性能的，得到广泛研究的热障涂层，如siO，、ZrO。、Al。0。等氧化物陶瓷层的金属基复合涂层或纯陶瓷层。目的材料上研究热点之一是颗粒增强钛基复合材料。在我国航天事业发展的快速时期，钛基复合材料会进入先进航空发动机材料的视野。钛合金具有较高的塑温比强度、低密度、高弹性模量等特性，加入高强度、商刚度的增强相后使其获得优良的性能。5. 在实际工程中的具体应用和展望5.1激光表面合金化的具体应用陈智君等13通过激光表面合金化技术对65 Mn材料割草机刀片进行表面处理，割草机刀片硬度提高1倍左右，耐蚀性提高2倍左右，寿命提高1倍左右。装机实验表明，与整体淬火比较，激光表面合金化刀片不易崩刃和断裂，具有更好的安全性，明显优异于常规热处理。骆芳14采用激光表面合金化技术对注塑机螺杆进行处理，合金化涂层表面平整，涂层厚度达0.3mm，装机实验测试显示，激光表面合金化处理的螺杆硬度和耐磨性比渗氮成倍提高，使用寿命近60 h，是渗氮处理的3倍，经济效益较为显著，是一种理想的螺杆制造工艺方法。CHTang等对船用螺旋桨青铜进行激光表面合金化处理，合金化涂层腐蚀性能相对基体显著提高，使用寿命明显增长，证明激光合金化是一种表面局部处理的好方法。5.2激光表面合金化研究展望1964年FECumningham首先利用红宝石激光器开发了激光表面合金化技术，随着激光器件性能的提高和大功率激光器的出现，激光合金化技术得到了很大发展，逐渐达到了工业化应用的水平。特别是近几年来，许多国家和地区加大了对激光表面合金化研究的力度，该技术具有十分广阔的应用前景。激光合金化作为目前最具发展潜力和竞争力的先进表面改进技术之一，已初步显示出了其优越性，并日益受到重视。但激光合金化工艺在开发应用过程中也存在着一些不足，笔者认为加强激光合金化研究的重点应放在以下几个方面。(1)加强激光合金化基础理论研究。当前研究多限于工艺技术研究，而对于激光合金化基础理论研究相对较少。例如加大数值模拟力度，不仅可以节约能源，减少开支，还可为实际试验提供数据参考。(2)激光合金化涂层质量控制。激光合金化质量是评定实验成败的重要标志，因此加强表面质量控制，开发出理想的合金化涂层，如耐磨、耐腐蚀、耐腐蚀磨损等特殊性能的合金化涂层，才能进一步推动激光合金化技术的推广，发挥更大的作用。(3)加大激光器研制力度。当前激光器功率相对较低，且价格昂贵、设备笨重、体积大、灵活性差，多限于实验室研究。因此加大激光器研制力度，生产智能、灵活、价格便宜的激光器，才能够使大规模激光合金化的工业化成为可能，从而使激光合金化技术更好的服务社会，创造更大的经济效益。(4)进一步拓宽激光合金化的应用领域，如尝试进行镁合金激光合金化、有机物的激光合金化研究等。6. 激光表面合金化偶待解决的问题激光合金化技术缺陷在于设备投资大，成本高，在材料表面处理过程中易产生气孔、裂纹以及表哑平整度的下降，而对激光熔覆技术来说，经常发生的使是开裂及疏松问题。国内有学者对此进行了研究，摸索了一些实用的方法15。比如优化激光处理工艺和改变合金成分，预先喷漆处理以增加激光吸收率等。激光熔覆相对于激光合金化来说成本要低得多，这也使其成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。到同前为止，主要研究集中在激光熔覆工艺参数、激光熔覆层的组织结构以及激光熔覆层的性能上，取得了较多实际效果。对于激光合金化过程中的热力学、晶体学研究方面有待于进一步研究，已有的研究只建立简单的模型，如二维、三维模型。但远未有从根本上揭示过程的机理。7. 结语我国激光技术经过了几十年的发展和应用，取得了很大的进步，研究成果显著，但是相比于其他发达国家相比还存在一定的差距。但是激光表面合金化技术在材料表面改性中的应用显得越来越重要。激光技术作为一门新技术，在将来，激光表面合金化在实际的工程应用中将扮演快速、高效、处理准确的角色。在航天航空领域也会发挥重要作用，尤其对处理钛合金。参 考 文 献1 张国顺现代激光制造技术M北京化学工业出版社，20052 张永康，周建忠，叶云霞激光加工技术M北京化学工业出版社，20043 姜银方现代表面工程技术M北京北京化学工业出版社2011,4.4 蒋 平，张继娟，于利根，等Ti-6Al一4V合金siC粉激光合金化表面合金化组织与耐磨性J应用激光，1999,19(5)：2292315 田永生钛合金表面激光硼碳氮合金化涂层的组织结构与耐磨性的研究D济南：山东大学，2006编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页6 陈长军，常庆明，张敏，等ZM5镁合金表面激光Al合金化行为的研究J应用激光，2007,27(4)：2612687 孙建军.TC4合金TiN激光表面合金化层的组织和硬度研究.光学技术.2008,34(4):5605638 袁 斌，龚知本，沈书泊铝硅钛合金表面激光合金化研究J应用激光1999,19,(1),469 唐传芳，冯燕武铝活塞激光表面合金化关键技术研究J金属热处理1999,12:2931.10 周龙早，刘顺洪，黄安国等.激光技术.2004,12(28),565568.11 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