激光加工技术PPT课件.ppt
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1、第十二讲第十二讲 激光加工技术激光加工技术( (三三) ) 主主 要要 内内 容容12.1 概述概述12.2 激光切割激光切割 12.3 激光焊接激光焊接 12.4 激光淬火激光淬火 12.5 激光熔覆与激光合金化激光熔覆与激光合金化 12.6 激光微细加工激光微细加工 12.5 12.5 激光熔覆与激光合金化激光熔覆与激光合金化一、激光熔覆一、激光熔覆 1 1、激光熔覆技术、激光熔覆技术 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷,是材料表面改性技术的一种激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷,是材料表面改性技术的一种重要方法,它是利用高能激光束重要方法,它是利用高能激光束(10(104 4-10-106 6W
2、/cmW/cm2 2) )在金属表面辐照,通过在金属表面辐照,通过迅速熔化、扩展和迅速凝固,冷却速度通常达到迅速熔化、扩展和迅速凝固,冷却速度通常达到10102 2-10-104 4/s/s,在基材,在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料,从而构成一种表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料,从而构成一种新的复合材料,以弥补机体所缺少的高性能,这种复合材料能充分发新的复合材料,以弥补机体所缺少的高性能,这种复合材料能充分发挥两者的优势,弥补相互间的不足。对于某些共晶合金,甚至能得到挥两者的优势,弥补相互间的不足。对于某些共晶合金,甚至能得到非晶态表层,具有极好的抗腐蚀性能。
3、非晶态表层,具有极好的抗腐蚀性能。 激光熔覆根据工件的工况要求,熔覆各种设计的成分的金属或者激光熔覆根据工件的工况要求,熔覆各种设计的成分的金属或者非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比,特性的表面覆层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比,激光熔覆有着下列优点:激光熔覆有着下列优点: 熔覆热影响区小,工件变形小,熔覆成品率高;熔覆热影响区小,工件变形小,熔覆成品率高; 涂层晶粒细小,结构致密,所以其硬度一般相对比较高,耐磨涂层晶粒细小,结构致密
4、,所以其硬度一般相对比较高,耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好;损、耐腐蚀等性能也比较好; 由于激光作用时间短由于激光作用时间短(ns(ns级级) ),熔覆层稀释率低,基材的熔化量,熔覆层稀释率低,基材的熔化量比较小,对熔覆层的冲淡率相对低比较小,对熔覆层的冲淡率相对低( (常规为常规为5%-8%)5%-8%),因此可在熔覆层比,因此可在熔覆层比较薄的情况下,获得所要求的成分和性能,从而节约昂贵的覆层材料;较薄的情况下,获得所要求的成分和性能,从而节约昂贵的覆层材料; 高达高达10106 6/s/s的冷却速度使凝固组织细化,甚至产生新性能的的冷却速度使凝固组织细化,甚至产生新性能的组织结构超弥散相、
5、非晶相等;组织结构超弥散相、非晶相等; 激光熔覆过程易实现自动化生产,且覆层质量稳定。激光熔覆过程易实现自动化生产,且覆层质量稳定。 通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果:通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果: a a)结合强度高,即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合;)结合强度高,即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合; b b)重熔层平整、缺陷少,即要求重熔层熊充分熔合、脱氧,变得)重熔层平整、缺陷少,即要求重熔层熊充分熔合、脱氧,变得均匀密实;均匀密实; c c)涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释,以保持涂层材料特有的)涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释,以保持涂层材料特有的高强度或者
6、说要求避免基体和涂层的混合。高强度或者说要求避免基体和涂层的混合。2 2、激光熔覆材料、激光熔覆材料( (一一) ) 激光熔覆材料设计的一般原则激光熔覆材料设计的一般原则 (1) (1) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配 激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的线膨胀系数的差异,所以在选择涂层材料时首先要考基材之间的线膨胀系数的差异,所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配,考虑涂层与基材的线膨胀虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配,考虑涂层与基材的线膨胀系数差异对涂层
7、的结合强度、抗热震性能,特别是抗开裂性能的系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能,特别是抗开裂性能的影响。目前,大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数影响。目前,大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为,的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为,为防止涂层开裂和剥落,涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性为防止涂层开裂和剥落,涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性原则,即二者应尽可能地接近,考虑到激光熔覆的工艺特点,基原则,即二者应尽可能地接近,考虑到激光熔覆的工艺特点,基材和涂层的加热和冷却过程不同步,熔覆层的线膨胀系数
8、在一定材和涂层的加热和冷却过程不同步,熔覆层的线膨胀系数在一定范围内越小,熔覆层对开裂越不敏感。范围内越小,熔覆层对开裂越不敏感。 (2) (2) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配激光熔覆材料与基材熔点的匹配 在激光熔覆技术中,需要对涂层材料关注的另一重要的热物在激光熔覆技术中,需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质是其熔点。熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大,形理性质是其熔点。熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大,形成不了良好的冶金结合。成不了良好的冶金结合。 (3) (3) 激光熔覆材料对基材的润湿性激光熔覆材料对基材的润湿性 除了考虑熔覆材料的热物理性能外,还应考虑其在激光快速除了考虑熔
9、覆材料的热物理性能外,还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学稳定性,硬化相质点与新结相金属的润湿加热下的流动性、化学稳定性,硬化相质点与新结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中,润湿性也是一个性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中,润湿性也是一个重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层,必须保证金属重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层,必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面,主要基于以相和陶瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面,主要基于以下原则:下原则: 选择适宜的激光熔覆工艺参数,如提高熔覆温度,以降低选择适宜的激光熔覆工艺参数,如提高熔覆温度
10、,以降低覆层金属液体的表面能。覆层金属液体的表面能。 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金元素,如在元素,如在Cu/AlCu/Al2 2O O3 3体系中加入体系中加入TiTi提高相间润湿性,在基体中添加提高相间润湿性,在基体中添加活性元素活性元素HfHf等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。 改善陶瓷粒子的表面状态和结构,即对熔覆用陶瓷颗粒进改善陶瓷粒子的表面状态和结构,即对熔覆用陶瓷颗粒进行表面处理,以提高其表面能。常用的处理方法有机械、物理和化行表面处理,以提高其表面能。常用的处理方法有
11、机械、物理和化学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在A1A1基复合材料中,用基复合材料中,用AgAg浸润于浸润于陶瓷表面形成胶状熔体而构成陶瓷表面形成胶状熔体而构成AgAg涂层,而涂层,而AgAg与与AlAl有很好的润湿性,有很好的润湿性,从而形成了从而形成了AlAl与陶瓷间良好的润湿与结合。与陶瓷间良好的润湿与结合。 ( (二二) ) 熔覆材料的分类及特点熔覆材料的分类及特点 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料,这些激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料,这些材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等,材料包括自熔性合金材
12、料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等,这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能,并通常以粉末的形式使用,这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能,并通常以粉末的形式使用,熔覆时采用火焰喷焊。熔覆时采用火焰喷焊。 (1) (1) 自熔性合金材料自熔性合金材料 自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基合金。其主要特点是都含有硅和硼,所以具有自我脱氧和自我造渣合金。其主要特点是都含有硅和硼,所以具有自我脱氧和自我造渣的性能,这就是所谓的自熔剂。的性能,这就是所谓的自熔剂。 自熔性合金材料原理是合金被重熔时,硅和硼分别形成自熔性合金材料原理是合
13、金被重熔时,硅和硼分别形成Si0Si02 2和和B B2 20 02 2,并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的,并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的元素被氧化,另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣,元素被氧化,另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣,从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料的硬度与合金的含硼量和含碳量有关,硬度随着硼、碳含量的增加的硬度与合金的含硼量和含碳量有关,硬度随着硼、碳含量的增加而增高,这是因为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高而增高,这是因
14、为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢;镍基合金适合于局部耐磨、铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢;镍基合金适合于局部耐磨、耐热腐蚀的零件,所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高;耐热腐蚀的零件,所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高;钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金对基材有较大的适应性,可用于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等对基材有较大的适应性,可用
15、于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。 (2) (2) 复合粉末复合粉末 在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,单纯的在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,单纯的NiNi基、基、CoCo基、基、FeFe基自熔性合金己不能胜任使用要求,此时可在上述的自熔性合金粉基自熔性合金己不能胜任使用要求,此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒,末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒,制成了金属复合涂层。制成了金属复合涂层。 复合粉末包括自粘性复合
16、粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构可以分为包覆型和非完全包覆型,其区别在于芯核粉末是否被包覆粉可以分为包覆型和非完全包覆型,其区别在于芯核粉末是否被包覆粉末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护,可以避免在高温末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护,可以避免在高温时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬质耐磨复合粉末质耐磨复合粉末( (如如Co/WCCo/WC,Ni/WC)Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化复合粉
17、末、减磨润滑复合粉末等。复合粉末、减磨润滑复合粉末等。 自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中,粉末自己产生的放热反自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中,粉末自己产生的放热反应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。 碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体系,包括系,包括(Co/Ni)/WC(Co/Ni)/WC和和(NiCr(NiCr,NiCrAl)/CrNiCrAl)/Cr3 3C C2 2等系列,这些材料具有等系列,这些材料具有很高的硬度和良好的耐磨性,其中很高的硬
18、度和良好的耐磨性,其中(Co/Ni)/WC(Co/Ni)/WC适合于低温的工作条件,适合于低温的工作条件,而而(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系列则适合于高温工作环境。系列则适合于高温工作环境。 (3) (3) 氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末 氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热、耐磨、耐腐蚀等氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热、耐磨、耐腐蚀等性能,是一种重要的热喷涂材料,包括氧化铝和氧化镍系列。其中氧性能,是一种重要的热喷涂材料,包括氧化铝和氧化镍系列。其中氧化镍陶瓷粉末比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震化镍陶瓷粉末比氧化铝陶
19、瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震性,所以主要被用作热保障层材料。性,所以主要被用作热保障层材料。 尽管激光熔覆金属陶瓷材料尽管激光熔覆金属陶瓷材料有着诸多优异的性能,受到人们的重视,有着诸多优异的性能,受到人们的重视,但在应用中存在的问题仍不容忽视。首先是陶瓷材料与基体金属的线膨但在应用中存在的问题仍不容忽视。首先是陶瓷材料与基体金属的线膨胀系数、弹性模量及热导率等性能差别较大,这些性能的不匹配,造成胀系数、弹性模量及热导率等性能差别较大,这些性能的不匹配,造成了涂层中出现裂纹和孔洞等缺陷,在使用过程中将产生变形开裂、剥落了涂层中出现裂纹和孔洞等缺陷,在使用过程中将产生变形开裂、剥落损坏
20、等现象。损坏等现象。 其次,由于激光辐照时,激光熔池中形成的高温,基体熔体和颗粒其次,由于激光辐照时,激光熔池中形成的高温,基体熔体和颗粒间的相互作用以及颗粒加人引起熔池中能量、动量和质量传输条件的改间的相互作用以及颗粒加人引起熔池中能量、动量和质量传输条件的改变等,这些使涂层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解,变等,这些使涂层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解,并进而影响基体的相组成,使原设计的复合涂层基体和增强体不能充分并进而影响基体的相组成,使原设计的复合涂层基体和增强体不能充分发挥各自的优势,造成烧损。发挥各自的优势,造成烧损。 再者,激光熔覆金属陶瓷技术是通过
21、外加陶瓷相的方法形成的颗粒再者,激光熔覆金属陶瓷技术是通过外加陶瓷相的方法形成的颗粒相,这给熔覆工艺带来了一定的难度,特别是当外加陶瓷相含量较高时,相,这给熔覆工艺带来了一定的难度,特别是当外加陶瓷相含量较高时,就很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外,硬质陶瓷相和粘结金就很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外,硬质陶瓷相和粘结金属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素。属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素。 为了解决上述问题,在选择陶瓷材料时可遵循如下原则:为了解决上述问题,在选择陶瓷材料时可遵循如下原则: 选择陶瓷与金属间能够发生化学反应的陶瓷与金属材料;选择陶瓷与金属间能够发生化学反
22、应的陶瓷与金属材料; 可能生成的反应产物要与原金属或原陶瓷相间有较好的相容性,可能生成的反应产物要与原金属或原陶瓷相间有较好的相容性,即相似的晶体结构,相近的晶格常数等,且产物不能过大过多,最好以即相似的晶体结构,相近的晶格常数等,且产物不能过大过多,最好以复合材料的形式出现;复合材料的形式出现; 尽可能减小陶瓷与基体金属材料的线膨胀系数和密度的差异,以尽可能减小陶瓷与基体金属材料的线膨胀系数和密度的差异,以避免凝固后形成的固避免凝固后形成的固/ /固界面不匹配,从而降低裂纹形成的趋势;固界面不匹配,从而降低裂纹形成的趋势; 从固从固/ /液界面角度,要求预置的陶瓷涂层在熔化时对于基体具有液界
23、面角度,要求预置的陶瓷涂层在熔化时对于基体具有很好的润湿性和铺展性,也就是说,涂层的表面张力必须小于基体的临很好的润湿性和铺展性,也就是说,涂层的表面张力必须小于基体的临界表面张力,界表面张力, 涂层涂层/ /基体界面并非单层几何面,面是多层的过渡区,这一界面区基体界面并非单层几何面,面是多层的过渡区,这一界面区可能由几个亚层组成,每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。可能由几个亚层组成,每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。根据固态相变及化学键的理论,可在涂层中添加某些元索,使之对陶瓷根据固态相变及化学键的理论,可在涂层中添加某些元索,使之对陶瓷及基材产生良好的化学作用,在界面上
24、形成共价键结合,提高界面强度。及基材产生良好的化学作用,在界面上形成共价键结合,提高界面强度。3 3、激光熔覆工艺方法、激光熔覆工艺方法 1 1) 工艺方法分类工艺方法分类 根据合金供应方式的不同,激光熔覆可以分为两种:根据合金供应方式的不同,激光熔覆可以分为两种:合金同步法和合金前置法。合金同步法和合金前置法。 2 2)基材熔覆表面预处理)基材熔覆表面预处理 为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀。为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀。 3 3)预热和后热处理)预热和后热处理 其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层产生裂纹,因此
25、,适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷产生裂纹,因此,适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷缩产生的应力,增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物缩产生的应力,增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂纹,特别是对于易于开裂的基材必须预热,在熔覆层裂纹倾向较小的纹,特别是对于易于开裂的基材必须预热,在熔覆层裂纹倾向较小的情况下,有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。情况下,有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。 预热的方法主要有火焰枪加热、感应
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