激光表面合金化的研究进展及其应用23849.docx
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1、激光表面合合金化的的研究进进展及应应用(袁中涛 20010001100)摘要:激光光表面合合金化是是一种材材料表面面改性处处理的新新方法,具具有广阔阔的应用用前景。本本文综述述了激光光表面合合金化的的研究现现状,其其中包括括激光表表面合金金化工艺艺制定的的基本原原理及工工艺分类类,合金金化涂层层的组织织特性与与性能。介介绍了研研究的材材料类型型及方法法,国内外外研究重重点以及及最新研研究成果果和理论论分析,并并且简要要讲述了了激光表表面合金金化在实实际工程程中的具具体应用用及研究究展望。同时本本文指出出了激光光合金化化当前研研究存在在的有待待解决的问问题和今今后需要要改进的的方向。关键词:激激
2、光表面面合金化化 合金金化涂层层 基基体材料料 冶冶金结合合正文:激光光表面合合金化是是一种既既改变表表层的物物理状态态,有改变变其化学学成分的的激光表表面处理理新技术术。它是是利用高高能激光光束将基基体金属属表面熔熔化,同同时加入入合金化化元素,在在以基体体为溶剂剂,合金金化元素素为溶质质基础上上形成一一层浓度度相当高高、且相相当均匀匀的合金金层,从从而使基基体金属属表面具具有所要要求的耐耐磨损、耐耐腐蚀、耐耐高温抗抗氧化等等特殊性性能。激激光表面面合金化化能够在在一些价价格便宜宜、表面面性能不不够优越越的基体体材料表表面上制制出耐磨磨损、耐耐腐蚀、耐耐高温抗抗氧化的的表面合合金层,用用于取
3、代代昂贵的的整体合合金,节节约贵重重金属材材料和战战略材料料,使廉廉价基体体材料得得到广泛泛应用,从从而使生生产成本本大幅下下降。与常规热处处理相比比,激光光表面合合金化能能够使难难以接近近的和局局部的区区域合金金化,在快速速处理的的过程中中能够有有效的利利用能源源,利用用激光的的深聚焦焦在不规规则的零零件上可可得到均均匀的合合金化深深度。而而且具有有工件变变形小、冷冷却速度度快、工工作效率率高、合合金元素素消耗少少、不需需要淬火火介质、清清洁无污污染、易易于实现现自动化化等优点点,具有有很好的的发展前前景。目目前。激激光表面面合金化化研究领领域不仅仅限于低低碳钢、不不锈钢、铸铸铁,而而且还涉
4、涉及到钛钛合金、铝铝合金等等有色金金属1,2。1. 激光表面合合金化的的基本原原理和工艺艺分类1.1 激光表面合合金化的的基本原原理激光是一种种强度高高、方向向性好、单单色性好好的相干干光。由由于激光光的发散散角小和和单色性性好,理理论上可可以聚焦焦到尺寸寸与光的的波长相相近的(微米级级别)小小斑点上上,加上上它本身身强度高高.故可可以使焦焦点处的的功率密密度达到到105510013 W/ccm2.温度可可达1万万C以上上。在这这样的高高温下。任任何材料料都将瞬瞬时急剧剧熔化和和汽化,并并爆炸性性地高速速喷射出出来,同同时产生生方向性性很强的的冲击。因因此,激激光加工工是工件件在光热热效应下下
5、产生高高温熔融融和受冲冲击波抛抛出的综综合过程程。激光合金化化(1aaserr Suurfaace Allloyiing,LLSA)是金属材材料表面面局部改改性处理理的一种种新方法法。是在在高能量量激光束束的照射射下.使使基体材材料表面面的一薄薄层与根根据需要要加入的的合金素素同时快快速熔化化、混合合,形成成厚度为为10l 0000m的表表面融化化层,使使材料表表面在很很短时间间内形成成具有要要求深度度和化学学成分的的表面合合金化层层。这种种合金化化层由于于具有高高于基材材的某些些性能.所以能能达到表表面改性性处理的的目的。在在农用汽汽车工业业方面,激激光表面面合金化化工艺可可以明显显改善工工
6、件表面面的耐磨磨、耐蚀蚀、耐高高温等性性能。延延长在各各种恶劣劣工作条条件下工工作的农农用汽车车零部件件如轴承承、轴承承保持架架、汽缸缸、衬套套等的使使用寿命命。1.2 激光表面合合金化的的工艺分类激光合金化化组织结结构的主主要特征征与激光光熔凝处处理有相相似之处处,合金金化区域域具有细细密的组组织,成成分近于于均匀。激激光表面面合金化化所采用用的工艺艺形式有有预置法法、硬质质粒子喷喷射法、和和气相合合金法。预置法是用用沉积、电电镀、离离子注入入、刷涂涂、渗层层重熔,氧氧-乙炔炔和等离离子喷涂涂、粘结结剂涂覆覆等预涂涂覆方法法,将所所要求的的合金粉粉末事先先涂覆在在要合金金的材料料表面,然然后
7、有激激光加热热熔化,在在表面形形成新的的合金层层。该法法在一些些铁基表表面进行行合金化化是普遍遍采用硬质粒子喷喷射法是是在工件件表面形形成激光光熔池的的同时,从从一喷嘴嘴中吹入入碳化物物或者氮氮化物等等细粒,使使粒子进进入熔池池达到合合金化层层。激光气体合合金化法法是一种种在适当当的气氛氛中应用用激光加加热熔化化基体材材料以获获得合金金化的方方法,它它主要用用于软基基材料表表面,如如铝、钛钛及其合合金33。2. 合金化涂层层的组织织特性和和性能2.1激光光表面合合金化的的组织特特性激光表面合合金化涂涂层组织织特征与与其具体体工艺条条件及温温度梯度度与凝固固速度之之比有关关。激光光表面合合金化过
8、过程中,温温度梯度度、溶质质浓度、晶晶体长大大速度均均随时间间变化,所所以激光光表面合合金化涂涂层组织织具有复复合性特特征,主主要组织织特征类类型有三三种:平面晶晶一胞状晶晶一胞状树树枝晶晶树枝枝晶;胞状晶晶一胞状状树枝晶晶一树枝枝晶;胞状树树枝晶一一树枝晶晶。2.2激光光表面合合金化的的性能当前研究认认为,激激光表面面合金化化涂层与与基体材材料呈良良好的冶冶金结合合,结合合强度高高,能够够显著提提高廉价价基体材材料的耐耐磨性、耐耐蚀性和和耐腐蚀蚀磨损性性等性能能,获得得了广泛泛应用。(1)耐磨磨性。目目前,激激光表面面合金化化提高基基体材料料的耐磨磨性多是是添加硬硬质合金金化粉末末(如SSi
9、C,wwC,TTiC等等),或或者激光光表面合合金化过过程中原原位生成成如碳化化物、氮氮化物、硼硼化物或或金属间间化合物物来增强强合金化化涂层的的耐磨性性。预涂硬质合合金粉末末提高合合金化涂涂层硬度度和耐磨磨性的工工艺目前前应用依依然很广广泛,相相当的文文献报道道都采用用此方法法进行激激光表面面合金化化研究。蒋蒋平4利用预预涂SiiC粉的的方法对对T-6All一4VV合金进进行激光光合金化化实验,制制得以TTiC和和金属间间化合物物Ti。SSi。为为增强相相的复合合材料表表面改性性层,合合金化涂涂层硬度度及在二二体磨料料磨损和和滑动磨磨损条件件下的耐耐磨性均均大幅度度提高。(2)耐蚀蚀性。通通
10、过激光光表面合合金化提提高基体体材料的的耐蚀性性,是激激光合金金化在实实际中的的一个重重要的应应用分支支,对不不锈钢和和钛合金金进行激激光合金金化实验验均取得得不错的的成果,但但其耐蚀蚀性机理理较为复复杂,目目前处于于探索阶阶段。KKHLo等等预涂WWC粉末末A1SS13116L不不锈钢进进行激光光合金化化,采取取合理的的工艺参参数可得得到硬度度高且脆脆性小的的合金化化涂层,在在355的NNaCll溶液中中的抗空空蚀性能能可提高高30倍倍。研究究认为,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 Durai
11、selvam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)耐磨磨耐蚀性性。在某某些恶劣劣的工况况条件下下,要求求工件能能够具有有一定的的耐腐蚀蚀磨损性性能,以以满足实实际工况况需要。不不同的研研究人员员实验表表明,采采用合适适的工艺艺对基体体材料进进行激光光合金化化表面处处理,合合金化涂涂层的耐耐磨耐蚀蚀性能够够同时得得到改善善。田永永生5对TTi66Al一一4V分分别添加加碳、氮氮、硼进进行激光光合金化化的硬度度为1 10
12、001 3000 HVV,明显显高于TTi一66Al一一4V(约4005 HHV),磨磨损试验验表明,合合金化涂涂层的耐耐磨性是是基体的的344倍。当当采用碳碳、氮、硼硼或TiiC、TTiN等等粉末进进行复合合合金化化后,分分别进行行激光合合金化后后合金层层的硬度度为可达达1 66001 7700 HV,耐耐磨性能能高于基基体5倍倍以上,合合金层的的磨损表表面比较较平整,形形成的沟沟槽较浅浅,未发发生粘着着磨损。而而基体的的磨损表表面粗糙糙,存在在较深的的沟槽,并并呈现粘粘着磨损损,经稀稀土化处处理后,其其耐蚀性性得到进进一步提提高。陈陈长军6采采用二氧氧化碳激激光器在在ZM55镁合金金上激光
13、光合金化化预置AAl粉,获获得富AAl的MMgAl合合金化涂涂层。激激光All合金化化使ZMM5合金金基材表表面硬度度由755800 HVV提高到到27553225 HHV,同同时耐蚀蚀性得到到提高。3. 激光表面合合金化主主要研究究的材料料类型激光表面合合金化研研究的材材料有很很多,下下面主要要介绍镁镁合金,钛钛合金,铸铸造铝合合金和铝铝基复合合材料的的激光表表面合金金化。3.1镁合合金的激激光表面面合金化化工业纯镁的的力学性性能很低低,镁的的合金化化是实际应应用中最最有效的的强化途途径,但但加入过过多的合合金元素素,将使使材料的的密度增增加而失失去镁合合金作为为轻质材材料的优优势,因因此,
14、实实际使用用中,镁镁合金基基体中的的合金含含量不能能过高。激激光表面面合金化化是在高高能量激激光束的的辐照下下,使材材料表层层与根据据需要加加入的合合金元素素同时快快速熔化化、混合合,形成成与基体体成分和和性能不不同的表表面合金金层,从从而提高高材料的的耐蚀、耐耐磨等表表面性能能。GALuNN和MUURAYYAMAA等人采采用COO2激光对对镁合金金表面进进行了AAl,CCu,NNi和ssi等元元素的合合金化处处理,这这些元素素可与镁镁形成稳稳定且硬硬度较高高的金属属间化合合物(即即第2相相)。GGALUUN等在在激光束束辐照基基体表面面产生熔熔池的同同时,向向熔池内内加入合合金元素素粉末,同
15、同时采用用氩气对对熔池进进行保护护,获得得的改性性层厚7700m12200m,合金金元素的的质量分分数达001550555,组组织均匀匀细密,改改性层由由过饱和和固溶体体和硬度度较高的的金属间间化合物物组成。研研究表明明,加入入适量的的合金元元素All,Cuu,Nii和Si可使使改性层层的硬度度和耐磨磨性得到到显著提提高。加入铜使镁镁合金耐耐磨性的的提高效效果最为为显著,铜铜的质量量分数为为0.34时时,改性性层硬度度达2550HVV,材料料的耐磨磨性得到到显著提提高,但但由于第第2相MM92CCu对电电化学腐腐蚀的加加速作用用,材料料的腐蚀蚀严重。加加入合金金元素铝铝,对镁镁合金的的耐蚀性性
16、的提高高效果最最好,一一方面由由于All的增加加使表面面膜更加加稳定,另另一方面面由于AAl与MMg形成成的金属属间化合合物含量量较高时时,将呈呈网状分分布,对对腐蚀起起有效的的屏障作作用,当当Al的的质量分分数大于于0.22时,可可使镁合合金的耐耐蚀性大大大提高高。但由由于All与Mgg形成的的金属间间化物较较脆,因因此加入入过量的的Al对对镁合金金耐磨性性的提高高效果并并不理想想。研究究表明,随随着合金金元素含含量的增增加,改改性层硬硬度增加加,但合合金了亡亡素与镁镁形成的的金属间间化合物物一般较较脆,加加入过量量的合金金元素,容容易造成成金属间间化合物物的脱落落,反而而会使材材料耐磨磨性
17、下降降。激光光功率太太小或扫扫描速度度过高时时,合金金粉末难难以与基基体充分分熔合生生成均匀匀的合金金层。另另外,由由于表面面材料在在凝固和和冷却过过程中的的收缩,随随着改性性层内较较脆的金金属间化化物的增增加容易易在改性性层内产产生裂纹纹,选择择合适的的工艺参参数和进进行适当当的热处处理,可可减少改改性层内内的裂纹纹。3.2钛合合金的激激光表面面合金化化钛合金具有有密度小小、比强强度高、抗抗腐蚀性性能优异异等特点点,在航航空、航航天、冶冶金、化化工等工工业部门门具有重重要的应应用价值值和广阔阔的应用用前景。但但钛合金金存在耐耐磨性能能差等缺缺点,限限制了它它在运动动构件中中的使用用。近年年来
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- 激光 表面 合金 研究进展 及其 应用 23849
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