激光相变及应用.pptx

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1、（1）激光热效应概述第1页/共59页激光热效应概述一般而言，从激光能量角度，激光与物质相互作用具有如下规律：103104W/cm2104106W/cm2106108W/cm2108W/cm2以上加热相变熔融气化等离子体相变硬化、退火焊接、熔覆、快速制造打孔、切割推进、镀膜微纳制造等第2页/共59页第3页/共59页（1）金属学相关基础 钢铁钢铁是机械工业中应用最广的材料。是机械工业中应用最广的材料。为使金属工件具有所需要的为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性力学性能、物理性能和化学性能能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁

2、显微组外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，得到不同的织复杂，可以通过热处理予以控制，得到不同的应用要求，如不同机械性能的结构钢、工具钢等。应用要求，如不同机械性能的结构钢、工具钢等。热处理热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。获得所需性能的操作工艺。第4页/共59页相关知识什么是相、组织、相变、淬火？相是由成分相同、结构相似、性能相同的物质组成。组织是一种结合形态，可以由一个相和多个相组成。奥氏体相铁素体相奥氏体相：碳

3、在面心立方铁中的间隙固溶体（相变温度以上）铁素体相：碳在体心立方铁中的间隙固溶体（低温）马氏体相：碳在体心立方铁中的过饱和间隙固溶体（快冷组织，硬度高）马氏体奥氏体相变常指一种组织（相）在温度或压力变化时，转变为另一种或多种组织（相）的过程。淬火是将钢（铁素体）加热到临界温度以上，保温一段时间，形成奥氏体，然后很快放入淬火剂中，使其以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度。第5页/共59页铁碳相图转变温度 第6页/共59页连续冷却曲线(1)(1)高温转变高温转变 在在A1A1550 550 之间之间,过冷奥过冷奥氏体的转变产物为珠光氏体的转变产物为

4、珠光体型组织体型组织,此温区称珠此温区称珠光体转变区。光体转变区。(2)(2)中温转变中温转变 在在550 550 MsMs之间之间,过冷奥氏过冷奥氏体的转变产物为贝氏体体的转变产物为贝氏体型组织型组织,此温区称贝氏此温区称贝氏体转变区。体转变区。(3)(3)过冷过冷A A转变为马氏体转变为马氏体是低温转变过程是低温转变过程,转变转变温度在温度在MsMsMfMf之间之间,该温该温区称马氏体转变区。区称马氏体转变区。第7页/共59页（1）激光相变机理激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变淬火硬化机制是：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温

5、度（升温速度可达103106.s-1以上），此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度(可达106.s-1)冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。第8页/共59页激光相变的条件 1.1.Tmax(0,t):Tmax(0,t):相变温度（奥氏体化温度）以上，相变温度（奥氏体化温度）以上，且熔点以下；且熔点以下；2.2.必须在相变点必须在相变点A1A1处以高于临界冷却速度冷却。处以高于临界冷却速度冷却。功率密度：103104W/cm2自身工件具有一定大小，实现自我快速冷却。能量扩散激光入射激光反射温度条件：温度升高的速度取

6、决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。如果材料吸收激光的能量远大于扩散的能量，激光光斑处的温度温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑处的温度升高将很有限。第9页/共59页激光表面淬火特点质量优势质量优势 技术特质技术特质 适用材料适用材料 实际应用实际应用 1 1淬火零件不变形淬火零件不变形 激光淬火的热循环激光淬火的热循环过程快过程快 中碳钢中碳钢 大型轴类大型轴类 2 2几乎不破坏表面几乎不破坏表面粗糙度粗糙度 采用防氧化保护薄采用防氧化保护薄涂层涂层 模具钢模具钢 各种模具各种模具 3 3激光淬火不开裂激光淬火不开裂 精确定量的数控淬精确定量的数控淬火火 冷作模具冷作模

7、具钢钢 模具、刃具模具、刃具 4 4对局部、沟、槽对局部、沟、槽淬火淬火 定位精确的数控淬定位精确的数控淬火火 中碳合金中碳合金钢钢 减振器减振器 5 5激光激光 淬火清洁、淬火清洁、高效高效 不需要水或油等冷不需要水或油等冷却介质却介质 铸铁材料铸铁材料 发动机汽缸发动机汽缸 6 6淬火硬度比常规淬火硬度比常规方法高方法高 淬火层组织细密、淬火层组织细密、强韧性好强韧性好 高碳合金高碳合金钢钢 大型轧辊大型轧辊 第10页/共59页（2）激光相变技术A,BA,B部分硬化部分硬化C C部分硬化不够部分硬化不够 如何提高相变硬化深度、均匀性、效率，减少缺陷？第11页/共59页工件预处理 方法磷化：

8、工件表面形成一层磷酸锰等磷化薄膜。经过鳞化后材料表面吸收率磷化：工件表面形成一层磷酸锰等磷化薄膜。经过鳞化后材料表面吸收率80%80%以上。以上。黑漆：其主要成分为石墨粉和碳酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。黑漆：其主要成分为石墨粉和碳酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。碳素石墨：小批量的激光相变淬火试验时，经济又方便。碳素石墨：小批量的激光相变淬火试验时，经济又方便。SiOSiO2 2型涂料型涂料 国内国内9090年代研制了一种以年代研制了一种以SiOSiO2 2为骨料的可喷材料。选用为骨料的可喷材料。选用200200300300目精制石英粉，其中涂料被认为除对激光有较高吸收率外，还目精制石英粉，其中涂料被认

9、为除对激光有较高吸收率外，还能在激光辐射下形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却后形成固态薄膜。能在激光辐射下形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却后形成固态薄膜。日本佳友公司还开发出一种日本佳友公司还开发出一种Nextel01Nextel01型涂料，对型涂料，对COCO2 2激光的吸收率可达激光的吸收率可达909095%95%，其主要成分也是，其主要成分也是SiOSiO2 2。第12页/共59页光束均匀化变换系统振镜振镜转镜转镜积分镜积分镜第13页/共59页转镜第14页/共59页轧辊激光表面强化第15页/共59页轧辊激光表面工艺（四）选定工艺参数轧辊机加工轧辊吊上激光加工机床装夹（一）轧辊表面清洗轧辊吊

10、离激光加工机床（五）激光表面强化（三）吸光涂层烘干（二）喷涂吸光涂层第16页/共59页激光熔凝处理 激光熔化凝固处理（简称激光熔凝处理）是以高功率密度（激光熔化凝固处理（简称激光熔凝处理）是以高功率密度（10105 510106 6W/cmW/cm2 2）的激光，在极短的时间内（）的激光，在极短的时间内（1010-2-21010-3-3s s）与金属交互作用，使）与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化，随后，借助冷金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化，随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固。激光熔态金属基体的吸热和传导作

11、用，使得已熔化的表层金属快速凝固。激光熔凝得到的是细小的铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。凝得到的是细小的铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。熔凝区相变硬化区过渡区母材相变硬化区（白亮区）过渡区母材（a）熔凝处理（b）相变硬化处理第17页/共59页熔凝区硬度(HV)切分轮硬度压痕中心离表面距离(mm)母材相变硬化区过渡区第18页/共59页工艺参数铸钢轧辊(600mm)的激光表面强化处理工艺参数为：激光功率P=3.54.0KW、光斑直径D=66.5mm、扫描速度V=0.83转/分螺距n45.5mm此工艺参数所获得的淬硬层深度约为1mm第19页/共59页第20页/共59页第21页/共59页气缸表

12、面处理工艺第22页/共59页（5）激光相变应用轧辊激光表面相变硬化瓦楞辊激光表面相变硬化第23页/共59页大型内齿圈-激光淬火减振器内槽-激光淬火铸钢-大型双联齿轮-激光淬火铸铁-发动机缸孔-激光淬火激光相变应用第24页/共59页激光相变应用模具锤头-激光淬火铸铁-摩擦轮-激光淬火大型轴承套圈-激光淬火钢轨激光表面强化第25页/共59页 轧辊表面激光熔凝淬火工艺第26页/共59页第27页/共59页第28页/共59页激光热处理设备第29页/共59页激光相变热处理生产线第30页/共59页小结1 1、激光相变机理、激光相变机理2 2、激光相变技术与应用、激光相变技术与应用 重点掌握激光相变作用过程中

13、的热作用过程和激光相变硬重点掌握激光相变作用过程中的热作用过程和激光相变硬化机制。化机制。第31页/共59页3.2 激光熔覆与合金化 激光表面合金化激光表面合金化是利用高是利用高能密度的激光束快速加热的特点，能密度的激光束快速加热的特点，使基材表层金属和所添加的合金使基材表层金属和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成元素熔化混合，在基材表面形成一层具有一定浓度且成分均匀的一层具有一定浓度且成分均匀的合金层，从而满足对工件耐磨、合金层，从而满足对工件耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能耐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能的要求。的要求。激光熔敷激光熔敷通过在基体材料通过在基体材料表面添加熔敷材料，并利

14、用高能表面添加熔敷材料，并利用高能密度的激光束使熔敷材料熔化，密度的激光束使熔敷材料熔化，并与材料表面形成冶金连接在金并与材料表面形成冶金连接在金属表面形成以熔敷的材料为基体属表面形成以熔敷的材料为基体的表面强化层。激光熔敷不是以的表面强化层。激光熔敷不是以基体上的熔敷金属为溶剂加入合基体上的熔敷金属为溶剂加入合金元素，而是用另行配制的合金金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成为熔敷层的粉末被激光熔化，成为熔敷层的主体合金，同时基体金属也有一主体合金，同时基体金属也有一薄层熔化与熔敷层结合。薄层熔化与熔敷层结合。第32页/共59页激光熔覆，激光合金化的传质第33页/共59页激光合金化与

15、熔覆材料的供料方式第34页/共59页一维修复技术光束、送粉头在一个平面内固定不动。侧向送粉，单向运动，重力送粉。用于轧辊、长轴零件修复，效果显著。第35页/共59页二维修复技术光束、粉末流沿光轴方向同轴输出，工作头不动，与机床实现二维平面运动。重力送粉。第36页/共59页三维修复技术三维旋转光头、三维同轴送粉、三维气动送粉、三维空间熔敷。第37页/共59页（）不同类型同轴送粉工作头（）用于激光熔焊的送粉头（）高功率激光送粉头激光熔覆专用同轴送粉头 第38页/共59页合金粉末 激光合金化和熔覆一般均与合金粉末为激光合金化和熔覆一般均与合金粉末为引入材料。根据激光合金化和熔覆的应用，对引入材料。根

16、据激光合金化和熔覆的应用，对粉末有以下基本要求粉末有以下基本要求:(1)(1)应具有所需要的实用性能，例如耐磨，耐蚀，应具有所需要的实用性能，例如耐磨，耐蚀，耐高温，抗氧化等特性性能。耐高温，抗氧化等特性性能。(2)(2)具有良好的固态流动性，粉末的流动性与粉粒具有良好的固态流动性，粉末的流动性与粉粒的形状，粒度，表面形状及粉末的湿度等因素有关。的形状，粒度，表面形状及粉末的湿度等因素有关。(3)(3)粉末材料的热涨系数，导热性应尽可能与工件粉末材料的热涨系数，导热性应尽可能与工件材料相接近，以减少合金层的残余应力。材料相接近，以减少合金层的残余应力。(4)(4)具有良好的湿润性，湿润性与表面

17、张力有关，具有良好的湿润性，湿润性与表面张力有关，表面张力愈小，湿润角愈小，液体流动性愈好。表面张力愈小，湿润角愈小，液体流动性愈好。第39页/共59页常用于激光熔覆或合金化的粉末 1.1.自熔性合金粉末自熔性合金粉末：目前国内生产的自熔性合金粉末可分为：目前国内生产的自熔性合金粉末可分为镍基，镍基，钴基和铁基钴基和铁基三大类，还有三大类，还有WCWC性自熔性合金粉末，它是在上述性自熔性合金粉末，它是在上述3 3大类合金中大类合金中加入一定量的高硬度加入一定量的高硬度WCWC制成的。制成的。2.2.复合粉末复合粉末：复合粉末是一种新型的表面强化工程材料。：复合粉末是一种新型的表面强化工程材料。

18、复合粉末主要有复合粉末主要有硬质耐磨复合粉末硬质耐磨复合粉末，如，如Co/WC,Ni/WCCo/WC,Ni/WC，Co/Cr2C2Co/Cr2C2等；等；减磨润滑复合粉末，如减磨润滑复合粉末，如Ni/ALNi/AL，NiNiCr/ALCr/AL，CoCoCrCrAlAlY Y等。等。陶瓷粉末有陶瓷粉末有Al2O3Al2O3，ZrO2ZrO2，Y2O3Y2O3，MgOMgO，CaOCaO等。金属陶瓷复合粉末，等。金属陶瓷复合粉末，如如MgOMgO，ZrO2ZrO2NiALNiAL和和Y2O3Y2O3ZrO2ZrO2CoCrAlYCoCrAlY等。等。耐磨金属陶瓷复合粉末，如耐磨金属陶瓷复合粉末，

19、如Ni/ALNi/AL，NiNiCr/ALCr/AL及及NiCrAlYNiCrAlY等。等。第40页/共59页激光合金化典型实例 铁系合金的激光合金化铁系合金的激光合金化 苏联苏联A.Bgeno kwA.Bgeno kw等采用固体激光进行了工业纯铁添等采用固体激光进行了工业纯铁添MoMo的的激光合金化。用激光脉冲能量激光合金化。用激光脉冲能量9J9J，脉宽，脉宽4ns4ns的脉冲钕玻璃激的脉冲钕玻璃激光器。激光功率密度为光器。激光功率密度为6105W/cm26105W/cm2，得到激光合金化深度得到激光合金化深度为为450450500um500um，硬度比工业纯铁提高，硬度比工业纯铁提高1.5

20、1.5倍倍。等用连续激光器，采用功率密度等用连续激光器，采用功率密度107W/cm2107W/cm2对基体为对基体为AISI1008AISI1008钢进行添钢进行添CrCr合金化，合金层中合金化，合金层中CrCr含量基本均匀。含量基本均匀。J.Mazumden J.Mazumden等采用等采用10KW CO210KW CO2激光器，功率密度激光器，功率密度108W/cm2108W/cm2，采用同步送粉法将粉质为，采用同步送粉法将粉质为2m 2m 的的Fe+Cr+NiFe+Cr+Ni合金合金粉末吹入激光作用熔池实现激光合金化。试验结果表明，经粉末吹入激光作用熔池实现激光合金化。试验结果表明，经激

21、光表面合金化后的耐腐蚀性能比不锈钢还强。激光表面合金化后的耐腐蚀性能比不锈钢还强。郑启光，王华明等人郑启光，王华明等人19961996年采用大功率年采用大功率CO2CO2激光器对激光器对TiTi合金和合金和AlAl合金进行激光熔池吹合金进行激光熔池吹N2 N2 气，在高温下合成气，在高温下合成TiNTiN和和AlNAlN合金层。合金层。第41页/共59页钴基合金的激光熔覆 钴基合金具有很高的高温性能和综合机械性能，其钴基合金具有很高的高温性能和综合机械性能，其中以司太立合金为最多中以司太立合金为最多.格兰姆兹（）用司太立格兰姆兹（）用司太立1 1号合金铸棒放在号合金铸棒放在AISI4815AI

22、SI4815钢上，铸棒为钢上，铸棒为M7C3M7C3和和M6CM6C细粉分布于奥姓体钴的基体上，细粉分布于奥姓体钴的基体上，直径为直径为3mm3mm的钢的基体预热至的钢的基体预热至250250，激光功率为，激光功率为3500W3500W，光斑直径光斑直径6.4mm6.4mm，扫描速度，用氢气和氩气保护。用电子，扫描速度，用氢气和氩气保护。用电子探针测得熔覆层中含钴探针测得熔覆层中含钴51%51%，含漯，含漯31%31%，含钨，含钨13%13%。在整个。在整个熔覆层内成分均匀并且组织均匀，基体进入熔覆层的重量熔覆层内成分均匀并且组织均匀，基体进入熔覆层的重量小于小于5%5%，硬度在，硬度在HV0

23、.5730HV0.5730以上。以上。迈格（）等进行了司太立迈格（）等进行了司太立6 6号（号（Co63%Co63%，Cr27%Cr27%，钨，钨4%4%，铁，铁5%5%，碳，碳1%1%）的激光熔覆试验，利用）的激光熔覆试验，利用CL5CL5型型5KW5KW连续连续CO2CO2激光器，环形光束，外径激光器，环形光束，外径35mm35mm，内径，内径15mm15mm，扫描速度，扫描速度为为2.82.8，在激光照射区用氩气保护，粉末预置厚度为，在激光照射区用氩气保护，粉末预置厚度为1mm1mm。在多道搭接熔覆时，在熔覆道之间放置粉末。在以铸铁为在多道搭接熔覆时，在熔覆道之间放置粉末。在以铸铁为基体

24、的激光熔覆试验中遇到了气孔问题。基体的激光熔覆试验中遇到了气孔问题。第42页/共59页第43页/共59页 激光熔覆层的显微硬激光熔覆层的显微硬度平均值在度平均值在HV794HV794，最高，最高达达HV857HV857。其硬度比等离。其硬度比等离子喷焊层提高子喷焊层提高44%44%，比火，比火焰堆焊层提高焰堆焊层提高78.9%78.9%。激。激光熔覆的硬度均匀性比等光熔覆的硬度均匀性比等离子喷焊层和火焰堆焊层离子喷焊层和火焰堆焊层的硬度均匀性分别提高的硬度均匀性分别提高40%40%和和25%25%。（a）激光熔覆层（b）等离子喷焊层第44页/共59页 大型曲轴的激光熔覆工艺第45页/共59页

25、大型曲轴激光熔覆工艺第46页/共59页激光熔覆应用实例 第47页/共59页油田钻井轴激光熔覆 第48页/共59页第49页/共59页第50页/共59页金属零件的直接制造第51页/共59页第52页/共59页3.3 激光毛化 激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发展激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。毛化薄钢板具有优起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。毛化薄钢板具有优良的成型性和表面涂镀性，生产优质冷轧毛化板，首先良的成型性和表面涂镀性，生产优质冷轧毛化板，首先要对轧辊进行毛化，然后轧机使用毛化轧辊再轧制出所要对轧辊进行毛化，然后轧机使用毛化轧辊再轧制出所需的冷轧

26、毛化薄板。需的冷轧毛化薄板。激光毛化技术是采用高能量、高重复频率的脉冲激光毛化技术是采用高能量、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池，化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池，同时由侧吹装置对微小熔池施于设定压力和流量的辅助同时由侧吹装置对微小熔池施于设定压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融池边气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融池边缘形成圆弧形凸台（峰值数）。上述预热区、微坑、凸缘形成圆弧形凸台（峰值数）。上述预热区、微坑、凸台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度区形貌。台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度区形貌。第53页/共59页CO2激光毛化轧辊表面微观形貌第54页/共59页武钢轧辊激光毛化现场第55页/共59页新型斩光盘第56页/共59页大型轧辊激光毛化成套设备第57页/共59页第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页