1、第五章激光表面处理第五章激光表面处理 概述基本原理概述基本原理 激光表面相变硬化激光表面相变硬化 激光冲击硬化激光冲击硬化 激光熔凝激光熔凝 激光合金化激光合金化 激光熔敷激光熔敷 过程：以激光扫描零件表面，使材料表面吸收光能迅速升至高温，进而发生相变、熔化或覆盖甚至熔入其他金属非金属元素，随后快速冷却来达到零件改性的目的。 吸收层0.010.1um，深度：0.10.5mm 功率密度要求不高，多模、矩形光斑 研究活跃，某些工艺已经得到实际应用 激光表面相变硬化 激光熔凝 激光合金化 激光表面涂覆 其他 激光冲击硬化、激光毛化、激光上釉等工艺工艺功率密度功率密度(w/cm2)作用深度作用深度(m
2、m)相变硬化相变硬化1041050.21熔凝和合熔凝和合金化涂覆金化涂覆1041060.22冲击硬化冲击硬化10810100.022 目的与作用： 强化零件表面，提高其表面硬度、耐磨性、耐蚀性、强度和高温性能(硬化带，降低磨损；表面产生压应力，提高疲劳强度),而使心部保持较好的韧性。 零件综合性能好 成倍延长产品寿命 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工件，工件表面极快升温到高于相变点低于熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传导使被加热区迅速冷却而产生自淬火； 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 加热速度高达：105106/s 冷却速度高达：105 /s 优点 高速加热和高速自冷
3、硬度高(比常规高520) 组织细 HAZ小，淬火应力及变形小 提高疲劳强度 可达性好，工艺灵活，复杂零件加工 局部有选择的表面处理 无需外加冷却介质 缺点 表面局部改性，无助于心部性能改善 硬化面积小 硬化深度浅 设备费用高 质量指标：硬化深度(H)、宽度、硬度、晶粒度 激光功率P 光斑大小D离焦量 扫描速度v 材料性质：物理（导热性）、 吸收系数 、化学成分、原始组织和热处理状态 工艺参数通过热循环参数显示其影响。一定参数，每点均有：升温最高降温 加热速度，最高温度，保温时间，冷却速度H=P/(D.v) 加热温度 组织转变温度比常规上移很多：C钢9001200 但晶粒仍来不及长大。加热：21
4、032105 0c/s，冷却：7002104 0c/s；1KWCO2，V=570mm/s 加热速度 常规速度：A 形核、长大，Fe3C溶解，A均匀化。一个温度范围内，扩散型机理 激光加热：非扩散型机理。在一个恒定温度下，F自发瞬间转变成A，无C化物参与。体心立方面心立方。T增大时，才有C化物向A溶化过程 冷却：很高速度容易自淬火，比普通油冷水冷速度高出一个数量级以上1. 增强表面吸收（黑化处理）I低，不熔，不汽化，不存小孔效应，表面光洁度高，9095%反射掉克服高反射率黑化原则：吸收率高、高的热稳定性(800900)导热性能好与工件表面有良好结合涂层薄而均匀益于生成和去除工艺简单、价格便宜 喷
5、涂覆盖物：1020um厚 商用高温油漆：有机物碳黑氧化钛SiO2硅酸钠、硅酸钾等 石墨和炭素墨水 黑化涂料喷涂 化学反应吸收层 磷化法：形成磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁覆盖层 NaOH氧化法 布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的扩大等问题、内表面处理 功率：p大、B 、H大 离焦量：影响光斑直径功率密度和加热时间 扫描速度：加热时间tBHIF1.硬度：沿深度方向的硬度分布距表面距离硬度单台阶：高碳钢双台阶：亚共析钢，不完全相变：马氏体未转变的铁素体未溶解的渗碳体表层非最高硬度：表面微熔时，尚未有系统研究有回火区的硬度分布：基体已经有较高硬度，如经正常淬火后的高速钢 光斑的搭接造成 理想的匀强光斑产生
6、的回火软化区比高斯光斑小硬度位置2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制约产生残余压应力，压应力使疲劳强度增大3. 耐磨性：硬夹软的特点，容纳碎屑和润滑油 发动机缸体和缸套硬化带轨迹为螺旋、网纹、波纹等，淬硬带宽硬化带轨迹为螺旋、网纹、波纹等，淬硬带宽3-3.5mm3-3.5mm，淬硬层深淬硬层深0.2-0.3mm0.2-0.3mm，硬度为基材，硬度为基材3 3倍以上倍以上 模具 汽车转向器壳体 弹性连轴节主簧片 机床电磁离合器连接件 应用场合：不要求整体淬火或其他方法难以处理，以及形状复杂或尚需进一步提高硬度、耐磨性等性能的零件汽车模具淬火 高功率密度( GW/
7、 cm2) 短脉冲(几十纳秒) 强激光与金属材料相互作用,会在材料表面形成一个高压应力波,即激光诱导的冲击波。强激光产生的这种超高压已成为动高压技术的一种有效手段, 已用于激光冲击处理(laser shock processing) 这一材料表面改性技术中。 可用来改善金属材料的机械性能,特别能有效地提高金属材料的抗疲劳断裂性能和硬度。 与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆角、拐角等部位 国内外学者研究激光冲击铝合金等有色金属的较多，亦有碳钢、合钢、球墨铸铁、不锈钢、镍基合金等应用研究 过程：材料表面局部升温、汽化、离化，产生高压力(GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击波或应力
8、波 功率密度为1071011w/cm2 作用时间为几ps到几百ns 典型冲击强化工艺参数：铷玻璃激光器，输出能量80100J，脉宽330ns 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝生长和发展，细化晶粒锻压效果 有约束层激光束透过水或玻璃被吸收层吸收,吸收层部分汽化形成等离子体,由于等离子体被约束在约束层和试样之间,根据理想气体的状态方程,在有约束层时可以比无约束层时获得更高的冲击波峰压 无约束层工艺简单1.当激光作用在材料上时,激光能量沉积在材料和透明约束层之间,等离子体将产生在材料和约束层中分别传播的冲击波(波速分别为D1和D2) 。由于材料的运动,约束层和材料之间的距离将会增加。2.当
9、激光关闭后,等离子体持续产生压力,但压力会随等离子体厚度的增加而减小。3.等离子体爆炸后的抛射体将对材料产生附加的压力。这一阶段所产生的压力较小,往往忽略不计。 当将等离子体看作理想气体，激光为高斯光束时，冲击波峰压P可表示为：P = B I1/ 2 玻璃作为约束层时, B = 21；水, B = 10. 1 冲击波峰压只与激光功率密度有关,与激光的脉宽和波长无关 激光冲击诱导的表面残余压应力，可获得- 0. 6Y (弯曲强度)的表面残余压应力，影响层范围为12mm。 表面硬度提高机理： 对铝合金试样分析后认为,试样中存在的高密度位错是硬度提高的主要原因; 对各种铁基合金,冲击后位相的转变,如
10、相至相的转变,也是材料硬度提高的一个原因。对不锈钢激光冲击处理后发现, 马氏体的转变使表面硬度提高150 % 200 % 。 冲击处理后材料结构的改变例如缠结也能极大地提高表面硬度 1970年贝尔实验室首次开始 两个方向 小能量，小光斑，短脉冲，如：20mJ YAG，脉宽150ps，光斑直径0.1mm，I1012w/cm2 高能量，超短脉冲 主要研究方向：小功率、约束层，功率密度越来越高 主要用水和玻璃作为约束层 玻璃的阻抗高，但装夹困难且碎片难以收集 水操作方便 激光冲击效果的无损检测。目前测表面残余压应力主要使用X 射线衍射仪,这种方法设备昂贵,需由专业人员操作,只适合实验室使用。 新型约
11、束层的选择研究。 冲击参数的优化研究。 高能量、高频率激光器的研制。一激光熔凝I=104106 W/cm2 熔化,随后快速冷却凝固102106k/s,巨脉冲 1012k/s效果:细微均匀的表面组织,抗磨损,抗腐蚀性能好(腐蚀原因:各种形式伏打电池,来源于表面组织不均匀)工艺:匀强光强,不增加吸收层试验研究:铸铁和工具钢,提高硬度非晶态共晶优良抗腐蚀性能应用少,原因:与合金化差不多;破坏几何完整性,要求表面加工1. 激光熔池的温度场：能量密度能量分布扫描速度几何形状直接影响对流、传质和传热，进而影响凝固过程和成分的均匀性(1)溶质元素对熔池对流特征的影响通过改变溶液粘度、密度、表面张力及溶质分布
12、形态等影响对流特征P241图2315，18P238图236光束能量分布特征对于熔层对流特征的影响熔池横截面张力梯度与熔池温度之间关系如下：张力梯度主要取决于张力梯度主要取决于熔池温度熔池温度温度梯度温度梯度上述两者又是功率密度、上述两者又是功率密度、作用时间的函数作用时间的函数对流强度主要取决于功对流强度主要取决于功率密度率密度对流循环次数取决于交对流循环次数取决于交互作用时间互作用时间表面形貌类型及其成因v 三种形貌类型：正常熔化、临界熔化、不充分熔化v 正常熔化呈波纹状：相等间距、向扫描方向弯曲v 波纹成因：表面张力梯度驱动熔池学说：表面张力梯度驱动的熔池内的对流为主要动力，前沿熔化、后沿
13、液面凸起张力差与界面能说蒸汽动力说熔池间断熔化说 表面形貌的影响因素及其控制 材质：活性元素加入可改善表面状况，如硼、硅等，减小表面张力 工艺参数：功率密度和作用时间 表面粗糙度随激光功率和扫描速度的减小而下降 功率密度恒定条件下，表面粗糙度与激光扫描速度的关系曲线存在一最大值 较大光斑和较低功率密度可改善波纹 临界熔化表面与不充分熔化均属缺陷 能量过低、速度过大所造成 熔池存在时间极短，溶液扩散理论难以解释 如几十到几百ns的Q开关激光器，熔化时间50500ns，理论计算静态扩算仅720nm 熔池对流传质是主要原因，扩散速度高出10万倍 宏观上是均匀的，微观上有起伏 应力状态： 通常为拉应力
14、 熔凝层与基材体积涨缩的不一致造成 与熔凝层及基材本身的塑性变形能力相关 可通过预热或后热减小或消除P256图2356 激光熔凝层的裂纹 成因：激光熔凝层内存在拉应力，当局部应力超过材料的强度极限时，产生裂纹 发生部位：枝晶界、气孔、夹杂物等强度较低或应力较为集中处 按产生的位置分类： 熔凝层裂纹：熔化层凝固过程中，熔化层内部或表面 界面基材裂纹：熔凝层与界面交界区或热影响区内，多以空洞或夹杂为起源 扫描搭接区裂纹：搭接区与基材交界的“三角区” 与材料、工艺等密切相关 激光熔凝引起的基材变形 根本原因：拉应力 变形方向：向熔凝面弯曲 工艺参数：厚度、预热或后热等 基材自身应力状态 控制变形措施
15、： 热处理的方法消除内应力 薄的覆层 预热和后热工艺 预应力拉伸、预变形或夹具固定等措施 多为球形，分布于中下层 成因：反应性气体来不及逸出，主要气体来自C与O反应或金属氧化物被还原 难以完全避免，可采取措施加以控制： 减少气体来源：烘干，减少氧化等 气体保护 覆层尽量薄 熔池存在的时间尽量长典型气孔图片 基本原理：利用激光作为加热能源，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的表面合金层。 按照合金加入方式分类： 预置式激光合金化 气体激光合金化 同步式激光合金化 预置式激光合金化（预置法） 理想层：厚度均匀，孔隙率低，高温下粘性 热喷涂法：火焰喷涂和等离子喷涂（厚度易控，形
16、状限制成本） 电镀法：方法简单，大量H存在气孔 涂刷法：粘结剂与合金粉末调和。清漆，水玻璃等 总的来说，导热性差，不利于基本熔化 气体激光合金化 辐照部位从气氛中吸收碳、氮等 典型应用：钛及钛合金的氮化 同步式激光合金化（同步沉积法，提高了能量利用率）优点： 大大降低合金化层的不均匀性 减少了对基体材料的热作用，需要的能量少 简化了工艺两种方法： 送粉（正向，逆向）：气体做动力，粉末送至光束下方，加热与送粉同步 供丝 （以熔滴形式过渡） 易产生的问题： 裂纹：冷却凝固时，收缩受到基体制约，合金层种产生拉应力，枝晶完全凝固前拉应力造成的偏析裂纹，多次扫描应力重叠大于抗拉强度 防治措施：预热和后热
17、 应用： 钛：碳、氮在表面形成合金、提高疲劳强度、着色 铸铁：Cr,Si,和C，特殊性能铁合金表面 钢：Cr、Mo、B、Ni等，类似不锈钢的防锈表层 铝：C、Si、N和Ni的合金化得到硬的表层 灰铸铁缸套内表面Nd:YAG激光Ni2Ti 合金化 适用于汽车发动机关键摩擦副如汽缸筒、缸套、凸轮轴、活塞环、摇臂等钢和铸铁零件的表面强化,能明显改善摩擦副的摩擦磨损特性,大大提高使用寿命 预置Ni2Ti 合金涂层法,以提高该型缸套在特殊腐蚀性润滑油介质下的耐磨、耐腐蚀和抗擦伤性能 国产500W连续Nd : YAG,单道和多道搭接扫描,工艺参数为:P=500W; D=1. 5mm ; V=1. 5mm/
18、 s ; 搭接率30 %; 保护气体为氩气 单道时表面光亮平整,无宏观裂纹,多道搭接时表面状态基本相同,但出现少量横向裂纹 球墨铸铁活塞环激光合金化球墨铸铁活塞环激光合金化 提高活塞环和气缸套副使用寿命是内燃机设计制造中的重要问题。 目前用于活塞环表面处理的措施较多,如镀铬、喷钼、涂镀TiN、喷涂镍陶瓷复合涂层等,但都不能与基体形成冶金结合, 激光陶瓷合金化技术：高质量耐磨环, 热效应小,有利于减少活塞环的变形,可获得无气孔,无裂纹的表层材料材料基底材料为球墨铸铁,有铸态和正火态两种，标准试样,其表面精磨后粗糙度为Ra=01180120m。合金化涂料以C2Si2B2Re 共晶合金化涂料为基础,
19、选用硬度高、耐磨性好的WC陶瓷按不同比例加入合金化涂料中 方法： 激光处理前试样表面手工均匀涂覆0.13mm 厚的涂料,涂料中陶瓷相占干粉质量分数分别为5%,10%,15% ,20% ,25%,30%等6 种。 激光器：PRC2000 快轴流CO2 激光器,激光功率为2kW ,光斑直径为15mm 扫描速度为0.12m/ min ,处理过程侧吹氮气保护。涂料中含15 %WC 的试样表层显微硬度分布(1) 在球墨铸铁标准试样表面进行C2Si2B2RE + (不同比例) WC 的激光合金化处理,可获得硬度高、耐磨性好、没有裂纹的合金化层。(2) 激光陶瓷合金化区多为共晶、过共晶组织。在深熔情况下,W
20、C 颗粒完全溶解。W 固溶于合金化层或与其它合金元素构成复合碳化物,显著提高了合金化区的硬度和耐磨性能。(3) 合金化涂料中含不同比例WC 的激光合金化层的耐磨性呈现一定规律,即WC 比例由低到高时,对于提高摩擦副双方耐磨性有一最佳值(15 %) 与合金化相似：熔化基体同时熔入其他合金成分 不同：外加涂层，基体表面极薄熔化，得到有熔覆材料形成的完全不同于基体的新涂层 局限性：基体与涂层具有可焊性(1)可以通过混合不同的合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合覆层。(2)涂层的稀释度可以降低到最低限度，从而得到所设计的表面性能。(3)激光熔覆加热和冷却速度极快，凝固速度约104 /S ，易获
21、得涂层组织结构的改善（如晶粒细化或产生新性能的组织结构，包括非稳相、超硬弥散相及非晶等）。(4)局部表层区域的快速凝固对基体或被涂工件的热影响甚微，易实现选区涂层。(5)熔覆涂层与基体的结合得到改善，界面为冶金结合。(6)涂层成分、厚度可控，工艺过程易实现自动化。基材熔覆表面预处理基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预置熔覆材料预热预热激光熔化激光熔化后热处理后热处理基材熔覆表面预处理基材熔覆表面预处理送料激光熔化送料激光熔化后热处理后热处理预置式预置式同步式同步式 许多的工模具及特殊工况的结构件(如飞机涡轮发动机叶片、电厂汽轮机叶片、鼓风机叶片、汽车发动机轴颈、齿轮、阀座、气门、挺杆等)要求表面有
22、良好的耐磨性、耐蚀性及高温抗氧化性 采用整体材料来制造既浪费贵重金属，又无法兼顾工件对表面耐磨、耐蚀性与心部强韧性的不同要求； 而采用传统的等离子喷涂或堆焊硬化合金的方法又存在涂层疏松、缺陷多、基体热影响区大、生产周期长等缺点； 采用激光熔覆涂层技术可在廉价的钢材表面获得高性能的耐磨、耐蚀陶瓷涂层，且涂层均匀致密、缺陷少、成品率高，因此对于大幅度降低工模具成本有较大的经济意义，亦为它们的修复提供了一条新的途径 航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的修复 CoCrW合金粉末和WC粉末的混合物，厚0.3mm，提高高温耐磨和抗腐蚀性能 与热喷涂相比：缩短涂层制备时间，质量稳定，消除了热影响产生的裂纹 日立公司：气轮机叶片上采用激光熔覆钴基合金，有效提高了抗腐蚀性能 英国Rolls-Royce公司将激光熔覆应用于RB211型燃汽轮机叶片连锁肩的修复，替代原来的氩弧堆焊工艺，大大提高了劳动生产率，减少了基体的热变形
