1、第第 5 章章雷射熱處理技術雷射熱處理技術5.1雷射淬火技術5.2雷射熔覆技術5.3雷射毛化技術5.4雷射表面合金化技術l 國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型 圖圖5.1雷射熱處理雷射熱處理技術技術的分類的分類 技術方法功率密度/Wcm-2冷卻速度/s-1作用區深度/mm雷射表面淬火1041051041060.23.0雷射表面熔覆1041061041060.21.0雷射表面合金化1041061041060.22.0雷射表面非晶化106101010610100.010.10雷射表面熔凝處理1041061041060.11.0雷射表面衝擊強化10910121041060.020.20表表5
2、.1各種雷射熱處理各種雷射熱處理技術技術的特點的特點5.1雷射淬火技術雷射淬火技術l5.1.15.1.1概述概述l 雷射淬火在提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性質的同時，又可使其芯部仍保持較好的韌性，具有顯著的經濟效益，雷射淬火是一種具有很多優點的表面硬化處理。(1)強化效果好。(2)能夠獲得極細的硬化層組織，而且淬硬層深度可以控制。(3)變形小。(4)適應性廣泛且靈活。(5)熱處理週期短，生產效率高，成本低。(6)對環境無污染。l5.1.25.1.2雷射淬火理論基礎雷射淬火理論基礎l一、技術參數對淬火層性質的影響一、技術參數對淬火層性質的影響l 雷射淬火的技術參數主要有三個：雷
3、射輸出功率P、掃描速度v和光斑大小D。l 技術參數P、v、D之間可以相互補償，在其他條件一定的情況下，雷射淬火硬化層深度H與P、v、D、E有如下關係（H正比於功率密度E，反比於掃描速度v）。l （5.1）PEHDvv=l 1.雷射功率雷射功率P圖圖5.2雷射功率對硬化層深度的影響雷射功率對硬化層深度的影響圖圖5.3雷射功率對表面硬度的影響雷射功率對表面硬度的影響 l 2.掃描速度掃描速度v圖圖5.4掃描速度與硬化層深度的關係掃描速度與硬化層深度的關係 圖圖5.5掃描速度與表面硬度的關係掃描速度與表面硬度的關係l 3. 3.光斑大小光斑大小D Dl 對於一定的聚焦雷射光束來講，處於焦點處的光斑尺
4、寸最小，距離焦點越遠，D值越大，其E值越小，表面溫度越低，硬化層越淺。 圖圖5.6透鏡式聚焦系統結構透鏡式聚焦系統結構 l二、冷卻速度對硬化層硬度分佈的影響二、冷卻速度對硬化層硬度分佈的影響l 一般淬火在淬火時，工件表面接觸溫度相對很低的冷卻介質，冷卻速度很快，冷卻方向是由表至裏的“導冷”，冷卻速度由表至裏存在由快到慢的下降梯度。因此，表面的硬度值最高，而芯部冷卻速度慢，硬度值最低。圖圖5.7一般淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意一般淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意 l 雷射淬火的冷卻方向是工件的內部向表面進行，正好與一般淬火的冷卻方向相反。局部表層的
5、裏面雖然溫度低，但冷卻速度最快。表面雖然溫度最高，但冷卻速度最慢，最終形成硬化層的硬度值幾乎一樣，近似成“水平分佈”狀態。圖圖5.8雷射淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意雷射淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意l三、淬火後殘餘應力及變形三、淬火後殘餘應力及變形l 1. 1.殘餘應力殘餘應力l 殘餘壓應力可以提高材料的可靠性和使用壽命，殘餘拉應力則將導致裂紋的產生及擴展。l 當溫度升高時，材料發生膨脹，其膨脹量和速度取決於加熱速度和加熱溫度。當溫度降低時，材料發生收縮。材料內部溫度分佈不均勻，所產生的變形也不均勻，導致其內部產生熱應力。在冷卻過程中，當奧斯田
6、體發生麻田散體相變時，由於麻田散體密度小於奧散田的密度，因此在轉變過程中會發生體積膨脹。雷射相變硬化過程中，由於存在由表至裏的溫度梯度，冷卻時組織轉變不可能同時進行，麻田散體膨脹量的不同會導致相變應力的產生。可見，殘餘應力是由熱應力和相變應力共同作用的結果決定的。l 2. 2.變形變形l 在雷射淬火過程中，變形主要是由熱應力和相變應力綜合作用的結果。當應力大於材料的屈服點時，便會引起工件的變形。若應力大於材料的強度極限時，將會使工件產生裂紋。l 對於大多數工件來講，雷射硬化的區域只占整體零件表面的一小部份，其熱應力和相變應力對整體的變形驅動很小，所以只產生極小的變形量，且通常有組織相變產生的表
7、面凸起和徑向跳動，變形量一般只有0.1mm左右，甚至更小。但是，對於厚度小於0.5mm的工件，變形問題不可忽視，一般要採取輔助冷卻等方法，才能保證獲得良好的效果。l四、雷射淬火系統的組成四、雷射淬火系統的組成l 雷射淬火系統包括雷射器、光路系統、雷射電源系統、冷卻系統、工作檯及控制系統等部份。l 1. 1.雷射器雷射器l 雷射器是整個系統的核心，對雷射器的要求是穩定、可靠。固體雷射器和氣體雷射器均可用於雷射熱處理，其中CO2雷射器和YAG雷射器應用最廣泛。l 在相同功率密度下，YAG雷射器比CO2雷射器的淬火深度要深一些，而且變形小。在熱處理效果上，500W的YAG雷射器可相當於1.5kW的C
8、O2雷射器7。金屬雷射器及波長氬離子紅寶石YAGCO2488nm694nm1064nm10600nm鋁0.090.110.080.019銅0.560.170.100.015金0.580.070.017銥0.360.300.22鐵0.680.640.035鉛0.380.350.160.045鉬0.480.480.400.027鎳0.400.320.260.3鈮0.580.500.320.036鉑0.210.150.110.036錸0.470.440.28銀0.050.040.040.014鉭0.650.500.180.044錫0.200.180.190.034鈦0.480.450.420.08鎢
9、0.550.500.410.025鋅0.160.027表表5.2室溫下常見金屬在特定雷射波長下的吸收率室溫下常見金屬在特定雷射波長下的吸收率金屬雷射器及波長氬離子紅寶石YAGCO2488nm694nm1064nm10600nm鋁0.850.820.730.97銅0.4370.830.900.984金0.4150.9300.9810.975鐵0.5750.650鉬0.4450.4980.5820.945鎳0.5970.6760.740.941銀0.950.960.960.98鉻0.5550.5700.930表表5.3室溫下常見金屬在特定雷射波長下的反射率室溫下常見金屬在特定雷射波長下的反射率 l
10、 2. 2.光路系統光路系統l 光路系統是雷射器和工件的連接部份，是雷射加工設備的主要組成部份之一，它的特性直接影響雷射加工的性質。 圖圖5.9雷射淬火系統光路組成簡圖雷射淬火系統光路組成簡圖圖圖5.10數控數控YAG雷射淬火機（天津大學）雷射淬火機（天津大學） 圖圖5.11CO2雷射淬火機（青島中發）雷射淬火機（青島中發） l5.1.35.1.3發動機缸套雷射淬火發動機缸套雷射淬火l 汽缸或汽缸套的材質多為灰鑄鐵或合金鑄鐵，其硬度為180250HV（相當於2025HRC）7，採用雷射淬火處理後，汽缸表面硬度可達800HV以上，耐磨性可提高13倍，發動機使用壽命提高20%30%以上，可保證發動
11、機的正常運行。l一、缸套淬火深度一、缸套淬火深度l 依中國汽車行業公認的指標，汽車發動機汽缸在缸徑磨損量大於或等於0.150.20mm時就要進行大修。因此，雷射淬硬層的深度有0.15mm就已經滿足使用要求了，如果過深，則容易產生缸體變形8。l二、缸套淬火網紋二、缸套淬火網紋l 工作檯帶動工件進行旋轉運動，雷射光束進行垂直運動，使雷射光束在缸體內表面快速掃描，形成特定的硬化帶圖案。l 雷射淬火硬化網紋圖案有多種形式，包括螺旋紋、正弦紋以及菱形網紋等，其中以菱形交叉網紋效果最佳。圖圖5.12缸套雷射淬火缸套雷射淬火 圖圖5.13缸套內壁展開圖案缸套內壁展開圖案l 網紋的參數主要包括網紋周長、高度、
12、角度和頭數等，各參數說明如下：(1)網紋的橫向長度L：即缸體的周長，由缸體的半徑R決定。(2)淬火網紋的高度h：由缸套尺寸和實際需求來決定。(3)網紋角度：即網紋斜線與水平方向的夾角。(4)淬火頭數n：為整體雷射淬火軌跡在缸體一端轉折的次數。(5)淬火面積比：即雷射淬火網紋有效面積與缸體內壁有效面積之比，由淬火頭數、網紋寬度和網紋夾角共同決定，一般認為淬火面積在20%30%左右為宜。l 經過雷射淬火的網格是硬化區，未經過淬火的空白區是原來的組織，相對比較軟，可形成儲油結構，如圖5.14所示。l 在摩擦過程中，軟組織含油表面的油膜與硬組織表面的油膜連成一片，使摩擦副成為油膜間隔型摩擦副，大大增加
13、了其表面抗磨損性質。同時，磨損下來的磨粒較易嵌入軟組織基地中，減少了表面劃刮傷。缸體內表面的軟硬相間的網格狀組織，具有一定的表面彈力，也具有良好的抗拉傷性質。圖圖5.14網紋淬火後的表面磨損形成的儲油結構網紋淬火後的表面磨損形成的儲油結構1潤滑油潤滑油，2缸壁表面缸壁表面，3儲油結構儲油結構，4活塞環表面活塞環表面，5磨粒磨粒l三、雷射淬火組織及硬度三、雷射淬火組織及硬度l Nd：YAG雷射淬火組織與CO2雷射淬火組織差別不大，淬火組織為較細的針狀麻田散體，原始組織中的片狀石墨仍然存在。YAG雷射硬化層的硬度達789871HV，比CO2雷射淬火硬度略高。圖圖5.18Nd：YAG雷射淬火組織雷射
14、淬火組織圖圖5.19CO2雷射淬火組織雷射淬火組織l5.1.45.1.4齒輪的雷射淬火齒輪的雷射淬火l 傳統的齒面硬化處理如高頻淬火、滲碳、滲氮、液體氮碳共滲等，雖然能獲得硬齒面齒輪，但不同程度存在如下問題：淬火變形過大（如滲碳）、硬化層過淺（如氮化）、齒面硬化層分佈不均（如滲碳、高頻淬火、火焰淬火），而且處理後通常需要進行二次整形加工（磨齒），費用昂貴，如果變形過大磨削餘量不夠，還會導致齒輪報廢。l 齒輪雷射淬火克服了上述傳統技術硬化層分佈不均、變形大等缺點。處理方法火焰淬火感應淬火滲碳滲氮雷射淬火變形大大中等小小自冷淬硬差差差無良好淬硬深度2.03.0mm3.08.0mm0.10.8mm0
15、.20.5mm0.31.0mm質量控制差中等中等好良好表面氧化大較大大無無單件生產中等差一般好好批量生產差好一般好較好加工成本低較低較高高高優點方便靈活硬層深、應用廣中硬齒面、高精度齒輪硬度均勻組織細化硬度高、靈活缺點硬度不均，易過燒產生裂紋大模數、內齒效果差，不適合小批量時間長，淬硬層薄，淬火後需磨齒硬層薄、成本高、化學鍵結合，易脫落存在搭接帶、硬層薄，對基體硬度要求高表5.4常見齒輪表面硬化技術比較9l一、齒輪雷射淬火的要求一、齒輪雷射淬火的要求l 如圖5.20所示，A處（齒根）為齒輪嚙合時產生最大彎曲應力的部位，該處極易產生疲勞裂紋，而導致疲勞斷裂。B處是產生表面接觸疲勞的部位，硬化處理
16、時需要沿齒形淬硬至一定深度。C處的硬度（中心點硬度）低於A和B處時，就會產生殘餘壓應力，齒根的彎曲疲勞強度就會得到提高。D處緊靠A處，最好也進行淬火。圖圖5.20齒輪雷射淬火位置示意齒輪雷射淬火位置示意 l 理想的硬化層為：沿著齒形均勻分佈，同時由於芯部硬度比表面的低，所以硬化層呈壓縮狀態，如圖5.21所示。這樣就可以在提高齒根的彎曲疲勞強度和齒面的接觸疲勞強度的同時，也能保持淬硬層的壓應力，而有利於提高齒輪的使用壽命。 圖圖5.21理想淬火層形狀理想淬火層形狀 l二、齒輪雷射淬火的掃描方式二、齒輪雷射淬火的掃描方式l 1. 1.搭接掃描搭接掃描l 當雷射光束沿齒廓掃描時，每一齒面在齒頂（漸開
17、線QS部份）及齒根（過渡曲線RJ部份）各掃一次，才能使整個齒面全都淬硬，如圖5.22所示。圖圖5.22齒面雷射淬火方式齒面雷射淬火方式l 2.寬帶掃描寬帶掃描l 為了實現無軟化區較大面積的雷射淬火，用寬帶光束掃描系統，實現低功率密度、慢速掃描雷射淬火。齒輪採用寬帶雷射淬火，整個齒寬可一次處理完畢，避免雷射光束在齒面搭接。圖圖5.23齒輪寬帶雷射淬火齒輪寬帶雷射淬火 l三、齒輪雷射淬火後的硬度和變形三、齒輪雷射淬火後的硬度和變形l 1. 1.硬度硬度l 雷射淬火能在工件表面上產生硬化麻田散體，取得較好的表面淬火硬度。硬化層金相組織為極細的針狀麻田散體（圖5.24）。經雷射淬火處理後的齒面兩側硬度
18、基本一致（硬度差可控制在小於3HRC），比一般熱處理約高15%20%，硬化層深可控制在0.41.2mm範圍內，硬化層由表及裏硬度值幾乎一致（表5.5）。對於低碳鋼、低碳合金鋼，淬火硬度可達40HRC左右，中碳鋼（如45鋼）表面淬火硬度可達57HRC左右。齒面硬度分佈均勻，形態合理。l 圖5.25是採用寬帶雷射光束處理齒輪得到的硬化層沿齒廓的分佈，硬化層形狀是均勻的。圖圖5.24淬火後齒面金相組織淬火後齒面金相組織圖圖5.25齒面淬火硬化層輪廓齒面淬火硬化層輪廓淬火深度/mm淬火硬度HRC淬火深度/mm淬火硬度HRC0.052.055.00.548.551.00.151.554.50.647.0
19、48.00.251.054.00.740.042.00.350.053.00.830.931.70.449.052.0表表5.5齒面淬火硬度及硬度梯度齒面淬火硬度及硬度梯度 l 2. 2.變形變形l 齒輪雷射淬火的變形量極小，可控制在微米量級。由於雷射淬火加熱速度極高，可達1000/s以上，相變溫度停留時間不到0.1s，因此熱影響區很小，再加上基體對微小的局部熱作用區變形具有很大的抑制作用，所以可將熱應力變形和相變變形控制在極小的範圍內，一般不會使原齒輪加工精度等級下降，表面粗糙度無明顯變化。l四、齒輪偏置量和變速掃描四、齒輪偏置量和變速掃描l 1. 1.齒輪偏置量齒輪偏置量l 由於齒輪的齒廓
20、是漸開線，因此必須使雷射光束光軸和齒輪的旋轉軸線保持一定的距離，才可以使整個齒面得到硬化。定義此距離為齒輪偏置量a，可以表示為l （5.3）l 式中，d為光斑直徑，rb為基圓半徑，rk為漸開線上任意點K的極徑。arccos2bbkrdarr骣=+桫圖圖5.26齒輪雷射淬火的偏置量齒輪雷射淬火的偏置量 l 2. 2.變速掃描變速掃描l 在齒輪處理的過程中，考慮到熱傳導對硬化效果的影響，應使雷射沿齒面由齒頂向齒根移動。此時，齒面上任意點K的掃描速度vk可以表示為l （5.4）l 式中，a、rk含義同式，隨著雷射光束由齒面向齒根移動，掃描速度是不斷減小的。由於齒頂的熱容量較小，齒根的熱容量較大，在處
21、理過程中常常發生齒頂熔化，而齒根尚未硬化的現象。因此必須採用變速掃描技術，進一步提高齒頂的掃描速度、降低齒根的掃描速度，以獲得滿意的處理效果。sin arccoskkkavr r轾骣犏=犏桫犏臌l5.1.55.1.5軸類零件的雷射淬火軸類零件的雷射淬火l一、長軸的雷射淬火一、長軸的雷射淬火1212l 1. 1.長軸雷射淬火變形規律長軸雷射淬火變形規律l 長軸的雷射淬火，採用沿外徑等分分步對稱掃描方式或者不對稱掃描方式。l 長軸振擺變形與雷射掃描長度的關係，大致為l （5.5）l 式中， 為振擺變形量；mm。L為雷射掃描長度；mm。K為相關係數（與工件尺寸、形狀、雷射功率密度等有關）。310KL
22、-=圖圖5.27長軸振擺變形與雷射掃描長度的關係長軸振擺變形與雷射掃描長度的關係 l 2. 2.用雷射淬火變形校直長軸用雷射淬火變形校直長軸l 對振擺變形超過12mm的長軸進行局部區段的不對稱雷射淬火之校正處理，可將2m多長的長軸振擺變形量控制在0.070.20mm13。同樣，對於冷加工（銑扁）後引起較大翹曲變形的長軸，進行了表面不對稱雷射淬火處理，變形也可以得到校正，變形控制精度小於0.20mm。l二、曲軸的雷射淬火二、曲軸的雷射淬火13l 1.曲軸的受力分析曲軸的受力分析l 曲軸是在連續週期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動質量的慣性力及扭矩和變矩共同作用下工作的，曲軸既扭轉又彎曲產生疲勞應
23、力。曲軸破壞的統計分析表示，80%左右是由彎曲疲勞所致14。因此，進行曲軸彎曲應力的分析，對正確選取雷射淬火曲軸的處理方法十分重要。l 2.曲軸雷射淬火的掃描方式曲軸雷射淬火的掃描方式(1)軸頸軸向掃描圓角周向掃描：圖圖5.28軸頸軸向掃描軸頸軸向掃描 (2)軸向螺旋掃描圓角周向掃描： 圖圖5.29軸向螺旋掃描軸向螺旋掃描l5.1.65.1.6模具的雷射淬火模具的雷射淬火l一、國內外模具材料及模具的發展與現狀一、國內外模具材料及模具的發展與現狀15,1615,16l 模具的使用壽命決定了許多設備的生產效率和產品成本，模具材料是模具工業的基礎，其表面硬度、耐磨性、高溫硬度及抗熱疲勞性質等，在不同
24、程度上決定了模具的使用壽命。模具的承載能力、精度、使用壽命和製造週期，在很大程度上取決於所選的模具材料。l二、模具雷射淬火影響因素二、模具雷射淬火影響因素圖圖5.30影響模具雷射表面淬火的主要因素影響模具雷射表面淬火的主要因素 l三、模具雷射淬火實例三、模具雷射淬火實例l 1.CrWMn1.CrWMn鋼雷射淬火鋼雷射淬火l CrWMn鋼加熱時易在奧斯田體晶界上形成網狀的二次碳化物，顯著增加工件脆性，降低衝擊韌性，耐磨性也不能適應各種工具日益提高的技術要求，特別是刃口或關鍵工作部位。採用雷射淬火可獲得細麻田散體和均勻分佈的碳化物顆粒，消除網狀。雷射淬火最大硬化層深度與基體熱處理狀態有關，正常化基
25、體為0.92mm，淬火、回火態基體為0.98mm。雷射硬化層最高硬度，正常化基體為988Hv，淬火、回火態基體為1017.2Hv。 l 2.W6Mo5Cr4V22.W6Mo5Cr4V2高速鋼雷射淬火高速鋼雷射淬火l 原始組織為淬火、回火的W6Mo5Cr4V2高速鋼，其臨界硬化的能量密度範圍是3.337.5MJ/m2，且在5.87.5MJ/m2範圍內，可獲得較理想的硬化層。隨著雷射功率增加，掃描速度下降，組織中殘留奧斯田體數量增加，顯微硬度也呈增加趨勢。二次雷射照射對硬化層深度有很大影響，兩次照射能量比大於0.8時，可使硬化層深度增加。5.2雷射熔覆技術雷射熔覆技術l5.2.15.2.1概述概述
26、l 雷射熔覆技術的特點總結如下：(1)熔覆層經光束照射升溫快、溫度高。光束移開後，熔層的大部份熱量由基體傳走。(2)熔覆層成份可以精確控制，且具有與基體材料性質完全不同的性質。(3)熔覆層寬度、厚度可以精確控制，且基體的稀釋率很低（一般小於5%）。(4)可以在大氣中進行加工，而電子束、離子束表面改質都要求有較高的真空度。(5)可以進行局部加工，材料消耗少，具有很高的性質價格比。(6)熔覆層組織細小均勻，無裂紋氣孔。與基體的結合為冶金結合。(7)對粉末的選擇幾乎沒有任何限制，可以在低熔點金屬表面熔覆高熔點合金。l5.2.25.2.2雷射熔覆技術雷射熔覆技術l一、預置式雷射熔覆一、預置式雷射熔覆l
27、 預置式雷射熔覆是將熔覆材料預先置於基材表面的熔覆部位，然後採用雷射光束輻照掃描使其熔化。熔覆材料以粉末、絲和板材的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。其主要技術流程為：基材熔覆表面預處理預置熔覆材料預熱處理雷射熔覆後熱處理。圖圖5.31預置式雷射熔覆橫截面示意預置式雷射熔覆橫截面示意 l二、同步送粉式雷射熔覆二、同步送粉式雷射熔覆l 同步送粉式雷射熔覆則是將熔覆材料直接送入雷射光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也採用線材或板材同步送料。其主要技術流程為：基材熔覆表面預處理送料雷射熔化後熱處理。l 不同的添加方式會影響雷射熔覆過程的能量、動量和質量傳輸，最終會
28、影響熔覆過程的冶金行為和塗層性質。l 1. 1.送送線線法法l 用線材作為雷射熔覆材料，將線材傾斜指向處理表面，用高於電漿形成閾值的功率密度（大於2106W/mm2）輻照，雷射能量主要經由電漿傳遞給線材和工件。線材的反射率高於粉末材料，通常將線預熱到1000以上，可以顯著減少所需雷射功率。l 2. 2.送粉法送粉法l 粉末的成本只有線材的20%。無論是從技術角度，還是生產效率角度，送粉法是雷射熔覆中材料添加方式的主流。圖圖5.32送粉雷射熔覆示意送粉雷射熔覆示意l三、送粉法的覆蓋率三、送粉法的覆蓋率l 覆蓋率是指在作用時間內實際進入雷射光束作用面積的熔覆材料顆粒數，與理論上完全佈滿雷射光束作用
29、面積所需顆粒數之比。覆蓋率R的計算公式，即l （5.7）l 式中，N1為在作用時間ti內進入光束中的熔覆材料顆粒數，N2為理論上布滿雷射光束作用面積所需顆粒數，vf和vs分別為送粉速率和掃描速度，r為熔覆材料顆粒半徑，D為雷射光束直徑， 為熔覆材料的密度， 為在作用時間ti內熔覆材料的送粉有效利用係數。21iff322s3344Nt v v rRNr DrDv =l 在雷射光束作用的過程中，因粉末粒子雲的屏蔽作用，少量顆粒不能被加熱到足夠的溫度進入熔覆層，材料還有少部份的燒損、飛濺等。l 熔覆層的橫截面示意，用金相檢測法測得送粉有效利用係數19為l （5.8）lvf為實際送粉速率。sf1ff2
30、3HWv vv=圖圖5.33熔覆層橫截面示意熔覆層橫截面示意 l四、稀釋度四、稀釋度l 稀釋度 定義為塗層材料和熔化的熔覆基體的混合，引起的塗層合金的成份變化。稀釋度的簡化計算公式，即l （5.9）l 式中，H為熔覆層高度，h為基材熔深。l 定義雷射比能GP/(vsD)，（P為雷射功率密度，vs為掃描速度；mm/s，D為光斑直徑；mm）。稀釋率與技術的關係可用比能來確定，隨比能增加，稀釋率增加，同時，對粉末厚度有不同的依賴關係。11/hHhH h=+l5.2.35.2.3常用雷射熔覆材料常用雷射熔覆材料l一、對合金粉末的基本要求一、對合金粉末的基本要求l 雷射熔覆合金粉末的設計在滿足所需表面改
31、質要求的同時，要考慮到熔覆層與基材線膨脹係數的匹配21,22、熔覆層與基材熔點的匹配和熔覆材料對基材的潤濕性。有以下幾條基本要求：l 1.應具有所需要的使用性質，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等特殊性質。l 2.應具有很好的固態流動性。球形粉末流動性最好。雷射熔覆通常使用普通粒度粉末或粗粉末，很細粉末和超細粉末因固態流動性差。粉末規格粒度範圍粉末規格粒度範圍粗100325目（-15045m）很細-3255m（-455m）普通-140325目（-10645m）超細-255m細-27015m（-5315m）表表5.7不同規格粉末的粒度範圍不同規格粉末的粒度範圍 注：100目表示粉末可以從100目的
32、網孔中漏下，325目表示用325目篩網時粉末不能通過。 l 3.粉末材料的線膨脹係數、導熱性應盡可能與工件材料相接近，以減少熔覆層中的殘餘應力。l 4.粉末應具有良好的潤濕性，潤濕性與表面張力有關。表面張力越小，潤濕角越小，液態流動性越好，越易於得到平整光滑的熔覆層。l 5.應有良好的造渣、除氣、隔氣性質。合金粉末在製造和使用過程中，不可避免地受到氧化，也會在熔化過程中溶解一些氣體。l 6.合金粉末的熔點不宜太高，粉末熔點越低，越易控制熔覆層的稀釋率，所獲得的熔覆層品質越好。l三、常用雷射熔覆合金粉末三、常用雷射熔覆合金粉末l 常用雷射熔覆合金粉末主要有自熔性合金粉末、複合粉末和氧化物陶瓷粉末
33、。l 1. 1.自熔性合金粉末自熔性合金粉末l 自熔性合金粉末是指合金中加入了B（硼）和Si（矽）等元素的熔覆用合金材料。這種合金材料在熔覆過程中，具有自脫氧性質和自造渣性質，即自熔性。合金中的B和Si在重熔時被氧化，分別生成B2O2和SiO2，在熔覆層表面形成薄膜。這種薄膜既能防止合金中的元素被氧化，又能與這些元素的氧化物形成硼矽酸鹽熔渣，而獲得氧化物含量低、氣孔率少的噴焊層。B和Si還降低了合金的熔點，增加了合金的潤濕作用，對合金的流動性及表面張力產生有利的影響。l 雷射熔覆自熔性合金主要有Fe基合金、Ni基合金、Co基合金和WC（碳化物）型自熔性合金等。(1)鈷基合金：雷射熔覆鈷基合金的
34、基體通常為鋼或鐵基合金，適用於要求耐磨、耐腐蝕和抗熱疲勞的零件。鈷基合金潤濕性較好，其熔點較碳化物低，受熱後Co元素最先處於熔化狀態，而在凝固時，它最先與其他元素結合形成新的物相，對熔覆層的強化極為有利。 基材CoCrWFeNiCBSiMo34CrNi3Mo鋼Bal.208130.81.21.7Q235鋼57.673261.41.22Y4模具鋼58.6720.229.637.581.41.43GH33鋼Bal.326511.21.420CrMoBal.22253632512.41.60.20.8表表5.8鈷基合金熔覆的應用實例鈷基合金熔覆的應用實例（重量百分比）（重量百分比）l 鈷基合金熔覆層
35、表層的顯微組織，如圖5.34(a)所示，為細密的樹枝狀晶。熔覆層和基材結合界面的組織，如圖5.34(b)所示，圖中熔覆層與基體間存在一層結合層。在層狀區前緣為沿熱流方向而形成的胞狀晶。隨著距交界面距離的增加，由胞狀晶轉變為粗大樹枝狀晶。圖5.34(c)中的白亮帶為不同搭接層和搭接道處顯微組織，其顯微組織為沿不同冷速生長的樹枝狀晶。圖圖5.34Co基合金層的顯微組織基合金層的顯微組織 圖圖5.35距表層距表層1mm處水平硬度分佈處水平硬度分佈 圖圖5.36鈷基合金層硬度溫度關係鈷基合金層硬度溫度關係(2)鎳基合金：鎳基合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和適中的價格，在雷射溶覆技術中
36、用得最為廣泛，適用於局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的工件。鎳基合金的雷射熔覆原理是運用Mo、W、Cr、Co、Fe等元素進行奧斯田體固溶強化，運用Al、Ti、Nb、Ta獲得金屬間化合物相析出強化，添加B、Zr、Co等元素實現晶界強化。對航空結構中常用的高強度鋼30CrMnSiAl進行雷射熔覆Ni基粉末，也較大地提高了其抗斷裂疲勞性質。NiCrSiB作為應用最為廣泛的Ni基合金之一，通過增加其成份中Ni的含量，可使裂紋率明顯下降。原因在於Ni為強擴大奧斯田體相區元素，增加合金中Ni含量，會使韌性相增加，導致熔覆層的塑性增加。Ni含量的增加也會降低熔覆層的線膨脹係數，而降低熔覆層的殘餘拉壓力，減少
37、裂紋率和缺陷的產生。(3)鐵基合金：適用於要求局部耐磨且容易變形的工件，基材多用鑄鐵和低碳鋼，其最大優點是成本低且抗磨性質好。一般鐵基合金的成本是鎳基合金的1/41/5，是鈷基合金的1/81/9倍，採用鐵基熔覆材料，塗層與基體具有良好的潤濕性，可以有效解決雷射熔覆層剝落問題，同時降低了對稀釋率的嚴格要求，有利於雷射技術控制。鐵基合金熔點高，自熔性差，抗氧化性差，流動性不好，溶層內氣孔夾渣較多，這些缺點也限制了它的應用。使用的鐵基合金主要有316不銹鋼/En3鋼、316L不銹鋼低碳鋼、Ni-Cr，Ni-CrMnCo/347不銹鋼、Fe-Cr-C-W/AISI 1018鋼、Fe-12%Mn-1.2
38、%C鋼/0.2%C鋼等1。l 2. 2.複合粉末複合粉末l 複合粉末又可分為碳化物複合粉末和自黏結複合粉末。l 碳化物複合粉末是由碳化物硬質相與金屬或合金作為黏結相所組成的粉末體系，可分（Co、Ni）/WC和（NiCr、NiCrAl）/Cr3C2等系列。這類粉末中的黏結相在一定程度上，使碳化物免受氧化和分解，特別是經預合金化的碳化物複合粉末，能獲得具有硬質合金性質的塗層。碳化物複合粉末作為硬質耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性。l 自黏結複合粉末是指在熱噴塗過程中，由於粉末產生的放熱反應，能使塗層與基材表面形成良好結合的一類噴塗材料，其最大的特點是具有工作粉末和打底粉末的雙重功能。自黏結複
39、合粉末的類型有自黏結碳化鎢、自黏結不銹鋼、自黏結鎳鉬鋁、自黏結合金鋼等系列。此種材料與基材的結合強度高，並具有良好的耐磨損、抗衝擊性質，適用於耐磨損零件的修復。l 對於複合塗層的設計，除了考慮複合塗層的使用性質外，還應該考慮陶瓷顆粒與合金基體之間物理性質的匹配、陶瓷顆粒與液態金屬之間的潤濕及化學反應、塗層與基材間的界面結合等因素，以獲得組成之間物理、機械性質的最佳組合。l 3. 3.氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末l 陶瓷粉末主要為氧化鋁和氧化鋯兩個系列，其中氧化鋯系陶瓷粉末比氧化鋁系陶瓷粉末具有更低的熱導率，因而主要被用於熱障層材料。l 儘管雷射熔覆金屬陶瓷材料有諸多優異的性質，使塗層成份和組織
40、發生不同程度的變化，導致顆粒的部份溶解，進而影響基體的相組成，使原設計的複合塗層基體和增強體不能充分發揮各自的優勢，造成燒損。其次，由於雷射輻照時，雷射熔池中形成的高溫，但在應用中存在的問題仍不容忽視。首先，陶瓷材料與基體金屬的線膨脹係數、彈性模數及熱導率等性質差別較大，這些性質的不匹配，造成了塗層中出現裂紋和孔洞等缺陷，在使用過程中將產生變形開裂、剝落損壞等現象。l 在選擇陶瓷材料時應遵循如下原則：(1)選擇陶瓷與金屬間能夠發生化學反應的陶瓷與金屬材料。(2)可能生成的反應產物要與原金屬或原陶瓷之間有較好的相容性，即相似的晶體結構，相近的晶格常數等。(3)盡可能減小陶瓷與基體金屬材料的線膨脹
41、係數和比體積的差異，以避免凝固後形成的固固界面不匹配，而降低裂紋形成的趨勢。(4)從固液界面角度，要求預置的陶瓷塗層在熔化時，對於基體具有很好的潤濕性和延展性，亦即塗層的表面張力必須小於基體的臨界表面張力。(5)塗層基體界面並非單層幾何面，而是多層的過渡區，這一界面區可能由幾個次層組成，每一次層的性質都與覆層材料、基材及技術有關。根據固態相變及化學鍵的理論，可在塗層中添加某些元素，使之對陶瓷及基材產生良好的化學作用，在界面上形成共價鍵結合，提高界面強度。l5.2.45.2.4雷射熔覆層的表面性質雷射熔覆層的表面性質l 雷射熔覆層的表面改質研究，主要集中在耐磨性、耐蝕性、抗氧化和熱障性等方面。l
42、一、耐磨性質一、耐磨性質l 高耐磨性的取得與硬質陶瓷顆粒相的固有性質、含量及其分佈特徵有關。Ni基、Co基、Fe基自熔合金本身就具有良好的耐磨、耐蝕、耐熱性，在這些自熔合金中加入WC、TiC、SiC、B4C、TiN等各種高熔點的超硬陶瓷顆粒，雷射熔覆後形成的複合塗層中，合金基體與極硬的主體硬質相匹配，使熔覆層的硬度和耐磨性得到了顯著提高。磨損類型類別推薦的合金成份粘著磨損中度磨損含6%15%Cr的鐵基合金，含5%30%Cr的鈷基合金嚴重磨損鈷基合金或鎳基合金磨粒磨損低應力磨損在鐵、鈷、鎳合金中加碳化物顆粒高應力磨損含3.5%4%C的高鉻鐵，含2.0%3.5%C的高鉻麻田散體，含0.4%1.5%
43、C的麻田散體合金鋼表表5.11磨損類型與部份相應合金種類磨損類型與部份相應合金種類 l二、耐蝕性質二、耐蝕性質l 雷射熔覆耐蝕塗層以Ni基、Co基自熔合金或不銹鋼及以它們為基的金屬陶瓷複合塗層材料為主，具有優良的抗腐蝕性質。以Ni基自熔合金和不銹鋼為基的含SiC、B4C、WC等顆粒的複合塗層，具有良好的耐腐蝕性質。以Co基自熔合金為基的硬質合金塗層，則顯示出良好的抗熱汽蝕和沖蝕能力。l 試片欄中的P代表電漿噴焊技術，L代表雷射熔覆技術。腐蝕介質試片腐蝕速率gm-2h-18h後24h後48h後72h後10%H2SO3P139.98133.9679.28溶液L5.283.532.5510%HNO3
44、P629.85233.19127.22溶液L1.830.670.4620%NaOHP0.0430.0700.0470.043溶液L0.0390.0660.0360.028表表5.12腐蝕性實驗結果腐蝕性實驗結果 l三、耐氧化性質三、耐氧化性質l 雷射熔覆抗氧化塗層中研究較多的是MCrAlY系合金（其中M代表Fe、Ni、Co等過渡族元素）。此類塗層在高溫氧化環境中，能形成表面氧化保護膜Al2O3（或MAl2O4），在高溫腐蝕環境中具有很高的惰性，氧化膜的增厚十分緩慢。稀土元素Y一般存在於氧化膜與合金界面的擴散前緣，優先發生氧化，阻礙界面的擴散，並能進一步細化組織、穩定晶界和減緩內擴散，增強塗層的
45、抗高溫腐蝕能。l 圖5.38為Ni基高溫合金10%WC（曲線2），MCrAlY10%WC（曲線3）及不銹鋼1Cr18Ni9Ti（曲線1）在不同氧化時間的恒溫氧化增重。三者相比，曲線3即MCrAlY10%WC熔覆層的抗氧化性質最好。鎳基高溫合金10%WC熔覆層次之，1Cr18Ni9Ti不銹鋼最差。圖圖5.38不同合金成份氧化增重曲線不同合金成份氧化增重曲線 l四、熱障性質四、熱障性質l 目前，對雷射熔覆ZrO2、Al2O3和SiO2等純氧化物陶瓷或其複合陶瓷，作為熱障塗層的研究備受人們的關注。作為熱障塗層材料應具備的性質中，最重要的是具有低的熱導率和高的線膨脹係數。注意力更集中在ZrO2塗層上，
46、因為在陶瓷材料中ZrO2與金屬的線膨脹係數最為接近，且熱導率最低，是理想的熱障塗層材料。但ZrO2在1170左右發生的相變，對塗層熱障性質是有害的，必須進行穩定化處理。通常採用的穩定劑為CaO、MgO、Y2O3及其他稀土氧化物。l5.2.55.2.5雷射熔覆層裂紋分析雷射熔覆層裂紋分析l一、熔覆層的殘餘應力一、熔覆層的殘餘應力l 雷射熔覆層的殘餘拉應力是其開裂的主要原因，而這種殘餘應力主要來自三個方面：熱應力、相變應力和拘束應力。由於雷射熔覆急冷急熱的特點，熱應力的影響最為明顯。熔覆層的熱應力可由下式來衡量。l （5.10）l （5.11）th/(1)ET=DD-12D=-l 式中，為熱應力，
47、E、分別為熔覆層的彈性模數和泊鬆比，是熔覆層與基材間線膨脹係數之差，是熔覆溫度與室溫之差，為熔覆層線脹係數，為基材線膨脹係數。l 當熔覆層線膨脹係數大於基材時，0，有0，即此時的熱應力為拉應力，對控制熔覆層開裂不利。當熔覆層線膨脹係數小於基材時，0，有0，即此時熱應力為壓應力，可以減小熔覆層開裂敏感性。l 假設雷射熔覆層的應力主要來自於熱應力th，那麼對熔覆層而言，為防止其開裂，必須保證th 1，而對基材來講，考慮基材與熔覆層的應力平衡，為防止其開裂，必須保證th 2 （1 、2分別為熔覆層和基材的抗拉強度），即要求 2 th1 。即可得熔覆層與基材的線膨脹係數差值的合理範圍為l （5.12）
48、21(1)/()(1)/()ETET-D D10%50不可控電火花毛化硬度較高850HV軋製量800t3050min根無規則但宏觀可控Ra0.513mRa4%701400.6m雷射毛化硬度較高850HV軋製量800t2.5h根可設定均勻分佈Ra0.84.0mRa3%701700.8m表表5.13三種毛化技術特點比較三種毛化技術特點比較l5.3.25.3.2雷射毛化原理雷射毛化原理l一、雷射毛化基本原理及其優點一、雷射毛化基本原理及其優點l 雷射毛化技術是指用高功率密度（104106W/cm2）和高重複頻率（103104次/s）的脈衝雷射光束聚焦照射到進行旋轉運動的軋輥表面，在軋輥表面形成若干微
49、小的熔池，同時施加具有一定成份、一定壓力的輔助氣體，按一定角度側向吹入熔融區，讓其按指定要求搬遷金屬熔化物到熔池邊緣。在光脈衝停止作用後，微坑熔融物依靠軋輥自身熱傳導作用迅速冷卻，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑邊凸臺結構圖圖5.41雷射毛化原理示意雷射毛化原理示意1軋輥軋輥，2輔助氣體輔助氣體，3雷射器雷射器，4全反鏡全反鏡，5光閘光閘，6光源光源，7聲光盒聲光盒，8輸出鏡輸出鏡圖圖5.42雷射毛化後輥面形貌雷射毛化後輥面形貌 l 雷射毛化的優點主要表現在以下幾方面：(1)雷射毛化在軋輥表面所形成的高硬度區呈點狀均勻分佈，這樣就避免了採用其他熱處理方法普遍存在的輥表面變形、殘餘應力集中和
50、韌性降低現象，而延長了軋輥的使用壽命。(2)在軋製過程中，改善軋輥與板間的摩擦和接觸條件，有利於軋製技術順利進行，減少了擦傷和黏連，改善了板形，提高了板面品質。(3)在板材成形過程中，板面微坑有儲油和冷卻作用，改善了板與模具間的摩擦和接觸條件，有利於材料流動，使成形技術易於進行。(4)增強了板面對塗層的附著力，提高了成形件表面塗漆光亮度，增加了產品的附加值。l二、軋輥凹凸形貌形成影響因素二、軋輥凹凸形貌形成影響因素l 在軋輥表面形成具有一定耐磨性質和硬度的凹凸體形貌，關鍵因素在於以下幾方面39：l 1. 1.雷射功率密度和作用時間雷射功率密度和作用時間l 凹凸體形貌形成的一個前提條件是：必須在
