激光材料加工

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1、激光表面合金化的研究进展及应用(袁中涛201(X)110)摘要：激光表面合金化是一种材料表面改性处理的新方法，具有广阔的应用前景。本文综述了激光表而合金化的研究现状，其屮包括激光表而合金化工艺制定的基本原理及工艺分类，合金化涂层的组织特性与性能。介绍了研究的材料类型及方法，国内外研究重点以及最新研究成果和理论分析，并且简要讲述了激光表面合金化在实际工程屮的具体应用及研究展架。同吋本文指出了激光合金化当前研究存在的冇待解决的问题和今后需要改进的方向。关键词：激光表面合金化合金化涂层基体材料冶金结合正文：激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，

2、有改变其化学成分的激光表而处理新技术。它是利用高能激光束将基体金屈表而熔化，同时加入合金化元素，在以基体为溶剂，合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层，从而使基体金屈表而具冇所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。激光表而合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。与常规热处理相比，激光表面合金化能够使难以接近的和局部的区域合金化，在快速处理的过程中能

3、够有效的利用能源，利用激光的深聚焦在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。口前。激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁，而且还涉及到钛合金、铝合金等有色金属问。1.激光表面合金化的基本原理和工艺分类1.1激光表面合金化的基本原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长和近的(微米级別)小斑点上，加上它木身强度高.故可以使焦点处的功率密度达

4、到105〜1013W/cm2.温度可达1万。C以上。在这样的高温下。任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产牛方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。激光合金化(laserSurfaceAlloying,LSA)是金屈材料表面局部改性处理的一种新方法。是在高能量激光束的照射下•使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同时快速熔化、混合，形成厚度为10〜1OOOum的表而融化层，使材料表而在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层由于具有高丁•基材

5、的某些性能.所以能达到表面改性处理的目的。在农用汽车工业方面，激光表面合金化工艺可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的农用汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套等的使用寿命。1.2激光表面合金化的工艺分类激光合金化组织结构的主要特征与激光熔凝处理有相似之处，合金化区域具有细密的组织，成分近于均匀。激光表面合金化所采用的工艺形式有预置法、硬质粒了喷射法、和气相合金法。预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔，氧■乙炊和等离子喷涂、粘结剂涂覆等预涂覆方法，将所耍求的合金粉末事先涂覆在耍合金的材料表面

6、，然后有激光加热熔化，在表而形成新的合金层。该法在一些铁基表而进行合金化是普遍釆用硬质粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时，从一喷嘴中吹入碳化物或者氮化物等细粒，使粒子进入熔池达到合金化层。激光气体合金化法是一种在适当的气氛中应用激光加热熔化基体材料以获得合金化的方法，它主要用于软基材料表面，如铝、钛及其合金⑶。1.合金化涂层的组织特性和性能2.1激光表面合金化的组织特性激光表而合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝同速度Z比冇关。激光表面合金化过程中，温度梯度、溶质浓度、昂体长犬速度均随吋间变化，所以激光表面合金化涂层组织具有

7、复合性特征，主要组织特征类型有三种：①平面晶一一胞状晶胞状树——枝晶——树枝晶；②胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶；③胞状树枝晶一树枝晶。2.2激光表面合金化的性能当前研究认为，激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合，结合强度高，能够显著捉高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，获得了广泛应用。（1）耐磨性。冃前，激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末（如SiC,wC,TiC等），或者激光表面合金化过程屮原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金屈间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐

8、像性的工艺目前应用依然很广泛，相当的文献报道都采用此方法进行激光表面合金化研究。蒋平⑷利用预涂SiC粉的方法对T--6A1—4V合金进行激光合金化实验，制得以TiC