金属表面激光合金化技术问题分析_激光熔覆.docx

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1、金属表面激光合金化技术问题分析_激光熔覆莱阳农学院学报　13(4):298～302,1996JournalofLaiyangAgriculturalCollegeΞ金属表面激光合金化技术问题分析陈传忠　于慧君　周建强　周香林(山东工业大学,济南250061)自1964年第一篇激光合金化的论文发表以来,因激光合金化有很多优点,巨大的政治和经济意义,人们对这项技术的兴趣日益增大,80光合金化技术寄予很大的希望,,究〔1〕。国内自80年代初开始。在近几届增多,已达到国际先进水平。为了这项技术的全面和合金化元素

2、的配比方面已进行了大量深入而广泛的研究、合金钢、高速钢〔2〕、不锈钢、模具钢和铸铁等钢铁材料,而且还〔3〕涉及到Al、Ti、Ni、Cu、Mg及其合金等有色金属材料。合金化元素有Cr、Ni、W、Ti、Mn、氧化物、氮化物和硼化物Mo、V等金属元素和C、N、B等非金属元素,以及它们的碳化物、等。在众多行业有着非常广阔的应用前景。但还存在一些工艺理论和技术问题尚待进一步解决。1　合金化材料与基体材料间的匹配性由文献[3]激光合金化研究现状可以看出:激光合金化所使用的元素和化合物可以用于不同金属材料表面的强化。

3、由于这些合金化材料在高能激光束的作用下,很容易进入激光合金化区。故其选择范围是非常广泛的,似乎所有的元素和化合物都能应于各种基材的激光合金化。对于激光合金化技术的应用来说,选择合金化材料时除了考虑所需要的性能(如合金化层的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能等)外,还必须考虑在激光作用下这些合金化材料在进入金属表面时的行为及　图1　激光合金化层的形貌示意图其与基体金属熔体的相互作用特征,即它们之间的溶解、形成化合物的可能性、润湿性、线膨胀系数和比容等物理性能的匹配性,以保证得到均匀、连续、无裂纹和孔洞缺陷的

4、合金化层,如润湿性对合金化的影响见图1所示〔4〕,a)为润湿性较差的情况,b)为中等情况,c)为润湿性较好的情况。只有合金化材料对基本材料的润湿性能较好时,才能获得比较满意的合金化效果。合金化层与基体要达到冶金结合状态,以提高合金化层的结合强度,并且合金化层的韧性、抗压和抗弯等性能指标要满足使用要求,这些规范都是实际生产应用中不可缺少的Ξ本文收到日期:1996-03-084期陈传忠等:金属表面激光合金化技术问题分析299条件〔5〕。总之,合金化材料的选择不仅考虑到所需的表面性能,还必须涉及材料对合金化区

5、的表面质量和内在质量的影响、合金材料的利用率、来源及其价格等各方面的因素。因此,用于金属表面激光合金化的合金材料的选取是有限的。2　激光加工设备的配套性与稳定性激光合金化需要大功率激光束,因为用于激光合金化的最大光斑直径受到激光功率的限制。如2kw左右的CO2激光器,适于合金化的最大光斑直径为5mm;对于5kw激光器的最大光斑直径也只有8mm〔6〕。对于连续激光为了达到大面积合金化的目的,必须要利用大功率或大面积光斑技术,如聚焦法、宽带法及转镜法。如采用大面积光斑技术,当激光输出功率一定时,光斑面积越大

6、,其功率密度越低,光束直径的增大将使功率密度以平方关系下降,这将削弱激光的高能密度和超快加热的优势,对于激光合金化,为了保持激光的高能密度和超快速加热特征,当激光输出功率kw时,束斑的最大理论面积不能超过20mm2;当功率为5kw时,带扫描装置,光束由圆形变成矩形时,为前提。的,现在还仍处在研制阶段,,。若采用大功率技术就存,,但5kw单机的性能稳定,kw,还未形成商品。,目前大面积的合金化都采用多道搭接扫描(如图2),由于第二,存在一个搭接区,由于二次加热效应,其组织与性能均不同于正常合金化区的组织与

7、性能。搭接区具有形态复杂的特殊组织特征,整体上表现为一种宏观的呈周期性出现的组织状态;这种组织的周期性必然带来性能的周期变化。一般来讲,耐磨件对组织与性能的这种周期性变化不太敏感,但耐蚀、耐热和抗疲劳件则对此十分敏感,很容易在搭接处导致早期失效。据资料报导〔7〕对45钢Cr、Mo激光合金化层的矩形光斑重熔处理,可以消除合金化时搭接区出现的回火软化效应;合金化后的固溶处理可以提高硬度分布的均匀性。但目前关于搭接区组织对合金化性能的影响还没有专门、系统的研究。3　激光合金化的工艺技术研究人们虽然在激光表面合

8、金化的工艺技术方面做了大量的研究工作〔3〕。但与激光相变强化相比,激光合金化的研究尚不够深入,工艺参数的重现性和可信图2激光合金化时搭接扫描示意图1.基体;2.预置层;3.合金化带;度不大,实验结果往往难以相互引用,工艺理论研究4.合金化带;5.搭接区尚不成熟。这些问题除继续深入探讨外,尚可寻求其它的新的工艺和方法,如激光气体合金化〔5〕,在某种适当的合金化气氛中,通过激光加热熔化基材表面,在熔池的对流作用下,合金元素可以快速地渗入较深的部