調(diào)質(zhì)合金鋼的激光淬火及合金化研究畢業(yè)論文

1、 學士學位論文調(diào)質(zhì)合金鋼的激光淬火及合金化研究學位申請人： 學科專業(yè)：材料科學與工程指導(dǎo)教師： 答辯日期：2011年6月13日摘 要調(diào)質(zhì)鋼是機械制造中常用的鋼種之一，由于其服役條件苛刻，表面容易受到磨損，腐蝕而使其發(fā)生失效。本課題以提高液壓油缸和活塞桿的使用壽命為基礎(chǔ)， 利用co2激光器在樣品表面進行不同參數(shù)（包括功率，掃描速率）單道及搭接的掃描，重點研究了：（1）不同激光淬火工藝對調(diào)質(zhì)鋼硬度的影響規(guī)律；（2）不同激光合金化工藝對調(diào)質(zhì)鋼表層組織和硬度的影響規(guī)律；（3）激光合金化對調(diào)質(zhì)鋼表層的耐腐蝕性評價。從而確定最佳的激光合金化與激光淬火的工藝，達到顯著提高液壓油缸和活塞桿表面性能的目的。結(jié)果

2、表明，經(jīng)激光淬火或激光合金化后，45鋼的表面性能得到了顯著的提高。在功率為1.5kw，掃描速率為300mm/min時，表層有良好的宏觀形貌，適當?shù)膶由顚訉挘^高顯微硬度以及優(yōu)良的耐腐蝕性。關(guān)鍵字：液壓油缸，調(diào)質(zhì)鋼，激光合金化，激光淬火，硬度，層深，耐腐蝕性abstractquenched and tempered steel is commonly used in machinery manufacturing, because of its harsh service conditions, the surface is susceptible to abrasion and corrosi

3、on, it is easily to failure. based on improving the life of the hydraulic cylinder and piston rod, in this topic we scan single-channels and overlaps on the sample surface with different parameters (including power, scan rate) by using co2 laser, and,focus on:(1)different laser quenching process of

4、the influence law of quenched and tempered steel hardness;(2)different laser alloying process of the influence law of quenched and tempered steel hardness and surface microstructure；(3)laser alloying of the qualitative evaluation of quenched and tempered steel corrosion resistance.to determine the o

5、ptimal laser alloying and laser hardening process, so we can significantly improve the surface properties of the hydraulic cylinder and piston.experiment show that after the laser quenching or laser alloying, 45 steel surface performance got dramatically increasing. in power for 1.5 kw, scan rate fo

6、r 300mm/min, surface get good macro-morphology, layer-deep and layer-wide is proper, microhardness increases and corrosion resistance is improved.key words: hydraulic cylinder; quenched and tempered steel; laser alloying; laser quenching,hardness; layer-deep; corrosion resistance目錄摘 要iabstractii目錄ii

7、i1 緒論11.1本課題的研究目的和意義11.2激光表面改性研究現(xiàn)狀21.3激光淬火21.4激光表面合金化81.5本課題研究的技術(shù)目標及主要內(nèi)容112試驗方案122.1.試驗材料122.2表面涂料122.3實驗設(shè)備132.4試驗內(nèi)容132.5分析手段133試驗結(jié)果與分析143.1激光淬火以及激光合金化后工件的形貌評價143.2不同工藝對激光淬火及激光合金化后層深及層寬的影響173.3激光淬火及激光合金化后的硬度分布233.4激光淬火及激光合金化后耐腐蝕性評價274全文總結(jié)30致 謝31參考文獻321 緒論 45鋼是機械制造中的重要材料，主要是用于制造連接螺栓、壓縮輪盤、軸、大制動鼓密封蓋和軸承

8、座等零件，但由于工作環(huán)境較為苛刻，這些零件時常會因發(fā)生表面磨損而導(dǎo)致失效，為了提高其耐用性,可通過對零件進行表面改性來提高其性能。利用激光技術(shù)對材料進行表面改性，是提高材料表面性能的一種重要方法。激光是人類20世紀最偉大的發(fā)明之一，它有著一系列普通光波無法比擬的特殊性，即高度的方向性、單色性、相干性、高亮度、超短脈沖及可調(diào)諧性等。正是因為激光的這些特性，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，發(fā)展?jié)摿O其巨大1。激光作為一種精密可控的高能量密度的熱源，可對金屬材料進行多種強化處理，其分類如圖1-1所示。圖1-1金屬激光強化處理分類1.1本課題的研究目的和意義目前，工業(yè)生產(chǎn)中許多零部件的工作狀況十分惡劣，如柱塞、渦

9、輪發(fā)動機葉片、電廠汽輪機葉片、鼓風機葉片、汽車發(fā)動機軸頸、齒輪、閥座、氣門、挺桿等要求表面有良好的耐磨性、耐蝕性及高溫抗氧化性。這些零件若采用整體材料來制造，既浪費貴重金屬，又無法兼顧工件對表面耐磨、耐蝕性與心部強韌性的不同要求。激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為零部件的修復(fù)開辟了新途徑。采用激光淬火以及合金化技術(shù)可在廉價的鋼材表面獲得高性能的耐磨、耐蝕涂層，且表層均勻致密、缺陷少、成品率高。本課題在不同的工藝參數(shù)下，利用co2激光器對調(diào)質(zhì)合金鋼表面進行淬火以及合金化處理，并研究了其表面所獲得的性能的提高。1.2激光表面改性研究現(xiàn)狀應(yīng)用激光對材料表面進行處理，就是在材料表面形成一定厚度的處理層，以改善材料

10、表面的力學性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能，以滿足各種不同的使用要求。實踐證明，激光表面處理技術(shù)具有高效率、高效益、高增長及低消耗、無污染等一系列優(yōu)點，因而成為了一種發(fā)展迅速、有前途的表面處理方法。激光是一種波長一定、相位一致且方向性極強的電磁波，通常情況下，激光束可以聚焦成直徑很小的光(直徑只有0.1mm)，具有極高的功率密度（約為104109w/cm2）2。激光表面處理時，用大功率的激光束對材料進行非接觸式加熱，材料表面吸收激光的能量后轉(zhuǎn)變?yōu)楸旧淼膬?nèi)能，由于激光的功率密度極高，在很短時間（10-110-7s）就可以把材料表面加熱到很高的溫度(加熱

11、速度可高達105109/s)，使材料表面發(fā)生固態(tài)相變，熔化甚至蒸發(fā)。當激光束被移除后，材料表面迅速降溫（降溫速度可達104/s），自然冷卻后就可以形成表面強化。激光與金屬之間的互相作用按激光強度和輻射時間分為幾個階段：吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變、激光作用的冷卻等。它對材料表面可產(chǎn)生加熱、熔化和沖擊作用、隨著大功率激光器出現(xiàn)，以及激光束調(diào)制、瞄準等技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)進入金屬材料表面熱處理和表面合金化技術(shù)領(lǐng)域，并在近年得到迅速發(fā)展。激光表面合金化技術(shù)，就是目前應(yīng)用比較廣泛的激光表面改性技術(shù)。1.3激光淬火1.3.1激光表面淬火機理激光表面淬火是以高能密度的激光束作為熱源的表面熱處理。處理

12、過程是將激光束掃描于金屬材料表面，其紅外能量被金屬表面吸收而迅速升溫從而達到很高的溫度（即加熱至金屬的相變溫度以上，且控制在熔點以下），使金屬發(fā)生固態(tài)相變3。隨著激光束離開金屬表面的加熱處，表面材料表面的熱量依靠金屬本身的熱傳導(dǎo)迅速向內(nèi)部傳遞而形成極大冷卻速度，可以靠自激冷卻使材料表面淬火，實現(xiàn)表面硬化。一般情況，表面淬火熱處理時激光束的功率密度為104105w/cm2，當激光束作用于金屬材料表面時，金屬表面主要產(chǎn)生溫升及相變而基本上沒有出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，激光束離開金屬表面時局部冷卻速度可達104106/s。由于激光超快加熱條件下過熱度大，造成相變驅(qū)動力很大，奧氏體形核數(shù)目劇增，奧氏體形核既

13、可發(fā)生在原晶界和亞晶界處，也可在相界面和其它晶體缺陷處發(fā)生，同時瞬間的奧氏體化使起始晶粒來不及長大4，而激光束就已移開，加之自激淬火處理的冷速極快，在激冷到馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度ms后，固態(tài)相變必然獲得細小的馬氏體組織。激光表面淬火快熱快冷的過程也使金屬中各元素的擴散均勻化來不及進行，使淬火組織中碳及合金元素濃度的不均勻性增大，從而造成了兩方面的結(jié)果：一方面因為成分的不均勻性使得微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大的差異，促進了細小馬氏體組織的形成；另一方面奧氏體中原靠近碳化物近的局部區(qū)域內(nèi)碳元素的固溶度增加，隨著奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，而殘余奧氏體也以碳及合金元素的高度固溶形式存在。因而，

14、激光淬火熱處理后的主要淬火區(qū)域為板條馬氏體和孿晶馬氏體組織，并且其中位錯密度極高，可達1012/cm25,6。研究表明，晶粒細化、馬氏體的高位錯密度和高的碳固溶度是激光淬火材料表面獲得超高硬度的主要原因7。1.3.2激光表面淬火的技術(shù)特點傳統(tǒng)的熱處理是將材料加熱到一定的溫度，并且在這個溫度下保持一定的時間，繼而在特定的介質(zhì)作用下以一定的冷卻速度冷卻材料，使材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而實現(xiàn)材料性能的改變以達到熱處理的目的。激光淬火為快速加熱、快速冷卻的自激淬火的過程，激光表面淬火與傳統(tǒng)淬火工藝的不同主要在于它的作用時間短并且不需要冷卻介質(zhì)。故相對于傳統(tǒng)的熱處理工藝，激光表面淬火具有如下的優(yōu)點8：

15、（1）表面改性的優(yōu)化效果顯著。激光表面淬火自激淬火過程溫度變化極快，使得淬火后金屬表層實現(xiàn)組織的細化，淬火馬氏體的位錯密度相對于常規(guī)淬火更高，材料的硬度、耐磨性及耐蝕性均有較大提高。馬氏體轉(zhuǎn)變使材料表面硬化，同時金屬表面淬火硬化層內(nèi)殘留有相當大的壓應(yīng)力，從而增加了加工工件的疲勞強度9,10。如果在工件承受壓力的情況下實施激光表面淬火，淬火后撤去外力，則可以進一步增大殘留的壓應(yīng)力，并可大幅度提高工件的抗壓和抗疲勞強度；（2）加熱速度極快，冷卻速度高，零件熱變形量極小。因為激光束的功率密度高，激光束對材料表面掃描時，其表面的升溫速度可高達104106/s，可以在極短的時間內(nèi)將材料加熱到相變區(qū)，材料

16、吸收的熱量由表向里傳導(dǎo)，不需要冷卻介質(zhì)就能夠使冷卻速度達到105/s，自激淬火作用的時間也很短，因而改性區(qū)域僅限于表面薄層，不易造成零件整體的熱變形；（3）可對形狀復(fù)雜的零件進行激光表面淬火或局部淬火。激光加熱區(qū)域很小，激光束光斑尺寸決定了激光的掃描面積，而淬火后的深度可從幾十微米到幾百微米，因此，可以對形狀復(fù)雜的零件（如有盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等）進行處理或局部處理，也可根據(jù)需要在同一個零件的不同部位進行不同的處理；（4）適用性強。由于激光聚集深度大，當激光束的離焦量控制在一定的范圍內(nèi)時激光功率密度基本相同。因此，激光加熱表面淬火對零件的尺寸、大小及表面都沒有嚴格的限制；（5）工藝周期短

17、，生產(chǎn)重復(fù)性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。激光加工設(shè)備多配備數(shù)控系統(tǒng)，操作簡單，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，有效地確保了激光加工的精確度和穩(wěn)定性；（6）清潔的工藝。激光表面淬火為自激淬火過程，不需要水或油等冷卻介質(zhì)，有利于環(huán)境保護。并且激光淬火后的材料表面清潔，基本上不需要修磨處理，可以作為零件精加工的最后一道工序。激光表面淬火是一種局部的表面處理方法，與其他一些表面處理方法和常規(guī)處理方法比較，有其獨特的優(yōu)點，它所包含的內(nèi)容是豐富的，應(yīng)用前景也是廣闊的。但是激光表面淬火的局限性也較明顯，它只適用于一些需要局部表面硬化的工件，且淬硬層較淺，因而就有一個適于選擇激光淬火工藝的工件范圍，通常是對一些不要求整體硬化，尺寸

18、精度要求較高，或采用其他方法難以處理，以及形狀復(fù)雜或需進一步提高硬度、耐磨性等性能的工件進行激光表面淬火處理。此外，若進行表面大面積激光淬火，需解決好掃描道次間搭接處的回火軟化問題11。1.3.3激光表面淬火工藝(1)常用激光類型及其輸出方式激光器是進行激光表面淬火最基本的設(shè)備。根據(jù)激光器中工作物質(zhì)物態(tài)的不同，激光器可分為以下幾大類：固體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或在玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的。例如摻釹釔鋯石榴石（yag）激光器；氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，包括原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器（例如co2激光

19、器）、準分子亦稱受激分子（excimer）激光器等；液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液；半導(dǎo)體激光器，以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用；自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束。目前表面淬火常用的激光器主要有氣體激光器（co2激光器）和固體激光器（yag激光器）兩類。激光的輸出方式可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種。連續(xù)式輸出激光的激光器可獨立控制的參數(shù)為激光輸出功率p、光斑直徑d和掃描速度v；脈沖式輸出激光的激光器可獨立控制的參數(shù)除前三者外還有

20、激光的脈寬和頻率。此外，不同的激光輸出模式，激光束的能量及分布狀態(tài)也是不相同的12。激光輸出模式有高斯模、低階模和多模三種。其中高斯模又稱為基模，它輸出的能量集中，可以聚焦到很小的尺寸；低階模的能量分布范圍比高斯模寬，聚焦后仍可以獲得較小的光斑尺寸。此兩種輸出模式主要用于焊接、切割和打孔；多模激光束的能量分布范圍較寬，可以通過聚焦方式得到狹窄的光斑，常用于激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆及激光表面合金化上。(2)主要工藝參數(shù)及其相互作用激光表面淬火主要工藝參數(shù)包括激光功率、光斑尺寸及掃描速度。激光功率。激光功率決定能量的輸出13，在其它參數(shù)一定的情況下進行表面淬火，當激光功率過小時，材

21、料表層難以發(fā)生相變，材料表面硬度幾乎不變；當激光功率達到某一段數(shù)值時，被處理工件的表面硬度隨功率的增加而上升，且?guī)缀醭示€性關(guān)系。當激光功率繼續(xù)增大時，則可能發(fā)生材料表面熔化，使其硬度產(chǎn)生回落14，從而影響了激光淬火效果。因鋼的化學成分及其表面狀態(tài)不同，通常需結(jié)合具體的激光設(shè)備，由試驗確定激光器的輸出功率的大小。光斑尺寸。激光束通過聚焦形成一定形狀及尺寸的光斑作用于工件表面，光斑的狀況對表面淬火質(zhì)量有重要影響。光斑的寬度即代表激光掃描的淬火帶寬度，光斑的面積則決定激光與材料表面發(fā)生相互作用的面積。若光斑尺寸過大，將導(dǎo)致材料表面能量吸收不足，不利于金屬發(fā)生相變硬化；反之，則易造成表面的熔化，同時不

22、利于材料表面大面積淬火處理的進行。掃描速度。激光掃描速度主要影響激光束對工件表面的照射（加熱）時間15，當激光輸出功率一定的條件下，激光束對工件表面的作用時間決定了激光對材料表面的能量輸入，材料表面能夠吸收而實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)變化的能量與激光束的能量輸入直接關(guān)聯(lián)，即體現(xiàn)了激光束的掃描速度與材料表面吸收能量的緊密聯(lián)系。但掃描速度不能過小，否則冷卻速度過低，不利于晶粒細化，也不利于實現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。然而上述三個主要工藝參數(shù)都不是孤立的，激光功率、光斑尺寸及掃描速度三者間有著緊密聯(lián)系：激光功率密度表征的是激光束輸出的能量，其由激光功率與光斑尺寸共同決定；掃描速度決定激光與材料的作用時間；激光功率密度與作用時

23、間共同影響材料表層對能量的吸收轉(zhuǎn)化。激光表面淬火工件的質(zhì)量受主要工藝參數(shù)綜合條件的影響。激光淬火后工件表面的硬化層深度是判定淬火質(zhì)量的重要指標之一，淬硬層深度h與主要工藝參數(shù)（輸出功率p、光斑面積s和掃描速度v）間存在著特定的關(guān)系，其關(guān)系式表示為16：hpsv(3)激光掃描方式激光的掃描方式主要有圓形或矩形光斑的窄帶掃描和線形光斑的寬帶掃描。窄帶掃描所用激光的光斑直徑（邊長）一般不超過5毫米，表面的淬火硬化帶寬度與光斑直徑相近。對要求大面積表面淬火工件進行處理時，必須逐行地進行掃描，且各掃描帶之間需保持一定的搭接量。這樣，重疊部分將導(dǎo)致回火軟化帶的出現(xiàn)?；鼗疖浕瘞У膶挾扰c光斑特性有關(guān)，一般均勻

24、矩形光斑產(chǎn)生的回火軟化帶較小。故表面大面積激光掃描淬火時，可采用矩形光斑掃描。此外，還可以采用寬帶掃描技術(shù)。寬帶掃描通常是將聚焦的圓光斑變成線光斑，使一次掃描寬度大為提高。正是為了減少回火軟化帶所產(chǎn)生的不良影響，科研人員發(fā)明了寬帶掃描技術(shù)，一次掃描寬度提高的結(jié)果是減少了激光掃描的搭接次數(shù)，即減少回火軟化帶的產(chǎn)生。目前，獲得線光斑的技術(shù)主要包括采用柱面鏡、二元光學器件和振蕩聚集光束等。寬帶掃描的寬度可達十幾毫米，有效地減少了軟化帶的不良影響。(4)質(zhì)量控制因素激光相變硬化過程是一個錯綜復(fù)雜的快速加熱快速冷卻的淬火過程。激光淬火硬化層的尺寸參數(shù)（硬化層寬度、硬化層深度、表面粗糙度）和性能參數(shù)（顯微

25、硬度、耐磨性、組織變化）取決于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、掃描速度、材料的性質(zhì)（成分、原始狀態(tài)）和材料的表面預(yù)處理特性等，同時也與被處理零件的幾何形狀和尺寸以及激光束掃描區(qū)域的熱力學性質(zhì)有關(guān)17。激光掃描工藝參數(shù)及掃描方式對工件內(nèi)的溫度場分布具有決定性影響，是控制相變硬化質(zhì)量的關(guān)鍵因素。工藝參數(shù)選擇是否合理將直接關(guān)系到激光相變硬化質(zhì)量的好壞，而激光掃描工藝與參數(shù)的優(yōu)化則是改善激光相變硬化質(zhì)量的重要途徑，也對提高加工效率具有積極意義。除了前文介紹的激光淬火的主要參數(shù)外，還有其他因素對質(zhì)量控制發(fā)揮很大作用，這些質(zhì)量影響因素如下所示：材料因素。工件的材質(zhì)決定了其性能參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、

26、相變臨界溫度、熔點等。這些參數(shù)對激光束與工件相互作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)和溫度場具有重要影響，從而最終影響到相變硬化層的力學、組織、性能及幾何形貌等各項的質(zhì)量指標；材料成分是通過材料的淬硬性和淬透性來影響激光淬硬層深度與硬度的。鋼的淬透性越好，相同激光淬火工藝參數(shù)條件下淬硬層的深度要比含碳量相同的碳素鋼要深。一般來說，隨著鋼中的含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬火硬化層的顯微硬度也就越高18，并且鋼中馬氏體的組織、形態(tài)也與碳及合金元素含量密切相關(guān)19；工件形狀與結(jié)構(gòu)將影響激光束掃描下工件內(nèi)部的導(dǎo)熱狀態(tài)和溫度場分布，工件尺寸尤其是厚度也將對硬化層的質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。表面預(yù)處理狀態(tài)。材料的表面

27、狀況主要影響它對激光能量的吸收率，表面“黑化”處理的目的是為了提高工件表面對激光束的吸收率。激光照射到材料表面的能量，被表面吸收后才能通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部傳輸，這是激光熱處理的前提20。由于大多數(shù)金屬都有良好的導(dǎo)熱性能，但光亮的金屬表面對波長為10.6m的co2激光反射率都很高，一般可達80%90%21，這是利用高能量密度激光作為熱源，對金屬材料進行激光熱處理的一大障礙。故在激光熱處理前，必須對零部件進行表面預(yù)處理，以提高對co2激光器產(chǎn)生的激光輻射能量的吸收能力。主要有下述方法：1）通過磷化處理在工件表面形成一層灰黑的磷酸鹽膜；2）刷黑漆；3）涂石墨加氧化物；4）涂sio2型涂料，即一種以為si

28、o2骨料的可噴涂涂料。工程上通常采用磷化法和涂敷法。保護氣氛。在激光掃描過程中的選擇合適的保護氣體及適當?shù)臍鈮?，對保證激光淬火質(zhì)量也有一定貢獻。首先氣體能夠保護鏡頭，防止鏡頭污染而引起的激光光束質(zhì)量下降；其次定向吹送的氣體能促進淬火工件表面的散熱及表面法線方向上的熱傳導(dǎo)，從而影響淬火硬化層深度以及硬化層的形貌；最后還能保護淬火表面，減少表面脫碳傾向及氧化的發(fā)生率。搭接系數(shù)。當工件進行激光表面淬火的面積較寬時，需采用掃描帶搭接方式處理。激光表面淬火是通過一定寬度的能量束在工件表面逐行掃描實現(xiàn)的，當工件需要淬火的表面積較寬時，一條掃描帶不足以對整個需強化的表面淬火，需兩條或兩條以上掃描帶搭接在一起

29、才能將所需要淬火面積覆蓋。但是每兩條掃描帶之間的搭接量對硬化層的質(zhì)量有較大影響，一方面后一掃描帶的熱影響區(qū)將會對前一道淬火層產(chǎn)生回火作用，致使兩條掃描帶之間出現(xiàn)硬度下降的軟化帶；另一方面，由于激光束能量分布及自激淬火冷卻狀態(tài)的影響，在橫截面上，硬化區(qū)域總是呈現(xiàn)出外大內(nèi)小的半橢圓形狀。因此，必須充分考慮兩條掃描帶搭接率（即搭接系數(shù)）的影響。搭接量小，硬化后底部的平整性差，搭接量太大又會造成軟化帶的面積增加，影響面上硬度的均勻性。一般認為搭接系數(shù)定為5%20%范圍為宜。1.3.4激光淬火技術(shù)發(fā)展展望激光表面淬火最突出的特點就在于不需對工件作整體處理，而只對局部需耐磨部位的表面進行淬火硬化，復(fù)雜結(jié)構(gòu)

30、的部件和難于接觸而不能實現(xiàn)硬化的表面如內(nèi)孔表面，也可以通過激光處理實現(xiàn)硬化?？蛇M行激光相變硬化的零部件按形狀分為平面類、圓環(huán)類、套筒類和軸類。按材料可分為黑色金屬與有色金屬，如硬化工具鋼、高速鋼、結(jié)構(gòu)鋼，包括那些含鉻和錳的鋼種、低碳鋼（碳含量甚至低于0.2%）、中碳鋼、合金鋼、裝甲板鋼、耐腐蝕鋼、軸承鋼及鑄鐵等。體和缸套、機床離合器、機床加工刀盤、紡織機械、成形刀具、閥門、閥座、模具、鋸齒等多種機器零部件的局部硬化處理。在車輛制造工業(yè)，世界各大汽車公司對激光表面淬火的應(yīng)用相對而言顯得非常普通。對于要求一次激光掃描完成的高精度量具塊規(guī)的處理，可以應(yīng)用寬帶均勻硬化技術(shù)。其技術(shù)構(gòu)成包括千瓦級co2激

31、光器、寬帶掃描組合鏡和淬火工作臺。激光處理后的塊規(guī)測量面的硬度均勻，且不低于hv1000，硬化層深度大于0.25mm。使塊規(guī)的尺寸穩(wěn)定性和測量面的耐蝕和耐磨性均有提高，而且該工藝過程簡單、便于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。總的說來，激光相變硬化提高硬度的效果強于常規(guī)方法的硬化程度，并會形成有益的壓應(yīng)力而提高靜態(tài)強度和疲勞強度；提高沖擊強度和塑性、耐腐蝕性和耐磨損性能。1.4激光表面合金化所謂激光表面合金化，就是一種利用激光將合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在表面獲得合金層的方法。這種合金層與機體表面有很強的結(jié)合力，既改變了材料表面的化學成分，又改變了表面的結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)，故可使廉價的基體材料獲得良好的表

32、面性能，以達到表面改性的目的。1.4.1激光表面合金化技術(shù)的工藝特點激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。激光表面合金化工藝的最大特點是只在熔化區(qū)和很小的熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生了成分、組織和性能的變化，對基體的熱效應(yīng)可減少到最低限度，所引起的變形也極小。它既可滿足表面的使用需要，同時又不犧牲結(jié)構(gòu)的整體特性。由于合金元素是完全溶解于表層內(nèi)，因此所獲得的薄層成分是很均勻的，對開裂和剝落等傾向也不敏感。激光表面合金化的另一顯著特點是所用的激光功率密度很高（104108w/cm2）。熔化深度是激光功率和照射時間來控制，在

33、基體金屬表面可形成深度為0.012mm的合金層。同時由于冷卻速度高，偏析極小，并且細化晶粒效果顯著。利用激光合金化技術(shù)可使廉價的普通材料表面獲得優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能，從而可以取代昂貴的整體合金；并可改善不銹鋼，鋁合金，表面金屬玻璃等。激光表面合金化作為一種新型的表面改性技術(shù)，它可以顯著提高金屬材料表面的抗腐蝕和耐磨損性能，與傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光表面合金化具有突出的優(yōu)點。（1）激光輻射能量高度集中，通過空氣可以進行遠距離傳播。（2）是一種快速處理方法，能有效利用能量。（3）能準確地控制功率密度與加熱速度，從而變形小，而電弧硬化與等離子噴涂采用的是不均勻加熱和冷卻，在急冷過程中有熱

34、沖擊，造成變形和開裂，往往需要校直和打磨加工。（4）能使難以接近的和局部的區(qū)域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度?；谏鲜鎏攸c，激光表面合金化在金屬加工工業(yè)中逐漸開始獲得各種應(yīng)用。迄今適合于激光合金化的基材有普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、鈦合金和鋁合金，合金化元素包括cr、ni、w、ti、mn、b、v、co、mo等。1.4.2激光表面合金化工藝制定的一般原則為達到激光表面合金化預(yù)期的目的和實際生產(chǎn)的需要,在研究中普遍遵循如下原則23 ：(1)必須考慮到合金化元素或化合物與基體金屬熔體間相互作用的特性；(2)必須考慮在合金化區(qū)形成物的相對合金化強化效果的影響；

35、(3)必須考慮表面合金層與基體間呈冶金結(jié)合的牢固性，以及合金層的脆性、抗壓、耐彎曲等性能。1.4.3激光合金化工藝方法 制定激光合金化工藝包括合金化成份的選配、合金粉末添加方式的制定及合金化層質(zhì)量控制三個主要方面。(1)基體與合金化組元的選擇。 為滿足激光合金化工藝制定原則的要求，基體材料的選擇多數(shù)是鐵基合金和有色金屬，此外，半導(dǎo)體與金屬薄膜的合金化也是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。鐵基材料中包括普通碳鋼、合金鋼、高速鋼、不銹鋼及各類鑄鐵，有色金屬材料主要包括a1、ti、cu、ni及其合金等。在合金化組元的選擇上，既有cr、ni、w、ti、co、mo等金屬元素，也有c、n、b、si等非金屬元素，以及碳化

36、物、氧化物、氮化物等難熔質(zhì)點。(2)合金化中粉末添加方式的制定。為實現(xiàn)合金化，向激光熔池中添加金屬粉末或強化第二相粒子的方法主要有兩種，分別是“預(yù)先沉積法”和“同時沉積法”。預(yù)先沉積法即在激光處理前將合金化材料預(yù)置于基材表面的方法，是當前合金化工藝中較普遍采用的方法。此法要求沉積膜具有潔凈的襯底薄膜界面和光潔的表面，較薄的預(yù)置膜通?？刹捎脷庀喑练e、真空濺射、離子注入等方法制得，而較厚的預(yù)置膜，可采用電鍍、噴涂、軋制、擴散、預(yù)涂合金粉末或膜片等方法制得。同時沉積法是在激光熔化基材表面的同時向熔池中噴入合金粉末或注入金屬絲，以實現(xiàn)表面的合金化。由于自動送粉具有易于實現(xiàn)自動化，可得到良好的表面合金層

37、質(zhì)量及提高粉末利用率的優(yōu)點，近幾年來國內(nèi)外一些專家正在熱心研制各種類型的自動送粉裝置，以不斷完善同時沉積法。(3)合金化層質(zhì)量的控制激光表面合金化層質(zhì)量的控制主要包括合金化層中合金元索含量(合金化程度)的控制以及合金化層裂紋和表面不平整度的控制等。試驗表明，為達到激光合金化，在相應(yīng)的光束作用時間內(nèi)，激光功率密度應(yīng)在lo4w/cm2-107 w/cm2，通常，減小作用時問和功率密度，可導(dǎo)致合金化區(qū)域中合金化元素含量的相對減少。此外，粉末預(yù)涂層厚度也是一個重要因素，一般說來，隨著粉末涂敷層厚度的增加，合金化區(qū)域中合金元素的濃度增大，但預(yù)涂層過薄或過厚，都達不到合金化的目的。1.4.4激光表面合金化

38、涂層的組織與性能激光合表面和金化時，其最終組織特征與激光表面合金化工藝條件有關(guān)，即與激光功率密度、掃描速度、合金粉末層的組分及其厚度等因素有關(guān)。它們決定了激光熔池之中的溫度梯度、冷卻梯度；而激光合金化的基材、合金元素類型以及合金濃度則決定了激光合金熔池的凝固速度。一般說來，冷卻速度越大，凝固組織越細小。激光表面合金化時，其冷卻速度為105108/s。因此，與常規(guī)凝固組織相比，激光表面合金化組織總是細小的。根據(jù)成分過冷理論，熔體過冷程度的不同會使激光合金化后的凝固組織出現(xiàn)不同特征。已有大量的實驗結(jié)果表明，激光合金化后的凝固組織有以下五種形態(tài)：（1）平面晶；（2）胞狀晶；（3）胞狀樹枝晶；（4）樹

39、枝晶；（5）等軸枝晶。以上五種不同的結(jié)晶形態(tài)主要取決于激光合金熔池中的溶質(zhì)濃度、晶體長大速度和凝固前沿的溫度梯度的綜合作用結(jié)果。當前，激光表面合金化主要用于提高廉價基體材料的耐磨性、耐蝕性和耐腐蝕磨損性等性能，應(yīng)用較為廣泛。1.4.5激光表面合金化涂層性能（1）耐磨性目前，激光表面合金化提高基體材料的耐磨性多是添加硬質(zhì)合金化粉末(如sic、wc、tic等)，或者激光表面合金化過程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金屬間化合物來增強合金化涂層的耐磨性 。預(yù)涂硬質(zhì)合金粉末提高合金化涂層硬度和耐磨性的工藝目前應(yīng)用較廣泛。蔣平24利用預(yù)涂sic粉的方法對ti一6al一4v合金進行激光合金化實驗，制得

40、tic和金屬間化合物ti5si3。為增強相的復(fù)合材料表面改性層，合金化涂層硬度在二體磨料磨損和滑動磨損條件下的耐磨性均大幅度提高。原位生成硬質(zhì)合金相或者是金屬間化合物也是提高合金化涂層硬度的一種好方法，hcman25-26 預(yù)涂niti粉末對aa6061合金進行激光表面合金化，優(yōu)化工藝條件得到了無裂紋和氣孔的合金化涂層，其主要組成相為tial3和ni3a1。合金化涂層硬度大于350 hv，明顯高于基體硬度，合金化涂層耐磨性是基體的5.5倍。激光合金化過程中通過相變形成高硬度相也可以提高合金化涂層的硬度和耐磨性，ahussain首次采用850w cw co2。激光器對aisi 1010低碳鋼電鍍

41、10 u m鎳進行激光表面合金化，合金化涂層微觀組織均勻且無裂紋，合金化涂層含鎳5時，硬度為基體的3倍，原因是由于快速冷卻，合金化涂層中出現(xiàn)馬氏體組織。2耐蝕性通過激光表面合金化提高基體材料的耐蝕性，是激光合金化在實際中的一個重要的應(yīng)用分支。例如，在ti基體表面上先沉積15nm的pb膜，再進行激光處理，形成幾百納米深的pb的摩爾分數(shù)為4的表面合金層，具有較高的耐蝕性。muthukanann duraiselvam等對ti一6al一4v添加nititic開展激光表面合金化研究，所得到的合金化涂層致密，幾乎無裂紋。腐蝕實驗顯示，合金化涂層耐蝕性相對基體增加1.2-1.8倍。耐磨性的增加主要是合金化

42、涂層中金屬間化合物貢獻的。1.4.6激光合金化的前景作為目前最具發(fā)展?jié)摿透偁幜Φ南冗M表面改進技術(shù)之一，激光合金化已初步顯示出了其優(yōu)越性，并日益受到重視。但其真正應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)尚有許多問題有待解決，其一是經(jīng)濟上的競爭力，即價格與成本；其二是技術(shù)本身尚未完善，即技術(shù)上的可行性。近幾年來，許多國家和地區(qū)加大了對激光表面合金化研究的力度，該技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。1.5本課題研究的技術(shù)目標及主要內(nèi)容1.5.1技術(shù)目標掌握液壓油缸和活塞桿的激光淬火和激光合金化工藝，建立工藝參數(shù)與表層組織及性能相關(guān)性。1.5.2 主要內(nèi)容（1）研究不同激光淬火工藝對油缸和活塞桿表層組織和硬度的影響規(guī)律；（2）

43、研究不同激光合金化工藝對油缸和活塞桿表層組織和硬度的影響規(guī)律；（3）激光合金化表層的耐腐蝕性評價。 2試驗方案通過對實驗內(nèi)容的分析，我們制定了以下試驗路線圖：圖2-1試驗路線圖2.1.試驗材料長100x寬100x厚10（單位mm）的45鋼若干，要去除其表面的不平整及污垢。 2.2表面涂料分別對每個不同加工工藝的的樣品涂覆不同種類的涂料，其中，淬火用的是專門的激光淬火涂料，合金化用的是302涂料。待涂料涂上之后，保溫兩個小時，以確保其與樣品有比較緊密的結(jié)合。2.3實驗設(shè)備 圖2-2華中激光的hgl-hl7000連續(xù)co2激光器2.4試驗內(nèi)容進行試驗時，激光的光斑直徑 為3mm，分別在1.0kw

44、,1.5kw,2.0kw,2.5kw功率與240mm/min, 300mm/min,360mm/min,600mm/min掃描速率下進行單道與搭接的掃描，搭接寬度為1mm。2.5分析手段試樣處理完成后，切取橫截面樣塊，經(jīng)研磨、拋光和腐蝕制成金相試樣。制作金相試樣的過程中使用了xq-1型金相鑲嵌機、kq2200b型超聲波清洗器、p-2型金相試樣拋光機和240、400、600、800、1000和1200目砂紙。制樣完成后進行以下測試：（1）利用愛國者數(shù)碼王ge-5進行層深與層寬的測定；（2）利用顯微硬度計dhv-1000進行 硬度的測試；（3）利用電化學工作站進行極化曲線的測定，從而對其耐腐蝕性作

45、出評定；（4）用金相顯微鏡觀察試樣橫截面的顯微組織；。（5）采用sirion200型環(huán)境掃描電鏡對實驗樣品微觀組織形貌進行觀察3試驗結(jié)果與分析3.1激光淬火以及激光合金化后工件的形貌評價表面形貌直接影響著工件的表面性能與后續(xù)加工，因此，我們對激光淬火和激光合金化后樣品的表面形貌進行了總體評價。3.1.1激光合金化后的表面形貌a6a4a2a7a5a3a1a13a11a9a12a10a8圖 3-1合金化后整體形貌表3-1激光合金化后表面整體形貌評價a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12a13功率(kw)2221.51.51.52.511.5211.52速率(mm/min)24030

46、0360240300360300300300300600600600整體評價差 良良良優(yōu)優(yōu)良優(yōu)優(yōu)良優(yōu)優(yōu)優(yōu)由圖3-1看出，進行激光合金化后除功率2kw，掃描速度240mm/min外，基材表面形貌良好，無明顯裂紋，空隙等出現(xiàn)。3.1.2淬火b6b4b5b33b2b1b11b12b9b10b8b7圖 3-2淬火后整體形貌表3-2激光淬火后表面整體形貌評價b1b2b3b4b5b6b7b8b9b10b11b12功率(kw)2221.51.51.511.5211.52速率(mm/min)240300360240300360300300300600600600整體評級 差良優(yōu)良優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)良良良由圖3-2看出

47、，在進行激光淬火后，除功率2kw，掃描速度240mm/min外基材表面整體形貌良好，沒有明顯的裂紋空洞等出現(xiàn)。由此可見，在進行激光淬火和激光合金化時，在功率密度較小的情況下，可以得到優(yōu)良的表面質(zhì)量。3.1.3激光合金化層的微觀組織a.合金化區(qū) b.熱影響區(qū)c.過渡區(qū)組織圖3-3 激光合金化區(qū)的微觀組織圖3-3是得到的環(huán)掃照片，由圖可知，材料表面進行激光合金化后，從表面到基體，可以分為3個區(qū)域，依次是：合金化區(qū)（圖3-3-a），熱影響區(qū)（3-3-b）和過渡區(qū)（3-3-c）。合金化區(qū)的組織為胞狀枝晶，熱影響區(qū)為板條狀馬氏體與片狀馬氏體的混合組織，過渡區(qū)則一般是由馬氏體與鐵素體，珠光體的混合物組成。

48、3.2不同工藝對激光淬火及激光合金化后層深及層寬的影響層深及層寬直接影響著激光淬火及激光合金化后工件進行再加工的精度，因此，我們對層深和層寬進行了深入分析。3.2.1層深層寬的測量利用愛國者數(shù)碼王ge-5分別測量不同工藝參數(shù)下單道的層深和層寬以及搭接的層深，具體如圖3-4所示：（a）搭接的測量（b）單道的測量圖3-4層深層寬的測量3.2.2測量結(jié)果與分析(1)激光合金化后的層深與層寬a.層深表3-3不同工藝參數(shù)下的單道層深（單位：m） 速率功率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/11417631.5kw1234117411312kw129812131153表3-4不同

49、工藝下的搭接層深（單位：m） 功率速率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/10987231.5kw1203119011042kw124312261132(a)300mm/min功率下不同功率對層深的影響(b)1.5kw功率下不同掃描速率對層深的影響圖3-5不同合金化工藝的層深由圖3-5可知，掃描速率相同時，隨著功率的增加，單道與搭接的層深將會增加；而當功率相同時，隨著掃描速率的增加，層深將會減小。形成上述結(jié)果的原因是：掃描速率和功率是影響功率密度的兩個重要參數(shù)，掃描速度的減少以及功率的增加，都會使功率密度增加，從而材料表面在單位時間內(nèi)單位面積內(nèi)的所吸收的能量增大，故層

50、深將增加。反之亦然。表3-5：不同工藝下的單道層寬（單位：m）：速率功率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/304126511.5kw3395326328432kw355435013010(a)300mm/下不同功率對層寬的影響(b) 1.5kw功率下不同掃描速率對層寬的影響圖3-6不同合金化工藝下的層寬由圖3-6可知，層寬隨功率及掃描速率的變化規(guī)律與層深的相同：隨著功率的增加，層寬將會增加；而當功率相同時，隨著掃描速率的增加，層寬將會減小。形成上述結(jié)果的原因是因為：功率密度的增加，不僅會使材料表面在單位時間內(nèi)單位面積內(nèi)的所吸收的能量增大，使得層深增加，由于材料表面導(dǎo)

51、熱的存在，使得受熱面積增大，故層寬增加。（2）激光淬火后的層深與層寬a.層深表3-6：不同工藝參數(shù)下的單道層深（單位：m）速率功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/1018/10011.5kw11741163/10392kw122011851060/表3-7：不同工藝參數(shù)下的搭接層深（單位：m）速率功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/1102/9581.5kw11561120/10222kw12181170989/(a) 300mm/min下不同功率對層深的影響(b) 1.5kw功率下不同掃描速率對層

52、深的影響圖3-7不同淬火工藝下的層深表3-8：不同工藝下的單道層寬（單位：m） 速度功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/3237/30891.5kw34133377/33442kw365234423345/(a) 300mm/min下不同功率對層寬的影響(b) 1.5kw功率下不同掃描速率對層寬的影響圖3-8不同淬火工藝下的層寬由圖3-7與3-8可知，淬火下層深與層寬隨著功率和掃描速率的變化趨勢與合金化的基本相同。隨著功率的增加，層寬將會增加；而當功率相同時，隨著掃描速率的增加，層寬將會減小。形成上述結(jié)果的原因是因為：功率密度的增加，不僅會使材料

53、表面在單位時間內(nèi)單位面積內(nèi)的所吸收的能量增大，使得層深增加，由于材料表面導(dǎo)熱的存在，使得受熱面積增大，故層寬增加。3.3激光淬火及激光合金化后的硬度分布工件表面的硬度與其耐磨性有直接關(guān)系，掌握激光淬火及激光合金化后的硬度分布，對于工件的設(shè)計加工有重要意義。3.3.1硬度的測試利用顯微硬度計dhv-1000對不同工藝參數(shù)下的單道區(qū)以及搭接區(qū)進行硬度的測試，測試面為截面，從最外層開始，每隔0.05mm測一個硬度，并做出硬度曲線。3.3.2數(shù)據(jù)結(jié)果分析(1)激光合金化(a)1.5kw下不同掃描速度對硬度的影響(b)300mm/min下不同功率對硬度的影響(c)1.5kw，300mm/min下單道與搭

54、接的硬度對比圖3-9不同合金化工藝下的硬度曲線由圖3-9可知，經(jīng)過激光合金化后，材料表面的硬度將有所升高，最高硬度可達650hrv，比基體（約200hrv）提高了3倍，且在相同功率下，硬度隨著掃描速度的加快而降低；在掃描速率相同時，硬度則隨功率的增加而升高。對比掃描速率與功率都相同時單道與搭接的硬度曲線可知，單道的硬度比搭接的略大。形成上述結(jié)果是由以下幾個方面引起的：圖3-9與表3-8顯示了在合金化區(qū)域的能譜分析結(jié)果，則可知合金區(qū)中由于含有cr，mn等合金元素，能夠與熔化凝固過程中能夠與c形成難溶的碳化物，這些難容的碳化物一般為硬脆相，產(chǎn)生彌散強化，而熱影響區(qū)的組織為板條狀馬氏體，為高密度位錯

55、結(jié)構(gòu)，硬度較基體的高。(a) (b)圖3-10合金化區(qū)的能譜掃描表3-9合金化區(qū)的元素組成elementwt%at%mgk00.3800.88alk00.3700.77sik00.7701.54crk00.8300.89mnk00.9500.97fek94.1094.16a.1.5kw，300mm/min單道熱影響區(qū) b.1.5kw，300mm/min搭接區(qū) c. 2.0kw，300mm/min單道熱影響區(qū) d.2.0kw，300mm/min搭接區(qū)圖3-11激光合金化的金相組織圖3-11顯示了在1000倍下的金相組織，其中a，b同為功率1.5kw，掃描速率300mm/min下的金相組織，a為單道的熱影響區(qū)，b為搭接區(qū)域；c，d同為功率2kw，掃描速率300m