激光表面合金化的研究進(jìn)展和應(yīng)用

1、. .PAGE9 / NUMPAGES9 HYPERLINK :/ 激光表面合金化的研究進(jìn)展與應(yīng)用（袁中濤 20100110）摘要：激光表面合金化是一種材料表面改性處理的新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了激光表面合金化的研究現(xiàn)狀，其中包括激光表面合金化工藝制定的基本原理與工藝分類，合金化涂層的組織特性與性能。介紹了研究的材料類型與方法，國外研究重點(diǎn)以與最新研究成果和理論分析，并且簡(jiǎn)要講述了激光表面合金化在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用與研究展望。同時(shí)本文指出了激光合金化當(dāng)前研究存在的有待解決的問題和今后需要改進(jìn)的方向。關(guān)鍵詞：激光表面合金化合金化涂層 基體材料 冶金結(jié)合正文：激光表面合金化是一種既改

2、變表層的物理狀態(tài)，有改變其化學(xué)成分的激光表面處理新技術(shù)。它是利用高能激光束將基體金屬表面熔化，同時(shí)加入合金化元素，在以基體為溶劑，合金化元素為溶質(zhì)基礎(chǔ)上形成一層濃度相當(dāng)高、且相當(dāng)均勻的合金層，從而使基體金屬表面具有所要求的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能。激光表面合金化能夠在一些價(jià)格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的基體材料表面上制出耐磨損、耐腐蝕、耐高溫抗氧化的表面合金層，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使廉價(jià)基體材料得到廣泛應(yīng)用，從而使生產(chǎn)成本大幅下降。與常規(guī)熱處理相比，激光表面合金化能夠使難以接近的和局部的區(qū)域合金化，在快速處理的過程中能夠有效的利用能源，利用激光的深聚焦

3、在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度。而且具有工件變形小、冷卻速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介質(zhì)、清潔無污染、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。目前。激光表面合金化研究領(lǐng)域不僅限于低碳鋼、不銹鋼、鑄鐵，而且還涉與到鈦合金、鋁合金等有色金屬1,2。激光表面合金化的基本原理和工藝分類激光表面合金化的基本原理激光是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米級(jí)別)小斑點(diǎn)上，加上它本身強(qiáng)度高.故可以使焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到1051013 W/cm2.溫度可達(dá)1萬C以上。在這樣的高溫下。任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和

4、汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。激光合金化(1aser Surface Alloying，LSA)是金屬材料表面局部改性處理的一種新方法。是在高能量激光束的照射下.使基體材料表面的一薄層與根據(jù)需要加入的合金素同時(shí)快速熔化、混合，形成厚度為10l 000m的表面融化層，使材料表面在很短時(shí)間形成具有要求深度和化學(xué)成分的表面合金化層。這種合金化層由于具有高于基材的某些性能.所以能達(dá)到表面改性處理的目的。在農(nóng)用汽車工業(yè)方面，激光表面合金化工藝可以明顯改善工件表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。延長在各種惡劣工作條

5、件下工作的農(nóng)用汽車零部件如軸承、軸承保持架、汽缸、襯套等的使用壽命。激光表面合金化的工藝分類激光合金化組織結(jié)構(gòu)的主要特征與激光熔凝處理有相似之處，合金化區(qū)域具有細(xì)密的組織，成分近于均勻。激光表面合金化所采用的工藝形式有預(yù)置法、硬質(zhì)粒子噴射法、和氣相合金法。預(yù)置法是用沉積、電鍍、離子注入、刷涂、滲層重熔，氧-乙炔和等離子噴涂、粘結(jié)劑涂覆等預(yù)涂覆方法，將所要求的合金粉末事先涂覆在要合金的材料表面，然后有激光加熱熔化，在表面形成新的合金層。該法在一些鐵基表面進(jìn)行合金化是普遍采用硬質(zhì)粒子噴射法是在工件表面形成激光熔池的同時(shí)，從一噴嘴中吹入碳化物或者氮化物等細(xì)粒，使粒子進(jìn)入熔池達(dá)到合金化層。激光氣體合金

6、化法是一種在適當(dāng)?shù)臍夥罩袘?yīng)用激光加熱熔化基體材料以獲得合金化的方法，它主要用于軟基材料表面，如鋁、鈦與其合金3。合金化涂層的組織特性和性能2.1激光表面合金化的組織特性激光表面合金化涂層組織特征與其具體工藝條件與溫度梯度與凝固速度之比有關(guān)。激光表面合金化過程中，溫度梯度、溶質(zhì)濃度、晶體長大速度均隨時(shí)間變化，所以激光表面合金化涂層組織具有復(fù)合性特征，主要組織特征類型有三種：平面晶一胞狀晶一胞狀樹枝晶樹枝晶；胞狀晶一胞狀樹枝晶一樹枝晶；胞狀樹枝晶一樹枝晶。2.2激光表面合金化的性能當(dāng)前研究認(rèn)為，激光表面合金化涂層與基體材料呈良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，能夠顯著提高廉價(jià)基體材料的耐磨性、耐蝕性和耐腐

7、蝕磨損性等性能，獲得了廣泛應(yīng)用。（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(qiáng)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)用依然很廣泛，相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)報(bào)道都采用此方法進(jìn)行激光表面合金化研究。平4利用預(yù)涂SiC粉的方法對(duì)T-6Al一4V合金進(jìn)行激光合金化實(shí)驗(yàn)，制得以TiC和金屬間化合物Ti。Si。為增強(qiáng)相的復(fù)合材料表面改性層，合金化涂層硬度與在二體磨料磨損和滑動(dòng)磨損條件下的耐磨性均大幅度提高。（2）耐蝕性。通過激光表面合金化提高基體材料

8、的耐蝕性，是激光合金化在實(shí)際中的一個(gè)重要的應(yīng)用分支，對(duì)不銹鋼和鈦合金進(jìn)行激光合金化實(shí)驗(yàn)均取得不錯(cuò)的成果，但其耐蝕性機(jī)理較為復(fù)雜，目前處于探索階段。KHLo等預(yù)涂WC粉末A1S1316L不銹鋼進(jìn)行激光合金化，采取合理的工藝參數(shù)可得到硬度高且脆性小的合金化涂層，在35的NaCl溶液中的抗空蝕性能可提高30倍。研究認(rèn)為，抗空蝕性能的提高可能是由于激光合金化過程中WC的分解。從而使鎢在熔體中的固溶度提高與枝晶碳化物的析出所引起的。Muthukanann Duraiselvam等則對(duì)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(shí)驗(yàn)顯示，合金化涂層耐

9、蝕性相對(duì)基體增加1218倍，耐蝕性的增加主要是由于合金化涂層中金屬間化合物所貢獻(xiàn)的。（3）耐磨耐蝕性。在某些惡劣的工況條件下，要求工件能夠具有一定的耐腐蝕磨損性能，以滿足實(shí)際工況需要。不同的研究人員實(shí)驗(yàn)表明，采用合適的工藝對(duì)基體材料進(jìn)行激光合金化表面處理，合金化涂層的耐磨耐蝕性能夠同時(shí)得到改善。田永生5對(duì)Ti6Al一4V分別添加碳、氮、硼進(jìn)行激光合金化的硬度為1 1001 300 HV，明顯高于Ti一6Al一4V(約405 HV)，磨損試驗(yàn)表明，合金化涂層的耐磨性是基體的34倍。當(dāng)采用碳、氮、硼或TiC、TiN等粉末進(jìn)行復(fù)合合金化后，分別進(jìn)行激光合金化后合金層的硬度為可達(dá)1 6001 700

10、HV，耐磨性能高于基體5倍以上，合金層的磨損表面比較平整，形成的溝槽較淺，未發(fā)生粘著磨損。而基體的磨損表面粗糙，存在較深的溝槽，并呈現(xiàn)粘著磨損，經(jīng)稀土化處理后，其耐蝕性得到進(jìn)一步提高。長軍6采用二氧化碳激光器在ZM5鎂合金上激光合金化預(yù)置Al粉，獲得富Al的MgAl合金化涂層。激光Al合金化使ZM5合金基材表面硬度由7580 HV提高到275325 HV，同時(shí)耐蝕性得到提高。激光表面合金化主要研究的材料類型激光表面合金化研究的材料有很多，下面主要介紹鎂合金，鈦合金，鑄造鋁合金和鋁基復(fù)合材料的激光表面合金化。3.1鎂合金的激光表面合金化工業(yè)純鎂的力學(xué)性能很低，鎂的合金化是實(shí)際應(yīng)用中最有效的強(qiáng)化途

11、徑，但加入過多的合金元素，將使材料的密度增加而失去鎂合金作為輕質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)，因此，實(shí)際使用中，鎂合金基體中的合金含量不能過高。激光表面合金化是在高能量激光束的輻照下，使材料表層與根據(jù)需要加入的合金元素同時(shí)快速熔化、混合，形成與基體成分和性能不同的表面合金層，從而提高材料的耐蝕、耐磨等表面性能。GALuN和MURAYAMA等人采用CO2激光對(duì)鎂合金表面進(jìn)行了Al，Cu，Ni和si等元素的合金化處理，這些元素可與鎂形成穩(wěn)定且硬度較高的金屬間化合物(即第2相)。GALUN等在激光束輻照基體表面產(chǎn)生熔池的同時(shí)，向熔池加入合金元素粉末，同時(shí)采用氬氣對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，獲得的改性層厚700m1200m，合金元

12、素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)015055，組織均勻細(xì)密，改性層由過飽和固溶體和硬度較高的金屬間化合物組成。研究表明，加入適量的合金元素Al，Cu，Ni和Si可使改性層的硬度和耐磨性得到顯著提高。加入銅使鎂合金耐磨性的提高效果最為顯著，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34時(shí)，改性層硬度達(dá)250HV，材料的耐磨性得到顯著提高，但由于第2相M92Cu對(duì)電化學(xué)腐蝕的加速作用，材料的腐蝕嚴(yán)重。加入合金元素鋁，對(duì)鎂合金的耐蝕性的提高效果最好，一方面由于Al的增加使表面膜更加穩(wěn)定，另一方面由于Al與Mg形成的金屬間化合物含量較高時(shí)，將呈網(wǎng)狀分布，對(duì)腐蝕起有效的屏障作用，當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2時(shí)，可使鎂合金的耐蝕性大大提高。但由于A

13、l與Mg形成的金屬間化物較脆，因此加入過量的Al對(duì)鎂合金耐磨性的提高效果并不理想。研究表明，隨著合金元素含量的增加，改性層硬度增加，但合金了亡素與鎂形成的金屬間化合物一般較脆，加入過量的合金元素，容易造成金屬間化合物的脫落，反而會(huì)使材料耐磨性下降。激光功率太小或掃描速度過高時(shí)，合金粉末難以與基體充分熔合生成均勻的合金層。另外，由于表面材料在凝固和冷卻過程中的收縮，隨著改性層較脆的金屬間化物的增加容易在改性層產(chǎn)生裂紋，選擇合適的工藝參數(shù)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蓽p少改性層的裂紋。3.2鈦合金的激光表面合金化鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空、航天、冶金、化工等工業(yè)部門具有重要的

14、應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。但鈦合金存在耐磨性能差等缺點(diǎn)，限制了它在運(yùn)動(dòng)構(gòu)件中的使用。近年來，采用激光熔覆的方法提高鈦合金耐磨性的研究已有許多報(bào)道。建軍7過采用CO2激光對(duì)TC4合金進(jìn)行TiN表面合金化處理，探討了激光功率對(duì)合金化層組織和硬度的影響。結(jié)果表明，激光合金化試樣存在組織不同的三個(gè)區(qū)域，分別為TiN合金化層，基底熔凝層和淬火層。TiN合金化層由鈦合金基體和TiN組成，其中TiN呈現(xiàn)顆粒和樹枝晶兩種形態(tài)?；兹勰龑訛槎ㄏ蛏L的柱狀晶，基底淬火層為針狀馬氏體。TiN激光合金化層的硬度在7001100HV之間，約為阻合金的24倍。3.3鑄造鋁合金和鋁基復(fù)合材料鑄造鋁合金由于具有低密度 高比強(qiáng)

15、 熱導(dǎo)率高延展性能和耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn) 在汽車 航空等工業(yè)部門中獲得廣泛的應(yīng)用 但是 由于傳統(tǒng)的鋁合金硬度低 耐磨性差等因素極限制了鑄造鋁合金的應(yīng)用 鋁不具有同素異形轉(zhuǎn)變 所以不能像鐵碳合金一樣通過固態(tài)相變來提高鋁合金的硬度 為了提高鋁合金的硬度 除了從冶金方面添加合金元素的途徑來達(dá)到之外 還可以通過表面改性來實(shí)現(xiàn) 鋁合金的表面改性 或者叫做表面處理 包括合金化 熔覆等工藝 例如激光合金化 激光熔覆等 鋁合金的激光表面合金化是指在激光光源的輻照下將Fe、Ni、Cr、B、Si等合金元素熔入鋁合金基體 形成與基體具有優(yōu)異冶金結(jié)合性能的合金化層 由于FeNi等合金化元素與Al形成細(xì)小彌散分布的金屬

16、間化合物強(qiáng)化相 達(dá)到提高鋁合金表面硬度 改善耐磨性能的目的 由于激光能量的可控性好 合金化層與基體的結(jié)合性能好等優(yōu)點(diǎn) 因此 激光表面合金化得到廣泛的研究和應(yīng)用8,9周龍?jiān)绲?0將Ni-Cr合金粉末用有機(jī)粘接劑調(diào)成膏狀涂在鑄造鋁合金ZL108基體上，然后采用CO2激光進(jìn)行激光表面合金化處理。通過選擇合理的工藝參數(shù)，在基體表面獲得冶金結(jié)合性能良好的合金化層，利用光學(xué)顯微鏡掃描電鏡 、能譜儀、X射線衍射儀對(duì)合金化層的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的研究。結(jié)果表明，合金化層由Ni-Al金屬間化合物組成，并且呈點(diǎn)狀、彌散分布在Al-Si共晶基體上。合金化層的顯微硬度可達(dá)到230HV左右，比基體材料提高大約3倍，,

17、耐磨性比基體提高2倍左右。王華明等11對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)6061鋁復(fù)合材料以Ni-Cr-B粉末為原料進(jìn)行激光表面合金化后發(fā)現(xiàn)，合金層中SiC顆粒已經(jīng)完全溶解，在合金層中形成了比較復(fù)雜的新相，如Al3Ni2,Si2B和初生硅，這些新相的耐腐蝕性很好，由于是快速凝固，合金層組織非常細(xì)小均勻，從而使復(fù)合材料的耐腐蝕性有了顯著提高。梅勝敏等12為了提高 SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗腐蝕性能，利用KrF準(zhǔn)分子激光在高純度氮?dú)猸h(huán)境下對(duì) SiC晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行氣體合金化處理。處理后在試件表面形成了一個(gè)幾微米厚的富含AlN瓷相的表面改性層，其不再含有導(dǎo)致材料抗腐蝕性惡化的金屬間化合物，SiC增強(qiáng)相的數(shù)量也

18、大幅度減少，從而使材料的耐腐蝕性得到顯著提高。國外研究現(xiàn)狀光作為高能熱源極大豐富了材料表面改性的方法，被國外學(xué)者廣泛用于材料表面改性。激光表面合金化是既改變表面的物理狀態(tài)，又改變表面化學(xué)成分的表面改性方法。這種方法可以使低級(jí)材料表面獲得高級(jí)性能，獲得良好的耐磨、耐蝕、耐熱與抗氧化等特性。大多數(shù)金屬材料都可以應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)來改善表面性能，激光合金化在大多數(shù)材料表謠都得到了應(yīng)用，而且處理效果明顯，如A1合金表面加入銅、錳、鉻等元素獲1.5mm左右厚的合金層，明顯提高了耐磨性和承載能力。國外還研究存低合金鋼表面合金化WC層的研究，形成具有硬質(zhì)合金層的表面使其具有良好耐磨損性。激光表面熔覆技術(shù)經(jīng)常用來提

19、高材料的耐磨性、耐蝕性和耐高溫性能等。用于提高耐磨性的比較好的合金有鉆基、鎳基與鐵基等自熔性合金：用于耐蝕的主要是鎳基自熔性合金或者是不銹鋼為基含有SiC、B4C等復(fù)合涂層而用于耐高溫性能的，得到廣泛研究的熱障涂層，如siO，、ZrO。、Al。0。等氧化物瓷層的金屬基復(fù)合涂層或純瓷層。目的材料上研究熱點(diǎn)之一是顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。在我國航天事業(yè)發(fā)展的快速時(shí)期，鈦基復(fù)合材料會(huì)進(jìn)入先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的視野。鈦合金具有較高的塑溫比強(qiáng)度、低密度、高彈性模量等特性，加入高強(qiáng)度、商剛度的增強(qiáng)相后使其獲得優(yōu)良的性能。在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用和展望5.1激光表面合金化的具體應(yīng)用智君等13通過激光表面合金化技術(shù)對(duì)

20、65 Mn材料割草機(jī)刀片進(jìn)行表面處理，割草機(jī)刀片硬度提高1倍左右，耐蝕性提高2倍左右，壽命提高1倍左右。裝機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，與整體淬火比較，激光表面合金化刀片不易崩刃和斷裂，具有更好的安全性，明顯優(yōu)異于常規(guī)熱處理。駱芳14采用激光表面合金化技術(shù)對(duì)注塑機(jī)螺桿進(jìn)行處理，合金化涂層表面平整，涂層厚度達(dá)0.3mm，裝機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，激光表面合金化處理的螺桿硬度和耐磨性比滲氮成倍提高，使用壽命近60 h，是滲氮處理的3倍，經(jīng)濟(jì)效益較為顯著，是一種理想的螺桿制造工藝方法。CHTang等對(duì)船用螺旋槳青銅進(jìn)行激光表面合金化處理，合金化涂層腐蝕性能相對(duì)基體顯著提高，使用壽命明顯增長，證明激光合金化是一種表面局部處理的

21、好方法。5.2激光表面合金化研究展望1964年FECumningham首先利用紅寶石激光器開發(fā)了激光表面合金化技術(shù)，隨著激光器件性能的提高和大功率激光器的出現(xiàn)，激光合金化技術(shù)得到了很大發(fā)展，逐漸達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用的水平。特別是近幾年來，許多國家和地區(qū)加大了對(duì)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。激光合金化作為目前最具發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)表面改進(jìn)技術(shù)之一，已初步顯示出了其優(yōu)越性，并日益受到重視。但激光合金化工藝在開發(fā)應(yīng)用過程中也存在著一些不足，筆者認(rèn)為加強(qiáng)激光合金化研究的重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面。(1)加強(qiáng)激光合金化基礎(chǔ)理論研究。當(dāng)前研究多限于工藝技術(shù)研究，而對(duì)于激光合金化基礎(chǔ)理

22、論研究相對(duì)較少。例如加大數(shù)值模擬力度，不僅可以節(jié)約能源，減少開支，還可為實(shí)際試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。(2)激光合金化涂層質(zhì)量控制。激光合金化質(zhì)量是評(píng)定實(shí)驗(yàn)成敗的重要標(biāo)志，因此加強(qiáng)表面質(zhì)量控制，開發(fā)出理想的合金化涂層，如耐磨、耐腐蝕、耐腐蝕磨損等特殊性能的合金化涂層，才能進(jìn)一步推動(dòng)激光合金化技術(shù)的推廣，發(fā)揮更大的作用。(3)加大激光器研制力度。當(dāng)前激光器功率相對(duì)較低，且價(jià)格昂貴、設(shè)備笨重、體積大、靈活性差，多限于實(shí)驗(yàn)室研究。因此加大激光器研制力度，生產(chǎn)智能、靈活、價(jià)格便宜的激光器，才能夠使大規(guī)模激光合金化的工業(yè)化成為可能，從而使激光合金化技術(shù)更好的服務(wù)社會(huì)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。(4)進(jìn)一步拓寬激光合金

23、化的應(yīng)用領(lǐng)域，如嘗試進(jìn)行鎂合金激光合金化、有機(jī)物的激光合金化研究等。激光表面合金化偶待解決的問題激光合金化技術(shù)缺陷在于設(shè)備投資大，成本高，在材料表面處理過程中易產(chǎn)生氣孔、裂紋以與表啞平整度的下降，而對(duì)激光熔覆技術(shù)來說，經(jīng)常發(fā)生的使是開裂與疏松問題。國有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，摸索了一些實(shí)用的方法15。比如優(yōu)化激光處理工藝和改變合金成分，預(yù)先噴漆處理以增加激光吸收率等。激光熔覆相對(duì)于激光合金化來說成本要低得多，這也使其成為材料表面工程領(lǐng)域的前沿和熱門課題。到同前為止，主要研究集中在激光熔覆工藝參數(shù)、激光熔覆層的組織結(jié)構(gòu)以與激光熔覆層的性能上，取得了較多實(shí)際效果。對(duì)于激光合金化過程中的熱力學(xué)、晶體學(xué)研究方面有待于進(jìn)一步研究，已有的研究只建立簡(jiǎn)單的模型，如二維、三維模型。但遠(yuǎn)未有從根本上揭示過程的機(jī)理。結(jié)語我國激光技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，取得了很大的進(jìn)步，研究成果顯著，但是相比于其他發(fā)達(dá)國家相比還存在一定的差距。但是激光表面合金化技術(shù)在材料表面改性中