激光表面處理h精選課件

1、第五章 激光表面處理本章主要內(nèi)容概述基本原理激光表面相變硬化激光沖擊硬化激光熔凝激光合金化激光熔敷5.1 概述過(guò)程：以激光掃描零件表面，使材料表面吸收光能迅速升至高溫，進(jìn)而發(fā)生相變、熔化或覆蓋甚至熔入其他金屬非金屬元素，隨后快速冷卻來(lái)達(dá)到零件改性的目的。吸收層0.010.1um，深度：0.10.5mm功率密度要求不高，多模、矩形光斑研究活躍，某些工藝已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用分類(lèi)激光表面相變硬化激光熔凝激光合金化激光表面涂覆其他激光沖擊硬化、激光毛化、激光上釉等工藝功率密度(w/cm2)作用深度(mm)相變硬化1041050.21熔凝和合金化涂覆1041060.22沖擊硬化10810100.0225.2

2、 激光表面相變硬化目的與作用：強(qiáng)化零件表面，提高其表面硬度、耐磨性、耐蝕性、強(qiáng)度和高溫性能(硬化帶，降低磨損；表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度),而使心部保持較好的韌性。零件綜合性能好成倍延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命作用過(guò)程高能量(104-105w/cm2)激光束快速掃描工件，工件表面極快升溫到高于相變點(diǎn)低于熔化溫度；光束離開(kāi)后，冷態(tài)基體的熱傳導(dǎo)使被加熱區(qū)迅速冷卻而產(chǎn)生自淬火；快速加熱和快速冷卻 組織細(xì)、硬度高加熱速度高達(dá)：105106/s冷卻速度高達(dá)：105 /s激光相變硬化的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高速加熱和高速自冷硬度高(比常規(guī)高520)組織細(xì)HAZ小，淬火應(yīng)力及變形小提高疲勞強(qiáng)度可達(dá)性好，工藝靈活，復(fù)雜零件加工局部有選擇

3、的表面處理無(wú)需外加冷卻介質(zhì)缺點(diǎn)表面局部改性，無(wú)助于心部性能改善硬化面積小硬化深度淺設(shè)備費(fèi)用高一、影響硬化指標(biāo)參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)：硬化深度(H)、寬度、硬度、晶粒度激光功率P光斑大小D離焦量掃描速度v材料性質(zhì)：物理（導(dǎo)熱性）、 吸收系數(shù) 、化學(xué)成分、原始組織和熱處理狀態(tài)工藝參數(shù)通過(guò)熱循環(huán)參數(shù)顯示其影響。一定參數(shù)，每點(diǎn)均有：升溫最高降溫加熱速度，最高溫度，保溫時(shí)間，冷卻速度H=P/(D.v)加熱溫度組織轉(zhuǎn)變溫度比常規(guī)上移很多：C鋼9001200但晶粒仍來(lái)不及長(zhǎng)大。加熱：21032105 0c/s，冷卻：7002104 0c/s；1KWCO2，V=570mm/s加熱速度常規(guī)速度：A 形核、長(zhǎng)大，F(xiàn)e3C溶

4、解，A均勻化。一個(gè)溫度范圍內(nèi)，擴(kuò)散型機(jī)理激光加熱：非擴(kuò)散型機(jī)理。在一個(gè)恒定溫度下，F(xiàn)自發(fā)瞬間轉(zhuǎn)變成A，無(wú)C化物參與。體心立方面心立方。T增大時(shí)，才有C化物向A溶化過(guò)程冷卻：很高速度容易自淬火，比普通油冷水冷速度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上二、硬化工藝增強(qiáng)表面吸收（黑化處理）I低，不熔，不汽化，不存小孔效應(yīng)，表面光潔度高，9095%反射掉克服高反射率黑化原則：吸收率高、高的熱穩(wěn)定性(800900)導(dǎo)熱性能好與工件表面有良好結(jié)合涂層薄而均勻益于生成和去除工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜噴涂覆蓋物：1020um厚商用高溫油漆：有機(jī)物碳黑氧化鈦SiO2硅酸鈉、硅酸鉀等石墨和炭素墨水黑化涂料噴涂化學(xué)反應(yīng)吸收層磷化法：形成磷酸錳

5、、磷酸鋅、磷酸鐵覆蓋層NaOH氧化法布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的擴(kuò)大等問(wèn)題、內(nèi)表面處理黑化方法2 常規(guī)參數(shù)功率：p大、B 、H大離焦量：影響光斑直徑功率密度和加熱時(shí)間掃描速度：加熱時(shí)間tBHIF三 相變硬化層性質(zhì)硬度：沿深度方向的硬度分布距表面距離硬度單臺(tái)階：高碳鋼雙臺(tái)階：亞共析鋼，不完全相變：馬氏體未轉(zhuǎn)變的鐵素體未溶解的滲碳體表層非最高硬度：表面微熔時(shí)，尚未有系統(tǒng)研究有回火區(qū)的硬度分布：基體已經(jīng)有較高硬度，如經(jīng)正常淬火后的高速鋼硬度沿寬度方向分布光斑的搭接造成理想的勻強(qiáng)光斑產(chǎn)生的回火軟化區(qū)比高斯光斑小硬度位置疲勞強(qiáng)度：相變硬化、馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程產(chǎn)生體積膨脹，膨脹受到基體的制約產(chǎn)生殘余壓

6、應(yīng)力，壓應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度增大耐磨性：硬夾軟的特點(diǎn)，容納碎屑和潤(rùn)滑油四、激光相變硬化實(shí)例發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸套硬化帶軌跡為螺旋、網(wǎng)紋、波紋等，淬硬帶寬3-3.5mm，淬硬層深0.2-0.3mm，硬度為基材3倍以上四、激光相變硬化實(shí)例模具汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體彈性連軸節(jié)主簧片機(jī)床電磁離合器連接件應(yīng)用場(chǎng)合：不要求整體淬火或其他方法難以處理，以及形狀復(fù)雜或尚需進(jìn)一步提高硬度、耐磨性等性能的零件汽車(chē)模具淬火5.3 激光沖擊硬化高功率密度( GW/ cm2) 短脈沖(幾十納秒) 強(qiáng)激光與金屬材料相互作用,會(huì)在材料表面形成一個(gè)高壓應(yīng)力波,即激光誘導(dǎo)的沖擊波。強(qiáng)激光產(chǎn)生的這種超高壓已成為動(dòng)高壓技術(shù)的一種有效手段, 已用于激光

7、沖擊處理(laser shock processing) 這一材料表面改性技術(shù)中?？捎脕?lái)改善金屬材料的機(jī)械性能,特別能有效地提高金屬材料的抗疲勞斷裂性能和硬度。與傳統(tǒng)的噴丸、鍛打相比，潔凈、無(wú)公害，可處理圓角、拐角等部位國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究激光沖擊鋁合金等有色金屬的較多，亦有碳鋼、合鋼、球墨鑄鐵、不銹鋼、鎳基合金等應(yīng)用研究激光沖擊強(qiáng)化原理過(guò)程：材料表面局部升溫、汽化、離化，產(chǎn)生高壓力(GPa)的等離子體膨脹，對(duì)材料表面造成沖擊波或應(yīng)力波功率密度為1071011w/cm2作用時(shí)間為幾ps到幾百ns典型沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)：銣玻璃激光器，輸出能量80100J，脈寬330ns主要是力的作用，熱作用可忽略不計(jì)，

8、防止裂縫生長(zhǎng)和發(fā)展，細(xì)化晶粒鍛壓效果兩種類(lèi)型有約束層激光束透過(guò)水或玻璃被吸收層吸收,吸收層部分汽化形成等離子體,由于等離子體被約束在約束層和試樣之間,根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程,在有約束層時(shí)可以比無(wú)約束層時(shí)獲得更高的沖擊波峰壓無(wú)約束層工藝簡(jiǎn)單激光沖擊處理過(guò)程分析(有約束層時(shí))當(dāng)激光作用在材料上時(shí),激光能量沉積在材料和透明約束層之間,等離子體將產(chǎn)生在材料和約束層中分別傳播的沖擊波(波速分別為D1和D2) 。由于材料的運(yùn)動(dòng),約束層和材料之間的距離將會(huì)增加。當(dāng)激光關(guān)閉后,等離子體持續(xù)產(chǎn)生壓力,但壓力會(huì)隨等離子體厚度的增加而減小。等離子體爆炸后的拋射體將對(duì)材料產(chǎn)生附加的壓力。這一階段所產(chǎn)生的壓力較小,往往

9、忽略不計(jì)。沖擊波峰壓當(dāng)將等離子體看作理想氣體，激光為高斯光束時(shí)，沖擊波峰壓P可表示為：P = B I1/ 2 玻璃作為約束層時(shí), B = 21；水, B = 10. 1 沖擊波峰壓只與激光功率密度有關(guān),與激光的脈寬和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)激光沖擊強(qiáng)化提高材料機(jī)械性能的機(jī)理激光沖擊誘導(dǎo)的表面殘余壓應(yīng)力，可獲得- 0. 6Y (彎曲強(qiáng)度)的表面殘余壓應(yīng)力，影響層范圍為12mm。表面硬度提高機(jī)理：對(duì)鋁合金試樣分析后認(rèn)為,試樣中存在的高密度位錯(cuò)是硬度提高的主要原因;對(duì)各種鐵基合金,沖擊后位相的轉(zhuǎn)變,如相至相的轉(zhuǎn)變,也是材料硬度提高的一個(gè)原因。對(duì)不銹鋼激光沖擊處理后發(fā)現(xiàn), 馬氏體的轉(zhuǎn)變使表面硬度提高150 % 200

10、 % 。沖擊處理后材料結(jié)構(gòu)的改變例如纏結(jié)也能極大地提高表面硬度激光沖擊處理的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室首次開(kāi)始兩個(gè)方向小能量，小光斑，短脈沖，如：20mJ YAG，脈寬150ps，光斑直徑0.1mm，I1012w/cm2高能量，超短脈沖主要研究方向：小功率、約束層，功率密度越來(lái)越高主要用水和玻璃作為約束層玻璃的阻抗高，但裝夾困難且碎片難以收集水操作方便存在的主要問(wèn)題 激光沖擊效果的無(wú)損檢測(cè)。目前測(cè)表面殘余壓應(yīng)力主要使用X 射線衍射儀,這種方法設(shè)備昂貴,需由專(zhuān)業(yè)人員操作,只適合實(shí)驗(yàn)室使用。 新型約束層的選擇研究。 沖擊參數(shù)的優(yōu)化研究。高能量、高頻率激光器的研制。5.4 激光熔凝,合

11、金化及熔敷激光熔凝I=104106 W/cm2 熔化,隨后快速冷卻凝固102106k/s,巨脈沖 1012k/s效果:細(xì)微均勻的表面組織,抗磨損,抗腐蝕性能好(腐蝕原因:各種形式伏打電池,來(lái)源于表面組織不均勻)工藝:勻強(qiáng)光強(qiáng),不增加吸收層試驗(yàn)研究:鑄鐵和工具鋼,提高硬度非晶態(tài)共晶優(yōu)良抗腐蝕性能應(yīng)用少,原因:與合金化差不多;破壞幾何完整性,要求表面加工二、激光合金化及熔覆的基礎(chǔ)激光熔池的溫度場(chǎng)：能量密度能量分布掃描速度幾何形狀直接影響對(duì)流、傳質(zhì)和傳熱，進(jìn)而影響凝固過(guò)程和成分的均勻性2 影響熔池對(duì)流特征的影響因素(1)溶質(zhì)元素對(duì)熔池對(duì)流特征的影響通過(guò)改變?nèi)芤赫扯取⒚芏?、表面張力及溶質(zhì)分布形態(tài)等影響

12、對(duì)流特征P241圖2315，18P238圖236(2) 光束能量分布對(duì)熔池對(duì)流特征的影響光束能量分布特征對(duì)于熔層對(duì)流特征的影響（3）激光工藝參數(shù)對(duì)熔池對(duì)流特征的影響熔池橫截面張力梯度與熔池溫度之間關(guān)系如下：張力梯度主要取決于熔池溫度溫度梯度上述兩者又是功率密度、作用時(shí)間的函數(shù)對(duì)流強(qiáng)度主要取決于功率密度對(duì)流循環(huán)次數(shù)取決于交互作用時(shí)間3 激光熔覆與合金化表面形貌及其控制表面形貌類(lèi)型及其成因三種形貌類(lèi)型：正常熔化、臨界熔化、不充分熔化正常熔化呈波紋狀：相等間距、向掃描方向彎曲波紋成因：表面張力梯度驅(qū)動(dòng)熔池學(xué)說(shuō)：表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的熔池內(nèi)的對(duì)流為主要?jiǎng)恿?，前沿熔化、后沿液面凸起張力差與界面能說(shuō)蒸汽動(dòng)力說(shuō)

13、熔池間斷熔化說(shuō)表面形貌的影響因素及其控制材質(zhì)：活性元素加入可改善表面狀況，如硼、硅等，減小表面張力工藝參數(shù)：功率密度和作用時(shí)間表面粗糙度隨激光功率和掃描速度的減小而下降功率密度恒定條件下，表面粗糙度與激光掃描速度的關(guān)系曲線存在一最大值較大光斑和較低功率密度可改善波紋臨界熔化表面與不充分熔化均屬缺陷能量過(guò)低、速度過(guò)大所造成4 激光熔池成分均勻化機(jī)理熔池存在時(shí)間極短，溶液擴(kuò)散理論難以解釋如幾十到幾百ns的Q開(kāi)關(guān)激光器，熔化時(shí)間50500ns，理論計(jì)算靜態(tài)擴(kuò)算僅720nm熔池對(duì)流傳質(zhì)是主要原因，擴(kuò)散速度高出10萬(wàn)倍宏觀上是均勻的，微觀上有起伏5 激光熔覆與合金化層的應(yīng)力狀態(tài)、裂紋與變形應(yīng)力狀態(tài)：通常

14、為拉應(yīng)力熔凝層與基材體積漲縮的不一致造成與熔凝層及基材本身的塑性變形能力相關(guān)可通過(guò)預(yù)熱或后熱減小或消除P256圖2356激光熔凝層的裂紋成因：激光熔凝層內(nèi)存在拉應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，產(chǎn)生裂紋發(fā)生部位：枝晶界、氣孔、夾雜物等強(qiáng)度較低或應(yīng)力較為集中處按產(chǎn)生的位置分類(lèi)：熔凝層裂紋：熔化層凝固過(guò)程中，熔化層內(nèi)部或表面界面基材裂紋：熔凝層與界面交界區(qū)或熱影響區(qū)內(nèi)，多以空洞或夾雜為起源掃描搭接區(qū)裂紋：搭接區(qū)與基材交界的“三角區(qū)”與材料、工藝等密切相關(guān)激光熔凝引起的基材變形根本原因：拉應(yīng)力變形方向：向熔凝面彎曲工藝參數(shù)：厚度、預(yù)熱或后熱等基材自身應(yīng)力狀態(tài)控制變形措施：熱處理的方法消除內(nèi)應(yīng)力薄

15、的覆層預(yù)熱和后熱工藝預(yù)應(yīng)力拉伸、預(yù)變形或夾具固定等措施6 激光熔覆與合金化層的氣孔及其控制多為球形，分布于中下層成因：反應(yīng)性氣體來(lái)不及逸出，主要?dú)怏w來(lái)自C與O反應(yīng)或金屬氧化物被還原難以完全避免，可采取措施加以控制：減少氣體來(lái)源：烘干，減少氧化等氣體保護(hù)覆層盡量薄熔池存在的時(shí)間盡量長(zhǎng)典型氣孔圖片三、激光表面合金化基本原理：利用激光作為加熱能源，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表面合金層。按照合金加入方式分類(lèi)：預(yù)置式激光合金化氣體激光合金化同步式激光合金化預(yù)置式激光合金化（預(yù)置法）理想層：厚度均勻，孔隙率低，高溫下粘性熱噴涂法：火焰噴涂和等離子噴涂（厚度易控，形狀限制成本

16、）電鍍法：方法簡(jiǎn)單，大量H存在氣孔涂刷法：粘結(jié)劑與合金粉末調(diào)和。清漆，水玻璃等總的來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱性差，不利于基本熔化氣體激光合金化輻照部位從氣氛中吸收碳、氮等典型應(yīng)用：鈦及鈦合金的氮化同步式激光合金化（同步沉積法，提高了能量利用率）優(yōu)點(diǎn)：大大降低合金化層的不均勻性減少了對(duì)基體材料的熱作用，需要的能量少簡(jiǎn)化了工藝兩種方法：送粉（正向，逆向）：氣體做動(dòng)力，粉末送至光束下方，加熱與送粉同步供絲 （以熔滴形式過(guò)渡）易產(chǎn)生的問(wèn)題：裂紋：冷卻凝固時(shí)，收縮受到基體制約，合金層種產(chǎn)生拉應(yīng)力，枝晶完全凝固前拉應(yīng)力造成的偏析裂紋，多次掃描應(yīng)力重疊大于抗拉強(qiáng)度防治措施：預(yù)熱和后熱應(yīng)用：鈦：碳、氮在表面形成合金、提高疲勞

17、強(qiáng)度、著色鑄鐵：Cr,Si,和C，特殊性能鐵合金表面鋼：Cr、Mo、B、Ni等，類(lèi)似不銹鋼的防銹表層鋁：C、Si、N和Ni的合金化得到硬的表層典型應(yīng)用實(shí)例灰鑄鐵缸套內(nèi)表面Nd:YAG激光Ni2Ti 合金化適用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵摩擦副如汽缸筒、缸套、凸輪軸、活塞環(huán)、搖臂等鋼和鑄鐵零件的表面強(qiáng)化,能明顯改善摩擦副的摩擦磨損特性,大大提高使用壽命預(yù)置Ni2Ti 合金涂層法,以提高該型缸套在特殊腐蝕性潤(rùn)滑油介質(zhì)下的耐磨、耐腐蝕和抗擦傷性能?chē)?guó)產(chǎn)500W連續(xù)Nd : YAG,單道和多道搭接掃描,工藝參數(shù)為:P=500W; D=1. 5mm ; V=1. 5mm/ s ; 搭接率30 %; 保護(hù)氣體為氬氣單道

18、時(shí)表面光亮平整,無(wú)宏觀裂紋,多道搭接時(shí)表面狀態(tài)基本相同,但出現(xiàn)少量橫向裂紋球墨鑄鐵活塞環(huán)激光合金化提高活塞環(huán)和氣缸套副使用壽命是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)制造中的重要問(wèn)題。目前用于活塞環(huán)表面處理的措施較多,如鍍鉻、噴鉬、涂鍍TiN、噴涂鎳陶瓷復(fù)合涂層等,但都不能與基體形成冶金結(jié)合, 激光陶瓷合金化技術(shù)：高質(zhì)量耐磨環(huán), 熱效應(yīng)小,有利于減少活塞環(huán)的變形,可獲得無(wú)氣孔,無(wú)裂紋的表層材料基底材料為球墨鑄鐵,有鑄態(tài)和正火態(tài)兩種，標(biāo)準(zhǔn)試樣,其表面精磨后粗糙度為Ra=01180120m。合金化涂料以C2Si2B2Re 共晶合金化涂料為基礎(chǔ),選用硬度高、耐磨性好的WC陶瓷按不同比例加入合金化涂料中方法：激光處理前試樣表面手

19、工均勻涂覆0.13mm 厚的涂料,涂料中陶瓷相占干粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%,10%,15% ,20% ,25%,30%等6 種。激光器：PRC2000 快軸流CO2 激光器,激光功率為2kW ,光斑直徑為15mm 掃描速度為0.12m/ min ,處理過(guò)程側(cè)吹氮?dú)獗Ｗo(hù)。涂料中含15 %WC 的試樣表層顯微硬度分布結(jié)論(1) 在球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣表面進(jìn)行C2Si2B2RE + (不同比例) WC 的激光合金化處理,可獲得硬度高、耐磨性好、沒(méi)有裂紋的合金化層。(2) 激光陶瓷合金化區(qū)多為共晶、過(guò)共晶組織。在深熔情況下,WC 顆粒完全溶解。W 固溶于合金化層或與其它合金元素構(gòu)成復(fù)合碳化物,顯著提高了合金化

20、區(qū)的硬度和耐磨性能。(3) 合金化涂料中含不同比例WC 的激光合金化層的耐磨性呈現(xiàn)一定規(guī)律,即WC 比例由低到高時(shí),對(duì)于提高摩擦副雙方耐磨性有一最佳值(15 %)四 激光熔覆與合金化相似：熔化基體同時(shí)熔入其他合金成分不同：外加涂層，基體表面極薄熔化，得到有熔覆材料形成的完全不同于基體的新涂層局限性：基體與涂層具有可焊性與傳統(tǒng)的表面涂層技術(shù)如堆焊、鍍層、噴涂和氣相沉積相比較，激光熔覆涂層技術(shù)有如下的特點(diǎn)(1)可以通過(guò)混合不同的合金粉末進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，得到完全致密的冶金結(jié)合覆層。(2)涂層的稀釋度可以降低到最低限度，從而得到所設(shè)計(jì)的表面性能。(3)激光熔覆加熱和冷卻速度極快，凝固速度約104 /S ，易獲得涂層組織結(jié)構(gòu)的改善（如晶粒細(xì)化或產(chǎn)生新性能的組織結(jié)構(gòu)，包括非穩(wěn)相、超硬彌散相及非晶等