激光-激光熔覆技術(shù)1

激光熔覆技術(shù)簡介激光熔覆技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，它是利用具有高能度具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面與基材相互熔合，形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層。激光熔覆的作用不僅僅是:提高材料表面層的性能,而是賦予它新的性能,并降低制造成本和能耗，節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬元素。由于激光熔覆技術(shù)在激光熔覆理論、

物理數(shù)學(xué)模型，合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究,設(shè)備自動化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控，專用功能部件研制以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。因此，激光熔覆技術(shù)不僅引起西方各國的注意，同時(shí)也受到了國內(nèi)的廣泛重視，被廣泛地應(yīng)用于航天、汽車、石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、工模具和輕工業(yè)等領(lǐng)域。比如以這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)為例說明激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用。40Cr鋼表面激光熔覆層的磨損性能為了研究模具鋼熔覆層的磨損性能，采用鐵基粉在40Cr鋼表面進(jìn)行激光熔覆，以激光熔覆層為上試樣，GCr15鋼珠為下試樣，采用HT—500磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，并與40Cr基體的磨損性能相對比，利用表面形貌儀測量磨痕深度和寬度。實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法基體材料為40Cr，正火態(tài)，試樣制成直徑50mm、高10mm的圓盤；對磨材料為GCr15，由于鐵基合金粉末與40Cr鋼具有較好的相容性，激光熔覆材料采用鐵基合金粉末。采用LWS—300WC系列脈沖Nd；YAG激光器，激光工藝參數(shù)見下表1?；谋砻嬗蒙拜喆蚰テ秸?，使之有一定的粗糙度，以利于與鐵基合金相結(jié)合。在基材表面預(yù)涂上一層鐵基粉末，激光熔覆處理后再采用接塔的方法擴(kuò)大熔覆的面積，制備成大約寬20mm、長40mm的熔覆層。對熔覆層表面進(jìn)行精磨、拋光處理。采用WYKONT1100型光學(xué)表面輪廓儀測量磨痕的深度和寬度,每點(diǎn)間隔3微米，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)根據(jù)磨痕寬度隨機(jī)生成。在計(jì)算機(jī)上使用OriginPro軟件完成磨痕斷面曲線的精確還原,再與初始表面擬合，最終利用OriginPro編程計(jì)算出徑向磨痕寬度和深度，并以磨痕寬度和深度作為磨損量的評定標(biāo)準(zhǔn)，以摩擦系數(shù)的大小作為摩擦力大小的標(biāo)志。本試驗(yàn)以進(jìn)入正常磨損后至結(jié)束前(10min)的數(shù)據(jù)列出摩擦系數(shù)的變化范圍和摩擦系數(shù)的平均值。磨損試樣機(jī)示意圖激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化在激光熔覆層磨損性能的研究中，熔覆層的制備是非常關(guān)鍵的一環(huán)，激光輸出一定要穩(wěn)定，光斑能量分布要均勻，本試驗(yàn)預(yù)涂粉末高度約1mm、寬度約2mm，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)獲得激光熔覆的各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)置如表1。熔覆層示意圖如圖2，其結(jié)構(gòu)細(xì)致、緊密。如參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，例如粉末高度太高或掃描速度太快則極易在表面發(fā)生裂紋、孔洞等缺陷，下圖所示為產(chǎn)生的氣孔。磨損性能以GCr15鋼珠和40Cr鋼表面熔覆層為配副的磨損試驗(yàn)結(jié)果見表3。不同載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖見圖4。圖4(a)表示的是進(jìn)入正常磨損期最后10min摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。在相同的磨損時(shí)間內(nèi)，載荷變化范圍100~300g。隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，磨損后期摩擦系數(shù)平均值由1.754降低到0.444,降低了74.7%，摩擦力的平均值由1.754N降低到1.332N，降低了24%。圖4(a)還表明：除100g載荷之外，隨著磨損時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，而且當(dāng)載荷為300g時(shí)，摩擦系數(shù)下降的幅度最大，磨損過程非常平穩(wěn)。當(dāng)繼續(xù)增加載荷，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的延長發(fā)生顯著的變化。從圖4(b)可見：當(dāng)載荷為400g,磨損時(shí)間超過35min后，摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的增加而逐漸增大，呈現(xiàn)上升的趨勢；當(dāng)載荷增加到500g時(shí)，摩擦系數(shù)較大，比300g時(shí)的摩擦系數(shù)增加了75%,而平均摩擦力約為原來的2.9倍；當(dāng)時(shí)間達(dá)到40min后才進(jìn)入穩(wěn)定磨合期；當(dāng)接近60min時(shí)，摩擦系數(shù)急劇變化，表明磨損過程已進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段，整個(gè)磨損過程不平穩(wěn)。經(jīng)過激光熔覆之后300g載荷時(shí)的磨痕深度為1.096微米,而500g時(shí)的磨痕深度已達(dá)52.706微米，增加了47倍，寬度增加了45.4%。300g和500g載荷下的磨痕形貌曲線經(jīng)過表面輪廓儀測量分別如圖5(a)、(b)所示。300g載荷時(shí)由于摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生了較輕的磨損，其磨痕形貌不規(guī)則。而500g載荷下磨痕形貌比較規(guī)則，呈現(xiàn)類似拋物線形狀。討論與分析激光熔覆是一種快速熔化、擴(kuò)展和凝固的過程。以鐵基合金粉末為熔覆材料的強(qiáng)化層顯微組織特征是以細(xì)小的共晶萊氏體為基底，上面分布著先共晶滲碳體,是一種凝固組織，其強(qiáng)化層中不僅含有大量的合金滲碳體，而且還有馬氏體、殘余奧氏體和原位析出的顆粒。40Cr基體的表面磨損試驗(yàn)，其進(jìn)入磨合期最后10min的圖形如下圖所示。載荷小于250g時(shí)，相同載荷下，基體的摩擦系數(shù)小，這是由于正火態(tài)下的40Cr鋼正火組織具有較好強(qiáng)度和硬度，具有較好的耐磨性能。在進(jìn)行激光熔覆之后，由于殘余奧氏體影響抗磨損能力，在低應(yīng)力磨損下，殘余奧氏體沒有顯著的加工硬化，耐磨損性能較低，故載荷低于250g時(shí)，

殘余奧氏體使得磨損性能下降，摩擦系數(shù)反而較基體的大；在高應(yīng)力磨損下，應(yīng)力誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化，殘余奧氏體因能顯著加工硬化而改善耐磨性,故載荷為300g時(shí),熔覆層的摩擦系數(shù)變得最小，且過程平穩(wěn)，表現(xiàn)了很好的耐磨性。而基體在300g載荷時(shí)的摩擦系數(shù)有稍微上升趨勢，略大于熔覆層時(shí)的摩擦系數(shù)。當(dāng)載荷為400g的時(shí)候，經(jīng)過35min的磨損，

熔覆層的摩擦系數(shù)逐漸升高，耐磨性能下降。因此熔覆層比基體更有利的磨損載荷范圍是300g。當(dāng)載荷達(dá)到500