激光表面处理技术.ppt

合金化层与及基体间冶金结合 激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生成分、组织和性能的变化, 对基体的热效应可减少到最低限度,引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要,同时又不牺牲结构的整体特性。它的另一显著特点是所用的激光功率密度很(105W/cm2)。 熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表面可形成0.01~2 mm 厚的合金层。由于冷却速度高,使偏析最小,并显著细化晶粒。 激光表面合金化应用 我国的激光合金化工作,有两项值得注意的进展。 一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产 品上； 另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料- TiAl 金属间化合物, 提高其耐磨性。 清华大学结合沙漠车用F8L413F 八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关,在45 钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺。采用自行研制的TH22 型共晶合金化涂料, 在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理, 使其硬度达到60~67HRC,合金化层1.3~1.5 mm; 凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理,获得的硬度55 HRC,硬化层深0.1~1.0 mm。凸轮强化表面平整均匀,无气孔和裂纹,实现了合理连续的组织与硬度搭配,凸轮轴处理后无需校直。发动机经500 h 台阶试验和沙漠车上5 个月使用考核, 表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。 激光冲击硬化 当短脉冲( 几十纳秒) 高峰值功率密度(10W/cm2)的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温(10 000 K)、高压(1 GPa)的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波,作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时, 材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理， 由于其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸。 激光冲击处理特点 激光冲击处理具有应变影响层深,，冲击区域和压力可控,对表面粗糙度影响小，易于自动化等特点。与喷丸相比，激光冲击处理获得的残余压应力层可达1 mm,是喷丸的2~5 倍。而挤压、撞击强化等强化技术只能对平面或规则回转面进行。另外， 激光冲击处理能很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。 激光冲击硬化应用 激光冲击处理(LSP)能有效地强化钢、铝、钛、镍等金属材料,特别是2024T3 铝合金经激光冲击强化后,，疲劳寿命提高4 倍。近年来, 我国对激光冲击强化的微观机理、强化效果的无损检测及激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用等方面进行了研究。 江苏理工大学及南京大学对2024T62 铝合金进行激光冲击处理, 激光冲击区的硬度提高42%, 在95%置信度下, LSP 试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的5.4~14.5 倍。江苏理工大学也对常用的45 钢进行激光冲击处理， LSP 区硬度提高32%, LSP 试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1.11~2.133 倍(置信度95%)。由于激光冲击的应力波持续时间极短(微秒) , 特别是有效处理成品零件上具有应力集中的局部区域, 例如 提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲劳寿命, 所以LSP 技术的工程应用前景较好。 激光非晶化 激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。与其它非晶化方法比较,激光非晶化可望在工件表面大面积地形成非晶层, 而且形成非晶的成分也可扩大。 激光非晶化应用 20 世纪70 年代末随高功率连续CO2 激光器的商品化, 人们开发了连续激光非晶化的研究,以实现高覆盖率和较大面积的非晶层。该项技术通常用高功率CO2 激光器(1~20 kW),由于要求聚光斑功率密度高106W/cm2,激光束的质量要求相应提高。如陈兰英等[18]对棉纺机零件(45 钢碳- 氮共渗后回火处理)进行了非晶化处理; 钟敏霖等对FeCSiB共晶合金层用连续CO2 激光器处理,采用“激光合金化+激光预处理+激光快速熔凝”的方法,获得了大块的非晶。 激光表面改性的研究方向 激光表面淬火 激光表面熔敷 激光表面合金化 激光冲击硬化 激光非晶化 激光表面淬火 激光表面淬火的工艺参数还不完善, 不同材料的淬火参数不同, 还需要大量试验来总结、分析, 制定合理的工艺参数; 激光表面淬火的数值模拟还处在探索阶段, 对相变后的组织分布, 材料性能对温度场的相互影响却很少考虑。随着计算机的发展及计算方法的不断完善, 激光热处理理论正向预测淬火材料性能, 硬化层深度的方向发展。对于激光淬火扫描路径对淬火后材料的性能研究还没有考虑进来。 激光表面熔敷 从热力学和外延生长的角度出发, 系统研