第五章激光表面处理h.ppt

Laser Materials Processing-WCM 第五章第五章 激光表面处理激光表面处理 Laser Materials Processing-WCM 本章主要内容本章主要内容 概述基本原理 激光表面相变变硬化 激光冲击硬化 激光熔凝 激光合金化 激光熔敷 Laser Materials Processing-WCM §5.1 §5.1 概述概述 过程：以激光扫描零件表面，使材料表面 吸收光能迅速升至高温，进而发生相变、 熔化或覆盖甚至熔入其他金属非金属元素 ，随后快速冷却来达到零件改性的目的。 吸收层0.010.1um，深度：0.10.5mm 功率密度要求不高，多模、矩形光斑 研究活跃，某些工艺已经得到实际应用 Laser Materials Processing-WCM 分类分类 激光表面相变硬化 激光熔凝 激光合金化 激光表面涂覆 其他 激光冲击硬化、激 光毛化、激光上釉 等 工艺 功率密度 (w/cm2) 作用深度 (mm) 相变硬化1041050.21 熔凝和合 金化涂覆 1041060.22 冲击硬化10810100.022 Laser Materials Processing-WCM §5.2 §5.2 激光表面相激光表面相变变变变硬化硬化 目的与作用： 强化零件表面，提高其表面硬度、耐磨 性、耐蚀性、强度和高温性能(硬化带，降低 磨损；表面产生压应力，提高疲劳强度),而使心部保 持较好的韧性。 零件综合性能好 成倍延长产品寿命 Laser Materials Processing-WCM 作用过程作用过程 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工 件，工件表面极快升温到高于相变点低于 熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传 导使被加热区迅速冷却而产生自淬火； 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 加热速度高达：105106/s 冷却速度高达：105 /s Laser Materials Processing-WCM 激光相变硬化的特点激光相变硬化的特点 优点 高速加热和高速自冷 硬度高(比常规高520) 组织细 HAZ小，淬火应力及变形小 提高疲劳强度 可达性好，工艺灵活，复杂 零件加工 局部有选择的表面处理 无需外加冷却介质 缺点 表面局部改性，无 助于心部性能改善 硬化面积小 硬化深度浅 设备费用高 Laser Materials Processing-WCM 一、影响硬化指标参数一、影响硬化指标参数 质量指标：硬化深度(H)、宽度、硬度、晶粒度 激光功率P 光斑大小D离焦量 扫描速度v 材料性质：物理（导热性）、 吸收系数 、化学 成分、原始组织和热处理状态 工艺参数通过热循环参数显示其影响。一定参数 ，每点均有：升温最高降温 加热速度，最高温度，保温时间，冷却速度 H=·P/(D.v) Laser Materials Processing-WCM 加热温度 组织转变温度比常规上移很多：C钢9001200 但晶粒仍来不及长大。加热：2×1032×105 0c/s， 冷却：7002×104 0c/s；1KWCO2，V=570mm/s 加热速度 常规速度：A 形核、长大，Fe3C溶解，A均匀化 。一个温度范围内，扩散型机理 激光加热：非扩散型机理。在一个恒定温度下，F 自发瞬间转变成A，无C化物参与。体心立方面 心立方。T增大时，才有C化物向A溶化过程 冷却：很高速度容易自淬火，比普通油冷水 冷速度高出一个数量级以上 Laser Materials Processing-WCM 二、硬化工艺二、硬化工艺 1. 增强表面吸收（黑化处理） I低，不熔，不汽化，不存小孔效应，表面光洁 度高，9095%反射掉克服高反射率 黑化原则： 吸收率高、高的热稳定性(800900) 导热性能好 与工件表面有良好结合 涂层薄而均匀 益于生成和去除 工艺简单、价格便宜 Laser Materials Processing-WCM 喷涂覆盖物：1020um厚 商用高温油漆：有机物碳黑氧化钛SiO2硅酸 钠、硅酸钾等 石墨和炭素墨水 黑化涂料喷涂 化学反应吸收层 磷化法：形成磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁覆盖层 NaOH氧化法 布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的扩 大等问题、内表面处理 黑化方法黑化方法 Laser Materials Processing-WCM 2 2 常规参数常规参数 功率：p大、B 、H大 离焦量：影响光斑直径功率密度和加热时间 扫描速度：加热时间 t B H I F Laser Materials Processing-WCM 三三 相变硬化层性质相变硬化层性质 1.硬度：沿深度方向的硬度分布 距表面距离 硬度 单台阶：高碳钢 双台阶：亚共析钢，不完全相变：马氏体未转变的铁素体未溶解的渗碳体 表层非最高硬度：表面微熔时，尚未有系统研究 有回火区的硬度分布：基体已经有较高硬度，如经正常淬火后的高速钢 Laser Materials Processing-WCM 硬度沿宽度方向分布硬度沿宽度方向分布 光斑的搭接造成 理想的匀强光斑产 生的回火软化区比 高斯光斑小 硬度 位置 Laser Materials Processing-WCM 2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过 程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制 约产生残余压应力，压应力使疲劳强 度增大 3. 耐磨性：硬夹软的特点，容纳碎屑和 润滑油 Laser Materials Processing-WCM 四、激光相变硬化实例四、激光相变硬化实例 发动机缸体和缸套 硬化带轨迹为螺旋、网纹、波纹等，淬硬带宽3-3.5mm ，淬硬层深0.2-0.3mm，硬度为基材3倍以上 Laser Materials Processing-WCM 四、激光相变硬化实例四、激光相变硬化实例 模具 汽车转向器壳体 弹性连轴节主簧片 机床电磁离合器连接 件 应用场合：不要求整 体淬火或其他方法难 以处理，以及形状复 杂或尚需进一步提高 硬度、耐磨性等性能 的零件 汽车模具淬火 Laser Materials Processing-WCM §5.3§5.3 激光冲击硬化激光冲击硬化 高功率密度( GW/ cm2) 短脉冲(几十纳秒) 强激光与金 属材料相互作用,会在材料表面形成一个高压应力波, 即激光诱导的冲击波。强激光产生的这种超高压已成 为动高压技术的一种有效手段, 已用于激光冲击处理 (laser shock processing) 这一材料表面改性技术中。 可用来改善金属材料的机械性能,特别能有效地提高金 属材料的抗疲劳断裂性能和硬度。 与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆 角、拐角等部位 国内外学者研究激光冲击铝合金等有色金属的较多， 亦有碳钢、合钢、球墨铸铁、不锈钢、镍基合金等应 用研究 Laser Materials Processing-WCM 激光冲击强化原理激光冲击强化原理 过程：材料表面局部升温、汽化、离化，产生高 压力(GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击 波或应力波 功率密度为1071011w/cm2 作用时间为几ps到几百ns 典型冲击强化工艺参数：铷玻璃激光器，输出能 量80100J，脉宽330ns 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝 生长和发展，细化晶粒锻压效果 Laser Materials Processing-WCM 两种类型两种类型 有约束层 激光束透过水或玻 璃被吸收层吸收, 吸收层部分汽化形 成等离子体,由于 等离子体被约束在 约束层和试样之间 ,根据理想气体的 状态方程,在有约 束层时可以比无约 束层时获得更高的 冲击波峰压 无约束层 工艺简单 Laser Materials Processing-WCM 激光冲击处理过程分析激光冲击处理过程分析( (有约束层时有约束层时) ) 1.当激光作用在材料上时,激光能量沉积在材料 和透明约束层之间,等离子体将产生在材料和约 束层中分别传播的冲击波(波速分别为D1和D2) 。由于材料的运动,约束层和材料之间的距离将 会增加。 2.当激光关闭后,等离子体持续产生压力,但压力 会随等离子体厚度的增加而减小。 3.等离子体爆炸后的抛射体将对材料产生附加的 压力。这一阶段所产生的压力较小,往往忽略不 计。 Laser Materials Processing-WCM 冲击波峰压冲击波峰压 当将等离子体看作理想气体，激光为高斯 光束时，冲击波峰压P可表示为： P = B I1/ 2 玻璃作为约束层时, B = 21；水, B = 10. 1 冲击波峰压只与激光功率密度有关,与激光 的脉宽和波长无关 Laser Materials Processing-WCM 激光冲击强化提高材料机械性能的机理激光冲击强化提高材料机械性能的机理 激光冲击诱导的表面残余压 应力，可获得- 0. 6Y (弯曲 强度)的表面残余压应力， 影响层范围为12mm。 表面硬度提高机理： 对铝合金试样分析后认为,试样 中存在的高密度位错是硬度提 高的主要原因; 对各种铁基合金,冲击后位相的 转变,如相至相的转变,也是 材料硬度提高的一个原因。对 不锈钢激光冲击处理后发现, 马氏体的转变使表面硬度提高 150 % 200 % 。 冲击处理后材料结构的改变例 如缠结也能极大地提高表面硬 度 Laser Materials Processing-WCM 激光冲击处理的国内外现状与发展趋势激光冲击处理的国内外现状与发展趋势 1970年贝尔实验室首次开始 两个方向 小能量，小光斑，短脉冲，如：20mJ YAG，脉宽150ps， 光斑直径0.1mm，I1012w/cm2 高能量，超短脉冲 主要研究方向：小功率、约束层，功率密度越来越高 主要用水和玻璃作为约束层 玻璃的阻抗高，但装夹困难且碎片难以收集 水操作方便 Laser Materials Processing-WCM Laser Materials Processing-WCM 存在的主要问题存在的主要问题 激光冲击效果的无损检测。目前测表面残 余压应力主要使用X 射线衍射仪,这种方法 设备昂贵,需由专业人员操作,只适合实验室 使用。 新型约束层的选择研究。 冲击参数的优化研究。 高能量、高频率激光器的研制。 Laser Materials Processing-WCM §5.4 §5.4 激光熔凝激光熔凝, ,合金化及熔敷合金化及熔敷 1激光熔凝 I=104106 W/cm2 熔化,随后快速冷却凝固102106k/s,巨脉冲 1012k/s 效果:细微均匀的表面组织,抗磨损,抗腐蚀性能好(腐蚀 原因:各种形式伏打电池,来源于表面组织不均匀) 工艺:匀强光强,不增加吸收层 试验研究:铸铁和工具钢,提高硬度 非晶态共晶优良抗腐蚀性能 应用少,原因:与合金化差不多;破坏几何完整性,要求表 面加工 Laser Materials Processing-WCM 二、激光合金化及熔覆的基础二、激光合金化及熔覆的基础 1. 激光熔池的温度场： 能量密度 能量分布 扫描速度 几何形状 直接影响对流、传质和传热，进 而影响凝固过程和成分的均匀性 Laser Materials Processing-WCM Laser Materials Processing-WCM 2 2 影响熔池对流特征的影响因素影响熔池对流特征的影响因素 (1)溶质元素对熔池对流特征的影响 通过改变溶液粘度、密度、表面张力及溶质分布形态等影响对 流特征 P241图2315，18 Laser Materials Processing-WCM P238图236 Laser Materials Processing-WCM (2) (2) 光束能量分布对熔池对流特征的影响光束能量分布对熔池对流特征的影响 Laser Materials Processing-WCM 光束能量分布特征对于熔层对流特征的影响 Laser Materials Processing-WCM （3 3）激光工艺参数对熔池对流特征的影响）激光工艺参数对熔池对流特征的影响 熔池横截面张力梯度与熔池温 度之间关系如下： 张力梯度主要取决于 熔池温度 温度梯度 上述两者又是功率密度、 作用时间的函数 对流强度主要取决于功 率密度 对流循环次数取决于交 互作用时间 Laser Materials Processing-WCM 3 3 激光熔覆与合金化表面形貌及其控制激光熔覆与合金化表面形貌及其控制 表面形貌类型及其成因 v 三种形貌类型：正常熔化、临界熔化、不充分熔 化 v 正常熔化呈波纹状：相等间距、向扫描方向弯曲 v 波纹成因： 表面张力梯度驱动熔池学说：表面张力梯度驱动的熔 池内的对流为主要动力，前沿熔化、后沿液面凸起 张力差与界面能说 蒸汽动力说 熔池间断熔化说 Laser Materials Processing-WCM 表面形貌的影响因素及其控制 材质：活性元素加入可改善表面状况，如硼、硅 等，减小表面张力 工艺参数：功率密度和作用时间 表面粗糙度随激光功率和扫描速度的减小而下降 功率密度恒定条件下，表面粗糙度与激光扫描速度的 关系曲线存在一最大值 较大光斑和较低功率密度可改善波纹 临界熔化表面与不充分熔化均属缺陷 能量过低、速度过大所造成 Laser Materials Processing-WCM 4 4 激光熔池成分均匀化机理激光熔池成分均匀化机理 熔池存在时间极短，溶液扩散理论难以解释 如几十到几百ns的Q开关激光器，熔化时间50500ns， 理论计算静态扩算仅720nm 熔池对流传质是主要原因，扩散速度高出10万倍 宏观上是均匀的，微观上有起伏 Laser Materials Processing-WCM 5 5 激光熔覆与合金化层的应力状态、裂纹与变形激光熔覆与合金化层的应力状态、裂纹与变形 应力状态： 通常为拉应力 熔凝层与基材体积涨缩的不一致造成 与熔凝层及基材本身的塑性变形能力相关 可通过预热或后热减小或消除 P256图2356 Laser Materials Processing-WCM 激光熔凝层的裂纹 成因：激光熔凝层内存在拉应力，当局部应力超 过材料的强度极限时，产生裂纹 发生部位：枝晶界、气孔、夹杂物等强度较低或 应力较为集中处 按产生的位置分类： 熔凝层裂纹：熔化层凝固过程中，熔化层内部或表面 界面基材裂纹：熔凝层与界面交界区或热影响区内， 多以空洞或夹杂为起源 扫描搭接区裂纹：搭接区与基材交界的“三角区” 与材料、工艺等密切相关 Laser Materials Processing-WCM 激光熔凝引起的基材变形 根本原因：拉应力 变形方向：向熔凝面弯曲 工艺参数：厚度、预热或后热等 基材自身应力状态 控制变形措施： 热处理的方法消除内应力 薄的覆层 预热和后热工艺 预应力拉伸、预变形或夹具固定等措施 Laser Materials Processing-WCM 6 6 激光熔覆与合金化层的气孔及其控制激光熔覆与合金化层的气孔及其控制 多为球形，分布于中下层 成因：反应性气体来不及逸出 ，主要气体来自C与O反应或 金属氧化物被还原 难以完全避免，可采取措施加 以控制： 减少气体来源：烘干，减少氧化 等 气体保护 覆层尽量薄 熔池存在的时间尽量长 典型气孔图片 Laser Materials Processing-WCM 三、激光表面合金化三、激光表面合金化 基本原理：利用激光作为加热能源，使基材表 层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原 基材为基的表面合金层。 按照合金加入方式分类： 预置式激光合金化 气体激光合金化 同步式激光合金化 Laser Materials Processing-WCM 预置式激光合金化（预置法） 理想层：厚度均匀，孔隙率低，高温下粘性 热喷涂法：火焰喷涂和等离子喷涂（厚度易控，形状 限制成本） 电镀法：方法简单，大量H存在气孔 涂刷法：粘结剂与合金粉末调和。清漆，水玻璃等 总的来说，导热性差，不利于基本熔化 气体激光合金化 辐照部位从气氛中吸收碳、氮等 典型应用：钛及钛合金的氮化 Laser Materials Processing-WCM 同步式激光合金化（同步沉积法，提高了能 量利用率） 优点： 大大降低合金化层的不均匀性 减少了对基体材料的热作用，需要的能量少 简化了工艺 两种方法： 送粉（正向，逆向）：气体做动力，粉末送至 光束下方，加热与送粉同步 供丝 （以熔滴形式过渡） Laser Materials Processing-WCM 易产生的问题： 裂纹：冷却凝固时，收缩受到基体制约，合金层种 产生拉应力，枝晶完全凝固前拉应力造成的偏析裂 纹，多次扫描应力重叠大于抗拉强度 防治措施：预热和后热 应用： 钛：碳、氮在表面形成合金、提高疲劳强度、着色 铸铁：Cr,Si,和C，特殊性能铁合金表面 钢：Cr、Mo、B、Ni等，类似不锈钢的防锈表层 铝：C、Si、N和Ni的合金化得到硬的表层 Laser Materials Processing-WCM 典型应用实例典型应用实例 灰铸铁缸套内表面Nd:YAG激光Ni2Ti 合金化 适用于汽车发动机关键摩擦副如汽缸筒、缸套、凸轮轴 、活塞环、摇臂等钢和铸铁零件的表面强化,能明显改善 摩擦副的摩擦磨损特性,大大提高使用寿命 预置Ni2Ti 合金涂层法,以提高该型缸套在特殊腐蚀性润滑 油介质下的耐磨、耐腐蚀和抗擦伤性能 国产500W连续Nd : YAG,单道和多道搭接扫描,工艺参数 为:P=500W; D=1. 5mm ; V=1. 5mm/ s ; 搭接率30 %; 保护 气体为氩气 单道时表面光亮平整,无宏观裂纹,多道搭接时表面状态基 本相同,但出现少量横向裂纹 Laser Materials Processing-WCM 球墨铸铁活塞环激光合金化 提高活塞环和气缸套副使用寿命是内燃机设计制 造中的重要问题。 目前用于活塞环表面处理的措施较多,如镀铬、喷 钼、涂镀TiN、喷涂镍陶瓷复合涂层等,但都不能 与基体形成冶金结合, 激光陶瓷合金化技术：高质量耐磨环, 热效应小, 有利于减少活塞环的变形,可获得无气孔,无裂纹 的表层 Laser Materials Processing-WCM 材料 基底材料为球墨铸铁 ,有铸态和正火态两 种，标准试样,其表 面精磨后粗糙度为 Ra=01180120m。 合金化涂料以 C2Si2B2Re 共晶合金 化涂料为基础,选用 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： 激光处理前试样表面手工 均匀涂覆0.13mm 厚的涂 料,涂料中陶瓷相占干粉 质量分数分别为 5%,10%,15% ,20% ,25%,30%等6 种。 激光器：PRC2000 快轴 流CO2 激光器,激光功率 为2kW ,光斑直径为 15mm 扫描速度为0.12m/ min , 处理过程侧吹氮气保护。 Laser Materials Processing-WCM 涂料中含15 %WC 的试样表层显微硬度分布 Laser Materials Processing-WCM 结论结论 (1) 在球墨铸铁标准试样表面进行C2Si2B2RE + (不同 比例) WC 的激光合金化处理,可获得硬度高、耐磨 性好、没有裂纹的合金化层。 (2) 激光陶瓷合金化区多为共晶、过共晶组织。在深 熔情况下,WC 颗粒完全溶解。W 固溶于合金化层 或与其它合金元素构成复合碳化物,显著提高了合 金化区的硬度和耐磨性能。 (3) 合金化涂料中含不同比例WC 的激光合金化层的耐 磨性呈现一定规律,即WC 比例由低到高时,对于提 高摩擦副双方耐磨性有一最佳值(15 %) Laser Materials Processing-WCM 四四 激光熔覆激光熔覆 与合金化相似：熔化基体同时熔入其他合 金成分 不同：外加涂层，基体表面极薄熔化，得 到有熔覆材料形成的完全不同于基体的新 涂层 局限性：基体与涂层具有可焊性 Laser Materials Processing-WCM 与传统的表面涂层技术如堆焊、镀层、喷涂和气相沉积相比较，与传统的表面涂层技术如堆焊、镀层、喷涂和气相沉积相比较， 激光熔覆涂层技术有如下的特点激光熔覆涂层技术有如下的特点 (1)可以通过混合不同的合金粉末进行成分设计，得到完全致密 的冶金结合覆层。 (2)涂层的稀释度可以降低到最低限度，从而得到所设计的表面 性能。 (3)激光熔覆加热和冷却速度极快，凝固速度约104 /S ，易获 得涂层组织结构的改善（如晶粒细化或产生新性能的组织结 构，包括非稳相、超硬弥散相及非晶等）。 (4)局部表层区域的快速凝固对基体或被涂工件的热影响甚微， 易实现选区涂层。 (5)熔覆涂层与基体的结合得到改善，界面为冶金结合。 (6)涂层成分、厚度可控，工艺过程易实现自动化。 Laser Materials Processing-WCM 激光熔覆工艺流程激光熔覆工艺流程 基材熔覆表面预处理 预置熔覆材料 预热 激光熔化 后热处理 基材熔覆表面预处理 送料激光熔化 后热处理 预置式 同步式 Laser Materials Processing-WCM 应用场合应用场合 许多的工模具及特殊工况的结构件(如飞机涡轮发动机叶片 、电厂汽轮机叶片、鼓风机叶片、汽车发动机轴颈、齿轮、 阀座、气门、挺杆等)要求表面有良好的耐磨性、耐蚀性及 高温抗氧化性 采用整体材料来制造既浪费贵重金属，又无法兼顾工件对表 面耐磨、耐蚀性与心部强韧性的不同要求； 而采用传统的等离子喷涂或堆焊硬化合金的方法又存在涂层 疏松、缺陷多、基体热影响区大、生产周期长等缺点； 采用激光熔覆涂层技术可在廉价的钢材表面获得高性能的耐 磨、耐蚀陶瓷涂层，且涂层均匀致密、缺陷少、成品率高， 因此对于大幅度降低工模具成本有较大的经济意义，亦为它 们的修复提供了一条新的途径 Laser Materials Processing-WCM 激光熔覆应用实例激光熔覆应用实例 航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的修复 CoCrW合金粉末和WC粉末的混合物，厚0.3mm，提高高 温耐磨和抗腐蚀性能 与热喷涂相比：缩短涂层制备时间，质量稳定，消除了热 影响产生的裂纹 日立公司：气轮机叶片上采用激光熔覆钴基合金， 有效提高了抗腐蚀性能 英国Rolls-Royce公司将激光熔覆应用于RB211型燃汽 轮机叶片连锁肩的修复，替代原来的氩弧堆焊工艺 ，大大提高了劳动生产率，减少了基体的热变形 Laser Materials Processing-WCM 课堂作业课堂作业 激光表面相变硬化为什么无需冷却介质会 产生自淬火？ 为什么激光相变硬化前需要进行黑化处理 ？