激光-激光熔覆技術(shù)1講解

1、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。由于激蕪熔覆牧求虛激先熔覆理論、 湯理裁芳$ 議盤，合金材料、工藝碁如、涂雇組段柑滋斫窕， 殺備囪M祀、柔世祀、熔覆過程曲控.專用功滋那 件可制及笙產(chǎn)疹用著方面取得了童要al晨。因此， 激先熔覆枚*耒僅引起訪方各國(guó)的渡噫，同時(shí)也妥 到了國(guó)內(nèi)的廣泛頑視，彼廣迫地盜用于航夭.汽車、 石油.祀工.治僉、電力

2、.機(jī)械.工樓具和経工址 劣領(lǐng)域。比屜這祥的一個(gè)實(shí)驗(yàn)簽例說明激蕪熔覆 墳*的盜用。為了研究模具鋼熔覆層的磨損性能， 采用鐵基粉在406鋼表面進(jìn)行激光熔 覆，以激光熔覆層為上試樣，GCrl5 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400基 體的磨損性能相對(duì)比，利用表面形貌 儀測(cè)量磨痕深度和寬度。實(shí)唸材料與賣殮方去W基體材料為406,正火態(tài)，試樣制成直徑 50mm.高10mm的圓盤；對(duì)磨材料為GCrl5, 由于鐵基合金粉末與400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?/p>

3、 平整，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,制備成人玄勺寬20mm長(zhǎng)40mm的熔覆 層。對(duì)熔覆層表面進(jìn)行精磨、拋光處理。Table 1 User cladding piw 對(duì)哼 pu rame tenlg speedd)beam diameler/mmprep laced ihickn/mmpulse w idth/msfreqii/H430.7- 1.5?5J J2(Ill-500型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備示意圖見圖h磨損試驗(yàn)參數(shù)見i實(shí)現(xiàn)室溫到500C條件下的摩援磨損性能的測(cè)試。本試驗(yàn)是將甌構(gòu)加上試驗(yàn)所

4、需載荷侗時(shí)驅(qū)動(dòng)樣品盤上的摩援試塊轉(zhuǎn)動(dòng)，使其與滋度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)并進(jìn)行即時(shí)圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。IIITable 2 Parameters of ah listrotation radius temperature timejriuriiij lime steady state)min/minroom1030采用WYKO NT 1100型光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量 磨痕的深度和寬度，每點(diǎn)間隔3微米，測(cè)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O riginPro 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

5、損量的評(píng)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 (10 min)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*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1 mm、寬度約2 mm,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。以GCrl5鋼珠和400 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

6、摩擦系數(shù)隨 時(shí)間變化的曲線圖見圖4。圖4G)表示的是進(jìn) 入正常磨損期最后10 min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100300 2o隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，磨 賽后期摩擦系數(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. 754 N降低到 1.332 N,降低了24%。圖4G)還表明:除100 g 我荷Z外匚隠缶磨損時(shí)間叫星加，庫擦縈毀拔 皇現(xiàn)下曉的趨男，而且當(dāng)載fi300g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(zhǎng)發(fā)生顯 著的變化。從圖4(b)可見：當(dāng)載荷為400 g,磨損 時(shí)間超過3

7、5min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(shì)；當(dāng)載荷增加到 500 g時(shí)，摩擦系數(shù)較大，比300 g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40 min后才進(jìn)入穩(wěn)定磨合期；當(dāng)接近60 min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)。friction coefificientg -opf5* 蘭蘭g -經(jīng)過激光熔覆之后300 g載荷時(shí)的磨 痕深度為1. 096微米，而500 g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%o 300 g和 500 g載荷下的磨痕形貌曲線經(jīng)過表 面

8、輪廓儀測(cè)量分別如圖5(a)、(b)所 示。300 g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500 g載荷下磨痕形貌比較 規(guī)則，呈現(xiàn)類似拋物線形狀。width/mm討論與分析0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 療位析出的顆粒。40Cr基體的表面磨損試 驗(yàn)，其進(jìn)入磨合期最后lOmin的圖形如下圖 所示。159O58O75O-&QEVO0 U0U.2O3 o O載荷小于250g時(shí)，

9、相同載荷下，基體的摩擦系數(shù) 小，這是由于正火態(tài)下的400 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250 g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300 g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300 g載荷時(shí)的摩擦系數(shù)有稍微上升趨勢(shì), 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