淺談激光表面熔覆技術

淺談激光外表熔覆技術1整理課件目錄激光表面改性技術研究現(xiàn)狀1激光熔覆技術發(fā)展現(xiàn)狀2激光熔覆技術的應用3激光熔覆技術存在的問題4激光熔覆技術的發(fā)展52整理課件0前言激光的創(chuàng)造是20世紀以來對人類及社會進步影響最深遠的重大科技成果之一。激光以其方向性好、高亮度、好的單色性等特有的光學性能，己在多個學科、多個領域得到廣泛的應用。激光加工技術是以高密度能源為中心，對零部件進行快速、局部的特種加工，使零部件到達所需要的性能，激光在激光外表改性方面的應用最為廣泛。激光外表改性技術是運用高能激光束對工件外表進行改變性能的技術，可大幅度的提高材料或零部件的性能和壽命。3整理課件1激光外表改性技術研究現(xiàn)狀激光外表改性是八十年代逐漸開展起來的一門新興學科，它是激光在外表技術領域中的新應用。該技術可以大幅度提高金屬材料的外表硬度、耐磨性和耐蝕性等。激光外表處理效果的優(yōu)越性使其應用領域不斷擴大，從黑色金屬到有色金屬，甚至還可用于非金屬材料的外表改性。4整理課件1激光外表改性技術研究現(xiàn)狀激光外表處理同其他處理技術相比具有很多獨特優(yōu)點。首先，激光熔化后形成的組織化學均勻性很高，而且晶粒非常細小，因而強化了合金，使耐磨性大大提高；其次，由于熱輸入小，工件變形小，對基體產生的熱影響很小等；另外，激光外表處理技術對環(huán)保幾乎沒有負面效應，明顯的性能優(yōu)勢將使激光外表改性技術在眾多外表改性技術中占據(jù)主導地位。隨著激光器、機器人和自動控制技術的開展，激光外表改性技術將向著大功率、自動化、智能化的方向邁進。5整理課件激光表面改性技術加熱熔化汽化激光物理氣相沉積激光表面合金化激光表面非晶化激光表面相變硬化激光化學氣相沉積激光表面熔凝激光熔覆激光沖擊硬化激光外表改性方法分類6整理課件根據(jù)采用的不同激光能量密度和不同處理方式，激光外表改性主要包括：激光外表合金化、激光熔覆、激光沖擊強化、激光外表非晶化、激光外表熔凝和激光相變硬化。這些方法的目的都是為了使工作面獲得基材無法到達或代價太大的高硬度、高耐磨性以及高耐蝕性等性能，從而在滿足工作要求的根底上大幅度節(jié)約本錢。7整理課件1.1激光外表熱處理激光外表熱處理又稱為激光外表淬火，是指應用激光將金屬材料外表加熱到相變點以上，隨著材料自身冷卻，奧氏體轉變成馬氏體，使材料外表硬化，同時硬化層內殘留有相當大的壓應力，從而增加了外表的疲勞強度。對零件外表實施激光淬火，可以大大提高材料外表的耐磨性和抗疲勞性能。8整理課件1.2激光外表熔凝處理激光外表熔凝是采用近于聚焦的激光束照射，將金屬外表加熱到熔點溫度以上，使材料外表層熔化并在外表形成熔池，在光束移走后依靠自身冷卻快速凝固，導致表層組織和性能變化的一種工藝。熔凝層中形成的鑄態(tài)組織非常細密，能使性能得到改善，可以增強材料表層的耐磨性和耐蝕性。激光外表熔凝技術根本上不受材料種類的限制，可獲得較深(可達2～3mm以上)的高性能涂層，易實現(xiàn)局部處理，對基體的組織、性能尺寸影響很小，而且工藝操作方便。9整理課件1.3激光熔覆激光熔覆是以激光作為熱源，用不同的添料方式在被熔覆的基體上放置所選擇的涂層材料，經(jīng)過激光照射使之與基體外表一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低、并與基體材料形成冶金結合的外表涂層，從而顯著改善基體材料外表的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化能力及電氣特性的工藝方法。10整理課件1.4激光外表合金化激光外表合金化是一種用激光將合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在外表獲得合金層的方法。這種方法既改變了材料外表的化學成分，又改變了外表的結構和物理狀態(tài)，可使廉價基材獲得良好的外表性能。11整理課件1.5激光沖擊硬化利用功率密度很高(108~1011W/cm2)的激光束，在極短的脈沖持續(xù)時間內(10-3~10-9s)，照射金屬外表，使其很快汽化并產生等離子體，在外表原子逸出期間產生動量脈沖而形成沖擊波或應力波，作用于金屬外表，使之產生塑性應變，從而改變金屬表層顯微組織結構和動態(tài)機械性能，提高材料的強度、硬度和疲勞極限。與傳統(tǒng)的強化工藝，如噴丸強化和鍛打強化相比，是一種潔凈、無公害的處理方法?？梢蕴幚砉ぜ膱A角、拐角等應力集中部位。由于沖擊時間短，可提高零件上拐角、孔、槽等局部區(qū)域的疲勞壽命。12整理課件2激光熔覆開展現(xiàn)狀激光熔覆是一種新型的外表再制造技術，主要用于改善和提高材料的外表性能及零件外表修復。它通過不同的添料方式〔一般包括同步送粉法和預置粉末法〕在基材外表添加激光熔覆材料，并利用高能量激光束使其熔覆粉末與基材外表薄層一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能優(yōu)于基體，與基體呈冶金結合，因此使基體外表的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕等特性得到提高。13整理課件2.1激光熔覆的原理與特點激光熔覆是通過在基材外表添加熔覆材料，并利用高功率激光束以恒定功率與熱粉流同時入射到需要改善的工件外表上，一局部入射光被反射，一局部光被吸收。當瞬時被吸收的能量超過臨界值后，熔覆材料和基材外表薄層熔化，金屬熔化產生熔池，然后快速凝固形成冶金結合的添料熔覆層。激光束根據(jù)應用程序給定的路線來回掃描，從而逐線逐層進行實現(xiàn)或修復。14整理課件激光熔覆是利用高能密度激光束所產生的局部高溫將2種或者2種以上金屬界面瞬間熔化，熔覆材料與基體外表試樣冶金結合，形成性能與基體成分不同的涂層，既改善材料性能到達既節(jié)省貴金屬，又提高材料外表性能的目的。15整理課件2.1激光熔覆的原理與特點激光熔覆技術與其他涂層技術相比有明顯的優(yōu)點：(1)冷卻速度快，具有快速凝固的特征；(2)熱變形小，涂層稀釋率低，涂層與基體呈良好的冶金結合，成品率高；(3)涂層材料的選擇范圍大，如鐵基合金，鎳基合金等；(4)涂層厚度一般為0.2mm~2mm，適用于磨損件的修復；(5)加工精度高，可處理較小或難加工的區(qū)域；(6)工藝過程易于實現(xiàn)自動化。16整理課件2.1激光熔覆的原理與特點由于激光熔覆的眾多優(yōu)點，因而在各行各業(yè)中得到廣泛的應用，但是激光熔覆技術也存在它的缺乏之處：〔１〕由于涂層與基體產生較大的溫度梯度，使熔覆涂層與基體體積膨脹收縮率不一致，因此熔覆涂層產生裂紋的敏感性比較大；〔２〕由于熔覆帶較窄，要想得到大面積的激光熔覆涂層比較困難。17整理課件2.2激光熔覆設備激光熔覆成套設備組成：激光器、冷卻機組、送粉機構、加工工作臺等。激光器的選用：應用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。18整理課件2.2激光熔覆設備CO2激光器是應用最廣、種類最多的一種激光器，在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機工業(yè)、機械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領域廣泛應用。約占全球工業(yè)激光器銷售額40%，北美更高達70%。CO2激光器具有功率高、效率高、光束質量高等優(yōu)點。19整理課件2.2激光熔覆設備固體激光器主要包括光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器等。具有轉換效率高、性能可靠、壽命長等優(yōu)點，速度快、深度大、無變形、熔覆層無夾渣、熔池細膩無氣孔，可以在室溫或者特殊的條件下進行工作。但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，那么光纖激光器、二極管激光器由于其自身設計的特點，就顯得不太適合了，而碟片激光器那么比較適合焊接〔包括熔覆〕、切割反射率比較高的材料。20整理課件2.3添料方式根據(jù)合金粉末供給方式的不同，激光熔覆可以分為兩種，即預置粉末法和同步送粉法。熔覆材料可以選擇絲狀材料、板狀樹料、粉末材料等，其中粉末熔覆應用比較廣泛。直接預置法包括無粘結劑預置法和粘結劑預置法。21整理課件2.3添料方式無粘結劑預置法是指利用預置工件將粉末直接預置到基體上，預置的過程中要使粉末分布均勻然后用激光進行熔覆。粘結劑預置法指將粘結劑〔纖維素等〕粉末按照一定的比例混合參加少量的水使其成為糊狀，然后使用預置工具將其預置到基體上并放置一段時間使其涂在基體上枯燥的方法，粘結劑預置法本錢低，操作簡單，但通過激光束的照射粘結劑界面易產生氣泡，因而會造成熔覆涂層產生氣孔、裂紋、脫落等缺陷使熔覆涂層的質量下降。22整理課件2.3添料方式同步式激光熔覆那么是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進行同步送料。23整理課件在同步送粉激光熔覆過程中的凝固速度要快于預置粉末法，有利于防止陶瓷顆粒沉底或上浮現(xiàn)象，從而大大改善復合層中陶瓷顆粒分布的均勻性。但同步送粉過程中，陶瓷顆粒在送粉同時受激光束輻照，且注入到熔池的中心，由于激光熔池外表中心的溫度最高，熔池中心的陶瓷顆粒的吸收熱量高，注入陶瓷顆粒仍然有熔化和分解的現(xiàn)象。24整理課件2.3添料方式預置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆外表預處理---預置熔覆材料---預熱---激光熔化---后熱處理。同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆外表預處理---送料激光熔化---后熱處理。按工藝流程，與激光熔覆相關的工藝主要是基材外表預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和后熱處理。25整理課件2.4激光熔覆的工藝參數(shù)激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，是一種對裂紋敏感的工藝。激光熔覆工藝參數(shù)是影響激光熔覆涂層質量的一個重要的方面。激光熔覆工藝參數(shù)主要包括激光束掃描速度、光斑直徑、激光功率、搭接率、離焦量等。涂層成形質量的影響對于激光再制造產品的可靠性非常重要，熔覆材料和激光熔覆工藝的選擇決定了最終的涂層質量，而工藝參數(shù)對于控制涂層質量具有很大的影響。26整理課件2.4激光熔覆的工藝參數(shù)激光功率與稀釋率成正比關系變化，隨著激光功率的增大，粉末與基體的外表溫度增加從而熔化量增大，因此容易產生氣孔、裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率持續(xù)增大，基體的熔化加劇，從而導致基體變形或者產生裂紋等現(xiàn)象。如果激光功率過小，激光稀釋度變小，涂層與基體的冶金效果不好，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。為了防止此問題，應該控制合理的激光功率。27整理課件2.4激光熔覆的工藝參數(shù)熔覆涂層單位面積所需能量叫做能量密度Ｅ，又稱激光比能，其計算公式為〔激光束功率Ｐ、激光束光斑直徑Ｄ及激光掃描速度Vｂ〕．研究說明激光比能與激光功率有著密切的關系，在光斑直徑與掃描速度一定的情況下，激光比能與激光功率成正比關系。掃描速度是激光工藝參數(shù)中非常重要的參數(shù)。極限速度是指激光束只可使合金粉末熔化，而幾乎不能使基體熔化的掃描速度。要使涂層成形完好，要求激光掃描速度必須小于極限速度。28整理課件

2.4激光熔覆的工藝參數(shù)光斑直徑主要影響熔覆涂層的寬度，光斑直徑和熔覆涂層寬度以及掃描速度的關系可由下式確定：，式中，ａ為經(jīng)驗常數(shù)，和工藝特性材料屬性有關。當其他工藝參數(shù)一定的情況下，隨著光斑直徑的增大，涂層寬度增大，激光熔池增大，因此其外表張力減小，涂層質量得到一定的提高。如果光斑直徑過小，那么很難得到大面積的熔覆，如果光斑直徑過大，激光束熱量容易分散，影響涂層的質量。29整理課件2.4激光熔覆的工藝參數(shù)要想得到大面積的激光熔覆涂層，需要從搭接方面來入手分析。因此搭接率是影響大面積涂層質量的一個重要標準。如果搭接率過低，搭接處容易形成凹坑等缺陷且外表比較粗糙，如果搭接率過高，涂層外表變的比較平整光滑，但是可能會有氣孔、裂紋的產生，因此要選擇適宜的搭接率。30整理課件2.5熔覆材料在激光熔覆過程中，影響激光涂層成形質量和性能的因素非常復雜，激光熔覆材料是一個主要因素。按熔覆材料的初始供給狀態(tài)熔覆材料可分為粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄板狀。其中應用最廣泛的是粉末狀材料。按照材料成分構成激光熔覆粉末材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和復合粉末等。在金屬粉末中自熔性合金粉末的研究與應用最多。目前廣泛應用的主要有Fe、Ni、Co基自熔性合金粉末以及為了進一步提高耐磨性而參加各種陶瓷相混合形成的金屬陶瓷材料。31整理課件

2.5.1自熔性合金粉末所謂自熔性合金是指：含有B和〔或〕Si元素，熔點較低，大約在950~1150℃之間，本身具有脫氧、造渣、除氣和良好浸潤性能的合金。自熔性合金粉末具有較好的熔覆工藝性能，熔溶覆層外表成型良好。能夠與基體材料形成良好的濕潤性和結合性，提高冶金效果。在激光熔覆粉末中參加一些氧化物能夠提高其涂層的耐磨耐蝕等性能。自熔性合金粉末主要分為鎳基、鈷基、鐵基自熔性合金粉末。32整理課件2.5.1自熔性合金粉末鎳基自熔性粉末具有非常好的自熔性，良好的韌性、耐沖擊、耐熱性、抗氧化性及較高的耐蝕性，但是高溫性能較差。鈷基自熔性粉末比鎳基自熔性粉末自熔性能要差一些，但其耐高溫性能最好，且具有良好的耐熱震、耐磨、耐蝕性能，但本錢較高。鐵基自熔性粉末的自熔效果較前兩種粉末最差且抗氧化性能差，但是本錢最低。33整理課件2.5.2陶瓷粉末陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末兩種，其中又以氧化物陶瓷粉末為主。陶瓷材料具有優(yōu)異的硬度、強度、耐磨、耐蝕、耐熱以及高溫抗氧化、硫化性能和化學穩(wěn)定性能。目前生物陶瓷研究也越來越流行，如為改善醫(yī)用鈦合金的生物活性和生物相容性而在金屬材料外表激光熔覆含Ca、P的羥基磷灰石生物陶瓷涂層。34整理課件復合材料主要指碳化物、氮化物、硼化物等各種高熔點硬質陶瓷材料與金屬混合而成的粉末體系。采用復合粉末，在進行激光熔覆時，一方面，合金材料可以保護陶瓷相，減少其燒損；另一方面，韌性高的合金基體可減小涂層的熱膨脹不匹配，降低剩余應力，提高涂層性能。通過向熔覆材料中參加陶瓷顆粒，經(jīng)激光輻照并快速熔凝后可形成金屬陶瓷復合涂層，從而改善單一金屬熔覆層的性能，使零件外表獲得更高的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性能。35整理課件選擇熔覆材料要堅持以下幾點原那么：〔１〕熔覆材料與基體材料的熔點要接近，防止產生裂紋等現(xiàn)象?！玻病潮ＷC熔覆材料與基體之間具有一定的濕潤性?！玻场潮M量控制粉末的粒度在一定的范圍內，要防止粉末過細，影響熔池的流動性，粉末如果過大，影響激光熔覆工藝性能?！玻础橙鄹膊牧吓c基體材料的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近，如果相差太大容易產生裂紋等現(xiàn)象，影響涂層的質量。36整理課件3激光熔覆技術的應用激光熔覆技術作為材料外表改性技術的一個重要方向，己經(jīng)經(jīng)歷了將近半個世紀的開展，現(xiàn)在已經(jīng)在汽車工業(yè)生產、航空航天、模具等諸多領域中都有廣泛的應用，而且取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。37整理課件3.1在汽車工業(yè)中的應用在汽車發(fā)動機氣門、氣門座圈密封錐面、氣門閥桿小端面、排氣閥外表等工作外表上，利用激光熔覆技術進行處理，能夠在工作外表上形成致密的涂層，提高工件工作外表的耐高溫、高硬度、耐磨、耐蝕等性能。激光熔覆技術在農業(yè)汽車行業(yè)中也得到廣泛應用，例如應用在汽車的曲軸、活塞、齒輪等方面。38整理課件3.2在航空航天工業(yè)中的應用激光熔覆最先應用的部門就是航空航天工業(yè)，激光熔覆制造成形的鈦合金零件主要應用在飛機的翼根吊環(huán)和降落用的選接桿中，使其壽命得到提高。劉其斌等進行了航空發(fā)動機葉片鑄造缺陷激光熔覆修復的研究。39整理課件3.3在熱動力工業(yè)中的應用激光熔覆在熱動力工業(yè)中也得到應用，可以用于汽輪機葉片耐蝕、耐高溫、耐疲勞等性能，或者某些鍋爐閥門密封面的抗磨損、抗沖蝕等，也能代替其他焊接方法來提高生產效率，進一步提高使用性能進而提高使用壽命。汽輪機轉子軸激光修復現(xiàn)場40整理課件3.4在模具工業(yè)中的應用在模具工業(yè)中，激光熔覆技術可以改善工模具鋼的外表硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等性能。該技術修復模具的優(yōu)勢在于節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略價值的合金元素，它可以在普通模具鋼上獲得高性能的外表合金層，賦予其特異的性能，從而提高模具的使用壽命。如在軋鋼導向板上激光熔覆高溫耐磨涂層，使其壽命與普通碳鋼導向板相比提高4倍以上；與整體鋼導向板相比軋鋼能力提高一倍以上，減少了停機時間，提高了產品的產量和質量，降低了生產本錢等。41整理課件應用激光進行模具維修，由于激光束的高能量密度所產生的近似絕熱的快速加熱，對基體的熱影響較小，引起的畸變可以忽略。應用高能激光脈沖去除模具在使用過程中產生的外表污物是激光技術在模具行業(yè)中的又一用途。在玻璃模具中參加Ni基合金粉末進行激光熔覆處理后可提高玻璃模具的使用時間。42整理課件3.5在零件修復中的應用激光熔覆可應用于零部件的修復。沈陽科技公司利用激光熔覆技術在大型滾軸熔覆三層不同的低價熔覆材料，不但節(jié)約了貴金屬材料，而且使?jié)L軸外表的耐磨、耐蝕性得到了很好的提高，在工業(yè)中得到廣泛應用。43整理課件4激光熔覆技術存在的問題評價激光熔覆層質量的優(yōu)劣，主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上，考察熔覆層氣孔、裂紋、形狀等。二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應測定外表熔覆層化學元素的種類和分布，注意分析過渡層的情況是否為冶金結合，必要時要進行質量壽命檢測。目前研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發(fā)、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。44整理課件4.1氣孔的產生及防止氣孔是Ni基激光熔覆涂層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。激光熔覆層中的氣孔是由于在激光快速熔凝的條件下，熔池中的氣體來不及逸出而形成的。此外，在采用粉末預置法預置涂層材料時激光加熱過程中產生氣體，形成氣孔。一般來說，氣孔是難以完全防止的，但可以采用一些措施加以控制。常用的方法有：防止合金粉末儲運中的氧化，在使用前要烘干去濕以及激光熔覆時要采取防氧化措施等。45整理課件4.2裂紋的產生、控制及防止由于材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進行的，如果成形工藝控制不當，易于在成形件中形成裂紋，成形過程