激光表面改性技術

激光表面改性技術及應用

(1)高效率：功率密度大，加熱速度快(105-109℃/s)，加熱溫度高，基體自然冷卻速度高(104℃/s)，效率高；(2)高強韌：表面強化層組織細，硬度高，質量好，表面光潔無氧化，具有高的強度、韌性、耐磨性、耐蝕性；(3)變形?。簾嵊绊憛^(qū)小，工件變形??；(4)可以局部加熱，無接觸加工，周圍氣氛不受限制；(5)整個過程易于傳輸、切換和自動控制；

(6)容易加工高熔點、耐熱、高硬度材料；

(7)金屬表面可以熔化、不熔化，加填料或不加填料；

(8)無污染，勞動條件好。（一）

激光表面改性的特點（二）激光器的選擇

按激光器的工作方式：連續(xù)波激光器脈沖激光器激光器(激活介質)固體：晶體固體激光器和玻璃激光器

橫流：表面強化氣體：CO2氣體激光器

縱流：焊接、切割光纖激光器半導體激光器（三）激光表面強化的分類：激光表面處理技術簡圖1.激光相變硬化

(Transformationhardening,Laserquenching)

超快加熱相變功率密度：103~104W/cm2加熱速度：104~106℃/s冷卻速度：106~108℃/s，自冷淬火定義：激光快速掃描工件表面，表面薄層急劇升溫到相變點以上，高溫薄層在基底冷卻下，進行自冷淬火。激光熱處理超快加熱自行淬火

原理：激光表面淬火的原理概念圖1-激光；2-吸光劑；3-硬化層加熱和冷卻1-激光；2-被加工材料激光熱處理超快加熱自行淬火

工藝參數(shù)：功率P、光斑尺寸、掃描速度、黑化預處理現(xiàn)狀：磷化法黑漆法碳素石墨（碳素墨水+石墨粉末）法

SiO2型涂料法原因：反射率高作用：降低激光的熱損失

黑化預處理激光熱處理超快加熱自行淬火①生產(chǎn)率高②變形很小，局部表面③過熱度大(50~200℃)，硬度高，細小隱晶M④無介質，無污染⑤不接觸，光能照到就能淬火⑥易于自動化

特點：激光熱處理超快加熱自行淬火火車缸套軋輥

激光相變硬化應用激光熱處理超快加熱自行淬火柴油機缸套激光淬火

激光相變硬化應用激光熱處理超快加熱自行淬火導軌表面強化(材料:高強鋼)

激光熱處理超快加熱自行淬火

激光強化與熱處理：汽車業(yè)應用美國通用汽車公司是最先將激光淬火用于工業(yè)生產(chǎn)的公司，對汽車轉向器殼體的內孔表面進行激光淬火，使工件耐磨性提高10倍，成本下降4/5，該公司的激光表面淬火生產(chǎn)線，每天可處理齒輪箱體33000個。此后許多汽車公司如福特汽車公司、菲亞特汽車公司(意)等，都先后建立了激光淬火生產(chǎn)線，對汽車發(fā)動機上的易磨損零件進行激光表面淬火處理，均獲得了很高的經(jīng)濟效益。實例------激光淬火強化（大多數(shù)汽車公司）

未經(jīng)過激光處理的發(fā)動機平均運行里程為幾萬公里，經(jīng)過激光處理的發(fā)動機運行十幾萬公里。并已成功地用于齒輪箱、氣缸、活塞環(huán)槽、氣門座圈、氣門導管等零件的表面硬化處理實例——缸套等:激光隱形網(wǎng)紋淬火東風汽車公司對汽車轉向器殼體和側蓋等零件進行了激光表面強化工藝的研究和性能試驗。取消DX軸承（邊界潤滑軸承），對殼體和側蓋內孔表面進行激光淬火處理，形成深為0.2～0.3mm，帶寬為0.3mm，硬度為650～720HV的螺旋式硬化淬火層。臺架和道路試驗結果證明，激光淬火零件的耐磨性優(yōu)于DX軸承，且激光淬火的轉向器總成具有正轉、逆轉效率高，轉向力矩小的優(yōu)點。實例——東風汽車公司汽車轉向器:激光淬火強化實例------一汽集團無錫柴油機廠：

無缸套汽車柴油發(fā)動機缸體2.激光熔凝(Laserremelting)定義：將材料表面層用激光快速加熱至熔化狀態(tài)，不增加任何元素，然后自冷快速凝固，改變表層性能的工藝方法。特點：不添加任何合金元素天然的冶金結合較高的硬度、耐磨性和抗蝕性35CrMo激光熔凝組織(P=3800W,V=400mm/min)(a)(b)(c)(d)熔凝區(qū)相變區(qū)熱影響區(qū)母材高鉻鑄鋼激光熔凝組織帶鋼軋輥激光熔凝應用Φ340軋輥Φ600軋輥經(jīng)激光處理后過鋼量提高0.8倍

鑄鐵軋輥激光熔凝表面重熔硬化處理有一定的均勻粗糙度（Ra值在0.5-2.0微米）。

激光束使材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直徑為一百微米、深度為幾十微米的微坑，微坑邊緣為凸起的熔凝物形成強化點。位錯密度高，對材料表面的滑移有阻塞彌散作用，提高板材的延伸率，從而提高深沖性能。

實例------多家汽車廠：激光熔融

激光毛化---獲得深沖成型性和涂鍍結合力

3.激光熔覆（Lasercoating/cladding）

激光熔覆是一種新型的涂層技術，是涉及到光、機、電、材料、檢測與控制等多學科的高新技術，是激光先進制造技術最重要的支撐技術，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一項高新技術。目前，激光熔覆技術已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應用于航空、石油、汽車、機械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。定義：激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度激光束輻照加熱,使熔覆材料和基材表面薄層發(fā)生熔化,并快速凝固,從而在基材表面形成冶金結合的熔覆層。激光熔覆重熔層熔覆層合金粉未合金粉未重熔硬化熔覆合金化合金化層32激光熔覆技術與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點。

激光熔覆與類似方法的比較33激光熔覆層的基本性能:激光熔覆層的主要性能高硬度高耐磨性高耐蝕性抗高溫氧化性能抗蠕變性能激光熔覆層的性能主要取決于熔覆材料的特性激光熔覆工藝參數(shù)基體材料激光熔覆層的性能及應用提高表面硬度和耐磨性。

如在15MnV鋼表面熔覆Ni基WC合金可獲得硬度高達HV1090～1150的合金層組織，耐磨性較基材提高2倍以上。激光熔覆對于面積較小的局部處理具有很大的優(yōu)越性。對于磨損失效工件的修復也是一獨特的方法。35激光熔敷的優(yōu)點：熔敷層稀釋率低，且可精確控制，覆層的成分與性能主要取決于熔敷材料的成分。激光束的能量密度高，作用時間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均可降至最小程度。

激光熔敷層組織致密，微觀缺陷少，結合強度高，性能更優(yōu)。激光熔敷層的尺寸大小和位置可以精確控制。對環(huán)境無污染、無輻射、低噪音，勞動條件得到較大改善。不同掃描速度下激光熔覆Ni60涂層宏觀形貌(3.5kW)不同掃描速度下激光熔覆鐵基粉涂層宏觀形貌（P=3.5kW，預置粉末）鐵基粉末激光熔覆層顯微組織激光再制造磨損損失激光快速成形（堆積）修復磨損損失部位利用激光熔覆和快速成形技術進行對發(fā)生局部“缺肉”或表面缺損的零部件進行快速恢復曲軸花鍵槽航空發(fā)動機葉片修復熔覆層寬2mm，厚1mm線材軋輥修復，熔覆層8mm曲軸花鍵槽修復（18Cr2Ni4W）熔覆層寬4mm，厚0.5mm大型裝備/零部件的激光熔覆再制造實例------激光熔覆銅鋁復合材料

取代粉末冶金在汽車發(fā)動機鋁合金缸蓋門座上激光熔覆直接成型銅合金閥門座圈，取代傳統(tǒng)的粉末冶金/壓配座圈提高耐熱性，顯著改善發(fā)動機的性能降低生產(chǎn)成本延長發(fā)動機閥門座圈的工作壽命

激光熔覆：汽車業(yè)應用激光熔覆技術最先用于汽車零件方面，在排氣門的密封面熔覆Stellite合金，通過磨擦磨損測試發(fā)現(xiàn)，熔覆層的耐磨性能提高6倍。由于汽車的發(fā)動機閥、汽缸內槽、齒輪、排氣閥座以及一些精密微細部件需要高的耐磨耐熱以及耐蝕性能，因此激光熔覆有了很廣泛的應用。實例------激光熔覆：國外汽車配件公司英國某發(fā)動機公司采用微機控制的自動送粉激光表面涂覆工藝取代手工氬弧堆焊，在渦輪增壓器葉片上熔覆鈷基金，得到無氣孔、無裂紋的高性能涂覆層，從而改善其高溫耐蝕性。加工時間從14min減到75s，成本降低85%，提高了加工精度，省去了研磨工序。俄羅斯在利用激光表面熔覆修復汽車零件方面成效突出，廣泛應用于修復發(fā)動機曲軸、凸輪軸、氣門和汽車傳動軸、萬向節(jié)接頭等易損零件在噴涂磁化粉末并激光后，零件表面硬度提高3～5倍，耐磨度提高8～15倍，使用壽命提高2～4倍。

彈簧座箱激光熔覆修復

【損傷情況】:

彈簧座孔磨損，最深處深約5mm，磨損面積約40×200×8

mm。【修復后效果】;

損傷部位經(jīng)激光熔鑄、機加復形，恢復至原圖紙尺寸，熔鑄復形部位無缺陷。修復前照片↑

修復后照片↑

壓縮機轉子激光熔覆修復

【損傷情況】:

轉子兩端主軸徑磨損拉傷?！拘迯秃笮Ч?

修復后達到技術標準要求，修復部位無缺陷。修復前照片↑

修復后照片↑

轉子·激光熔覆電機轉子軸頸修復·激光熔覆4.激光合金化（Laseralloying）定義：在材料表面加入其他合金成分，在高能激光輻照下，使合金元素和基體同時熔化，在熔池中液態(tài)混合后發(fā)生快速凝固，使表層形成一層與材料本身具有不同化學成分的新合金層。激光合金化的主要優(yōu)點能使難以接近的或局部的區(qū)域合金化；在快速處理中能有效地利用能量；利用激光的深聚焦，在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度；能準確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；可以節(jié)約大量的具有戰(zhàn)略價值或貴重的元素；形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細化、提高合金元素的固溶度。激光合金化層性能及應用有效提高表面層的硬度和耐磨性。如：利用激光碳硼共滲和碳硅共滲，實現(xiàn)了Ti合金表面的合金化，硬度由HV299～376提高到HV1430～2290，耐磨性也大大提高。美國AVCO公司采用激光合金化工藝處理了汽車排氣閥，使其耐磨性和抗沖擊能力得到提高。在45鋼上進行的TiC-Al2O3-B4C-Al復合激光合金化，其耐磨性是CrWMn鋼的10倍。用此工藝處理的磨床托板比CrWMn鋼壽命提高了3～4倍。鋼表面合金化氮化鈦激光合金化應用合金化扭轉輥合金化帶鋼夾送輥

實例------激光合金化：大眾公司

------用于氣缸、軸承、活塞環(huán)、凸輪軸、曲軸、氣門、氣門座圈和排氣門及其座圈大眾汽車公司的凸輪軸表面涂上C、Cr細粉后，用激光以48mm/s的速度掃描，獲得1.3mm厚的合金化層，其鉻含量約為20%，硬度達HRC55，（母材硬度HRC33）。整個凸輪軸保持相當好的韌性，由于凸輪軸表面細枝晶組織，所以在高溫下也能保持高硬度。實例------：美國福特公司采用激光非晶化技術處理渦輪盤，成本低，重量減少50%用連續(xù)激光對待加工零部件表面進行均勻掃描，使零部件表面熔化并形成厚度為1～10μm的玻璃狀非晶化組織，具有很高的耐蝕耐磨和抗氧化性，而且還有獨特的電磁性。表面非晶化處理的優(yōu)點是成本低，易于控制及復制。美國采用激光表面熔化技術以及快速冷卻工藝在發(fā)動機的渦輪盤表面上形成非晶化層，使渦輪盤的重量減少50%，成本降低。目前，很多國家已在鐵基、銅基、鎳基等汽車零部件表面上進行非晶化處理。5.激光非晶化（激光上釉）實例------