第六章 表面改性技术

表面改性技术教师：强颖怀学院：材料学院6.1激光束表面处理技术最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益6.1激光束表面处理技术相位一致方向性好波长单一优越的聚光性可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段6.1激光束表面处理技术激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变/熔化/蒸发加热速度快：105-109℃/S自冷速度高：＞104℃/S输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积6.1激光束表面处理技术激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。波长越短，吸收率高越粗糙，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点40-50%，沸点90%杂质影响吸收黑化处理：碳素/磷化/油漆6.1激光束表面处理技术激光相变激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积6.1激光束表面处理技术激光熔融激光表面冲击1.激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。加热和冷却速度高：105～109℃/S高硬度：比常规淬火提高15%～20%变形小：加热层薄疲劳强度高6.1.2激光表面处理工艺由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。6.1.2激光表面处理工艺低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体。中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。6.1.2激光表面处理工艺高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体；内层是隐针马氏体加未溶碳化物。铸铁大致可分为三层：表层是熔化－凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。6.1.2激光表面处理工艺美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮----飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优良，几乎无变形。6.1.2激光表面处理工艺应用实例内燃机活塞环激光相变硬化活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活塞环耐磨性延长其使用寿命，对由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。工艺：激光输出功率1.65kw，扫描速度22mm/s，光斑直径3mm。6.1.2激光表面处理工艺应用实例内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为713HV0.1；硬化层深为0.5mm；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。6.1.2激光表面处理工艺应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。6.1.2激光表面处理工艺螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化工艺：激光输出功率1.1kw，扫描速度17mm/s，光斑直径4mm。效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达HRC60以上；硬化区层深为1mm；使用寿命提高3倍。6.1.2激光表面处理工艺编号零件名称材料优点或效果1锭杆GCr15硬化区深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,相对耐磨性提高10倍2成形刀高速钢刀具耐用度提高2.5～3.5倍，切削速度提高7～8倍3气缸套铸铁比硼缸套寿命高25％，与活塞环配制寿命提高30％4精密仪器V型导轨45钢较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高6.1.2激光表面处理工艺2.激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。细化铸造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构6.1.2激光表面处理工艺激光熔化淬火处理后的ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的1/10，硬度可提高30%左右。AA390铝合金，处理前合金组织中镶有60μm大的Si颗粒，处理后硅的颗粒变为1～4μm。铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。6.1.2激光表面处理工艺为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采用激光加热表面熔化－结晶处理使其表面白口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理，可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为0.10～0.20mm，硬度为1000～2000HV。6.1.2激光表面处理工艺通过快磨试验、汽车台架试验与装车考核试验证明，活塞环的磨损量减少，使用寿命提高。采用激光加热表面熔化--结晶处理灰铸铁，在白口区硬度达到1070～1210HV。美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形成莱氏体组织，硬度为52～54HRC。6.1.2激光表面处理工艺与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为365mm，长645mm，壁厚9.7mm；辊筒材料为50钢。辊面上需使用程控钻床打出2.5万个φ0.98mm的孔。过去因打孔器技术没过关，以致不能满足需要。我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达60HRC以上，攻克了这一难题。6.1.2激光表面处理工艺非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。激光扫描处理Fe－P－Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的5～6倍。航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少50%。6.1.2激光表面处理工艺激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。采用激光扫描处理Fe－P－Si合金得到的非晶态硬化层的硬度为1300～1500HV，是基体硬度的5～6倍。目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注，认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术。6.1.2激光表面处理工艺激光非晶体的应用正在开发中。美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少50%。该工艺已应用于生产F－15型战斗机用的F100型发动机上。6.1.2激光表面处理工艺3.激光表面合金化：利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。区域合金化有效利用能量精确控制密度和深度不规则零件合金6.1.2激光表面处理工艺激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。（1）铁基系在某些情况下，钢中加入Cr，Ni，Mo等贵重元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用70%Cr－30%Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得29%Cr-13%Ni的合金，该合金在1mol/LH2SO4中的极化曲线与18-8不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。6.1.2激光表面处理工艺（2）有色金属系在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以Si合金化可达到的硬度是200HV，以Cu合金化可达300HV，以Fe合金化可达300～500HV，6.1.2激光表面处理工艺（3）金属硅化物激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点。1978年Poate等人用双频激光辐照，把Pt，Pd和Ni膜合金化到Si中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层，其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物。6.1.2激光表面处理工艺4.激光表面熔覆：在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。6.1.2激光表面处理工艺与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。激光表面熔覆于1981年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，引起了重视，目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。6.1.2激光表面处理工艺1．激光包覆激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。6.1.2激光表面处理工艺1．激光包覆激光包覆是选择硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单和加工周期短等优点。6.1.2激光表面处理工艺1．激光包覆英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶片上包覆钴基合金，可得到无气孔、无裂纹的高性能包覆层，工效提高11倍，成本降低80%，钴基合金的消耗量减少50%。另外，在制造电接触器时，用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银层，可大大提高生产率和降低成本消耗。6.1.2激光表面处理工艺2．陶瓷层激光涂覆火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。6.1.2激光表面处理工艺应用实例：宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层1、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。2、工艺：激光输出功率为2.2kw，扫描速度为3mm/min，送粉率为9g/min，光斑尺寸为15mm×1.5mm。6.1.2激光表面处理工艺应用实例：宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层1、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。2、工艺：激光输出功率为2.2kw，扫描速度为3mm/min，送粉率为9g/min，光斑尺寸为15mm×1.5mm。6.1.2激光表面处理工艺应用实例：宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层3、效果：复合涂层熔覆区主要是由g-Ni、WC、W2C、M23C6及M7C3所组成；涂层厚度为1mm；稀释度为7%；涂层合金最高硬度为900HV0.1。4、应用范围：a)轴件修复；b)新产品，以提高使用寿命。6.1.2激光表面处理工艺3．有色金属激光涂履激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要。