激光淬火,熔凝,毛化,合金化的应用

激光淬火技术在汽车发动机行业中的应用1．汽车发动机缸体（套）激光热处理常规工艺流程：镗缸—清洗—磷化（或相关处理）—激光淬火—清洗—珩磨—检验2．加工过程：用高能激光束（能量密度为104~105w/cm2）对工件表面扫描（一般为螺旋线扫描），被扫的部分内壁材料表面急骤升温到相变温度，激光束离开后，被加热的部分又很快通过母体冷却而形成自淬火。其淬火部分呈超细化的马氏体组织，硬度由淬火前的HRC20-25提高到HRC55-60，约2.5倍，并得到0.2-0.4mm的淬火层深。从而提高工件的耐磨性能3-5倍。汽车发动机缸体（套）激光淬火后的性能指标硬化层厚度0.2-0.4mm硬化层宽度≥2.5mm形变量≤0.0013mm表面洛氏硬度由HRC20提高到60HRC以上万公磨损量由0.054mm下降到0.0087mm行车里程由普修后6万公里增加到20万公里以上润滑性能提高一倍以上使用寿命延长三倍以上.激光熔覆在家用厨刀表面的应用采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃口进行薄层快速熔覆，得到涂覆层均匀、高耐磨的刀具刃口，代替传统的刀具生产工艺，改造其产业提高刀具（厨刀）产品的内在质量和附加值。通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究，开发出与“懒汉刀”同等水平的厨刀并将其实用化。通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了无裂纹、一定硬度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。可以看出，熔覆层均匀覆盖在刀刃上。对断面分析，从外向内可以明显的看出分为4个区域：熔覆层、硬化过渡区、回火区和基体材料。3.1.1熔覆区该区以涂层材料为主要成分，硬度较高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中大量未熔的硬质颗粒，起到了弥散强化的作用。涂层过厚易形成裂纹，影响使用，通过优化工艺参数，得到了既无裂纹、硬度高、表面光洁，与基体呈良好冶金结合的涂层，而这一涂层正是提高刃口磨损性能的关键。3.1.2硬化过渡区这一区域包含与熔覆层相接的合金化层，与回火区相接的淬火区，占硬化层的80%，硬度层硬度平缓过度，组织主要是过度细化的马氏体和碳化物。3.1.3回火区由于扫描速度的加快，回火区变窄，组织为索氏体及碳化物。回火区的存在有利于保持刃口的韧性，在高硬度冲击情况下不至于断裂。激光毛化在轧辊技术的应用人们都知道，冶金行业使用轧机来生产各类冷轧板（带）材。而用于汽车、家电、建材、电子和轻工等领域的优质冷轧薄板，则需要有很好的深冲成型性和涂镀结合力。在这种情况下，板（带）材料的表面完全平整光滑并非是最好的，它要求有一定的均匀粗糙度（Ra值在0.5-2.0微米范围内）。习惯上，我们把粗糙化过程，通俗地称作为“毛化”。图1.YAG激光毛化汽车板激光毛化首先采用高重频激光束使辊面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直径为一百微米量级、深度为几十微米量级的微坑，微坑边缘为凸起的熔凝物形成强化点。通过轧制过程，再在钢板表面形成相应的压痕（塑性变形强化点）。激光板面均布着高密度分布的塑性变形强化点，位错密度高，对材料表面的滑移有阻塞弥散作用，它延缓了材料表面微裂纹的萌生和扩展，可有效的提高板材的延伸率，从而提高深冲性能。图3是激光毛化板在双曲度拉伸试验中表面滑移阻塞弥散情况。而对轧辊表面来说，在激光作用下形成的是均匀密布的熔凝强化点。这些强化点由于晶粒细化，不但提高了轧辊耐磨性，延长了使用寿命，而且由于强化点晶界密度高，微裂纹的扩展因消耗能量而受到抑制，也能有效减少辊面的开裂剥落现象。力学所的研究还表明，材料中最初的微裂纹产生后，首先是在3~5个晶粒尺寸的范围内被相对冻结，但当某些短裂纹突破这个尺度时便会快速扩展成为主裂纹。从而发展了高密度毛化工艺。因此，激光毛化是一种对材料表面钉轧强化机制，它在材料表面形成了刚柔相济的复合结构，可以阻塞和弥散滑移，延缓微裂纹的萌生和发展。这就提高了材料的抗拉伸性能增加了深冲成型性。图3.激光毛化板单向拉伸形貌激光合金化在镁铝合金表面处理的应用激光合金化是金属材料表面局部改性处理的一种新方法，它利用高能密度激光束使添加的合金元素与基体材料表面薄层同时熔化、混合，在很短的时间（0.1~10s）内形成厚0.01~2mm的表面合金。快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不易得到的化合物、介稳相和新相，在合金元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金激光表面合金化是通过熔化基体表面预先涂覆的膜层和部分基体，或者在表面熔化的同时注人某些粉末，膜层或表面在熔池中液态混合后发生快速凝固，从而在表面形成1层具有期望性能的合金薄层，以提高基体性能。近些年来，铝及铝合金激光表面合金化研究比较活跃，而对于镁及镁合金的激光表面合金化的研究并不很多。国内外在镁合金表面采用合金化处理的研究较少，主要的研究是利用注人硬质颗粒来提高合金化层的耐磨性。印度的MajurndarJD等利用l0kW连续CO2激光器对MEZ采用Al+Mn，SiC和Al+Al2O3合金粉末进行表面合金化处理，硬度由基体的35HV提高到合金化层的270HV，由于硬质相SiC的存在，同时耐磨性得到了提高。陈长军等使用5kW的CO2激光器对表面上预置了Al-Y粉末的ZM5进行了合金化处理，涂层硬度可达到250HV-325HV，而基材的硬度仅为80HV-l00HV。同基材相比，激光处理后的涂层耐蚀性得到显著提高。WangAA等在镁基体上用激光进行Mg和Al合金化处理，通过TEM的选区电子衍射斑点发现了镁铝合金的存在，其样品的抗腐蚀性能优于铸镁和镁合金。RGalun等采用铝、铜、镍和硅等元素，使用5kWCO2激光器对镁合金表面进行合金化.熔化深度为700-1200μm，表面硬度达到250HV。表面合金层合金元素的质量分数为15%-55%，加人铜合金时，抗腐蚀性能有较大改善，而加人铝合金时抗腐蚀性能显著增强。