激光相变及应用

设计：李波激光与物质相互作用Laser-MatterInteraction设计：李波内容提要第三章激光辐照下的热效应及应用3.1激光相变及应用（1）激光热效应概述（2）金属学相关知识（3）激光相变机理（4）激光相变技术（5）激光相变应用要求：1、掌握材料在激光热作用下的相变机理与特点2、熟悉激光相变的相关应用。思考：1、材料表面激光相变硬化的两个主要条件是什么？对激光光束和工件有什么要求？设计：李波（1）激光热效应概述设计：李波激光热效应概述一般而言，从激光能量角度，激光与物质相互作用具有如下规律：103～104W/cm2104～106W/cm2106～108W/cm2108W/cm2以上加热相变熔融气化等离子体相变硬化、退火焊接、熔覆、快速制造打孔、切割推进、镀膜微纳制造等设计：李波设计：李波（1）金属学相关基础钢铁是机械工业中应用最广的材料。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，得到不同的应用要求，如不同机械性能的结构钢、工具钢等。热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。设计：李波相关知识什么是相、组织、相变、淬火？相是由成分相同、结构相似、性能相同的物质组成。组织是一种结合形态，可以由一个相和多个相组成。奥氏体相铁素体相奥氏体相：碳在面心立方铁中的间隙固溶体（相变温度以上）铁素体相：碳在体心立方铁中的间隙固溶体（低温）马氏体相：碳在体心立方铁中的过饱和间隙固溶体（快冷组织，硬度高）马氏体奥氏体相变常指一种组织（相）在温度或压力变化时，转变为另一种或多种组织（相）的过程。淬火是将钢（铁素体）加热到临界温度以上，保温一段时间，形成奥氏体，然后很快放入淬火剂中，使其以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度。设计：李波铁碳相图转变温度设计：李波连续冷却曲线(1)高温转变－在A1～550℃之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。(2)中温转变－在550℃～Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。(3)过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在Ms～Mf之间,该温区称马氏体转变区。设计：李波（1）激光相变机理激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变淬火硬化机制是：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度（升温速度可达103—106℃.s-1以上），此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度(可达106℃.s-1)冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。设计：李波激光相变的条件1.Tmax(0,t):相变温度（奥氏体化温度）以上，且熔点以下；2.必须在相变点A1处以高于临界冷却速度冷却。功率密度：103～104W/cm2自身工件具有一定大小，实现自我快速冷却。能量扩散激光入射激光反射温度条件：温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。如果材料吸收激光的能量远大于扩散的能量，激光光斑处的温度温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑处的温度升高将很有限。设计：李波激光表面淬火特点质量优势技术特质适用材料实际应用1．淬火零件不变形激光淬火的热循环过程快中碳钢大型轴类2．几乎不破坏表面粗糙度采用防氧化保护薄涂层模具钢各种模具3．激光淬火不开裂精确定量的数控淬火冷作模具钢模具、刃具4．对局部、沟、槽淬火定位精确的数控淬火中碳合金钢减振器5．激光淬火清洁、高效不需要水或油等冷却介质铸铁材料发动机汽缸6．淬火硬度比常规方法高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊设计：李波（2）激光相变技术A,B部分硬化C部分硬化不够如何提高相变硬化深度、均匀性、效率，减少缺陷？VDP扫描速度光斑直径激光功率）激光表面强化层深度（H设计：李波工件预处理方法磷化：工件表面形成一层磷酸锰等磷化薄膜。经过鳞化后材料表面吸收率80%以上。黑漆：其主要成分为石墨粉和碳酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。碳素石墨：小批量的激光相变淬火试验时，经济又方便。SiO2型涂料国内90年代研制了一种以SiO2为骨料的可喷材料。选用200—300目精制石英粉，其中涂料被认为除对激光有较高吸收率外，还能在激光辐射下形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却后形成固态薄膜。日本佳友公司还开发出一种Nextel01型涂料，对CO2激光的吸收率可达90—95%，其主要成分也是SiO2。设计：李波光束均匀化变换系统振镜转镜积分镜设计：李波转镜设计：李波轧辊激光表面强化设计：李波轧辊激光表面工艺（四）选定工艺参数轧辊机加工轧辊吊上激光加工机床装夹（一）轧辊表面清洗轧辊吊离激光加工机床（五）激光表面强化（三）吸光涂层烘干（二）喷涂吸光涂层设计：李波激光熔凝处理激光熔化凝固处理（简称激光熔凝处理）是以高功率密度（105～106W/cm2）的激光，在极短的时间内（10-2～10-3s）与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化，随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固。激光熔凝得到的是细小的铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。熔凝区相变硬化区过渡区母材相变硬化区（白亮区）过渡区母材（a）熔凝处理（b）相变硬化处理设计：李波熔凝区硬度(HV)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.230035040045050055060065070075080085090095010001050切分轮硬度压痕中心离表面距离(mm)母材相变硬化区＋过渡区设计：李波工艺参数铸钢轧辊(Ф600mm)的激光表面强化处理工艺参数为：激光功率P=3.5～4.0KW、光斑直径D=6～6.5mm、扫描速度V=0.83转/分螺距n＝4～5.5mm此工艺参数所获得的淬硬层深度约为1mm设计：李波设计：李波设计：李波气缸表面处理工艺设计：李波（5）激光相变应用轧辊激光表面相变硬化瓦楞辊激光表面相变硬化设计：李波大型内齿圈-激光淬火减振器内槽-激光淬火铸钢-大型双联齿轮-激光淬火铸铁-发动机缸孔-激光淬火激光相变应用设计：李波激光相变应用模具锤头-激光淬火铸铁-摩擦轮-激光淬火大型轴承套圈-激光淬火钢轨激光表面强化设计：李波轧辊表面激光熔凝淬火工艺设计：李波设计：李波设计：李波激光热处理设备设计：李波激光相变热处理生产线设计：李波小结1、激光相变机理2、激光相变技术与应用重点掌握激光相变作用过程中的热作用过程和激光相变硬化机制。设计：李波3.2激光熔覆与合金化激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热的特点，使基材表层金属和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一层具有一定浓度且成分均匀的合金层，从而满足对工件耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能的要求。激光熔敷通过在基体材料表面添加熔敷材料，并利用高能密度的激光束使熔敷材料熔化，并与材料表面形成冶金连接在金属表面形成以熔敷的材料为基体的表面强化层。激光熔敷不是以基体上的熔敷金属为溶剂加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成为熔敷层的主体合金，同时基体金属也有一薄层熔化与熔敷层结合。设计：李波激光熔覆，激光合金化的传质设计：李波激光合金化与熔覆材料的供料方式设计：李波一维修复技术光束、送粉头在一个平面内固定不动。侧向送粉，单向运动，重力送粉。用于轧辊、长轴零件修复，效果显著。设计：李波二维修复技术光束、粉末流沿光轴方向同轴输出，工作头不动，与机床实现二维平面运动。重力送粉。设计：李波三维修复技术三维旋转光头、三维同轴送粉、三维气动送粉、三维空间熔敷。设计：李波（ａ）不同类型同轴送粉工作头（ｂ）用于激光熔焊的送粉头（ｃ）高功率激光送粉头激光熔覆专用同轴送粉头设计：李波合金粉末激光合金化和熔覆一般均与合金粉末为引入材料。根据激光合金化和熔覆的应用，对粉末有以下基本要求:(1)应具有所需要的实用性能，例如耐磨，耐蚀，耐高温，抗氧化等特性性能。(2)具有良好的固态流动性，粉末的流动性与粉粒的形状，粒度，表面形状及粉末的湿度等因素有关。(3)粉末材料的热涨系数，导热性应尽可能与工件材料相接近，以减少合金层的残余应力。(4)具有良好的湿润性，湿润性与表面张力有关，表面张力愈小，湿润角愈小，液体流动性愈好。设计：李波常用于激光熔覆或合金化的粉末1.自熔性合金粉末：目前国内生产的自熔性合金粉末可分为镍基，钴基和铁基三大类，还有WC性自熔性合金粉末，它是在上述3大类合金中加入一定量的高硬度WC制成的。2.复合粉末：复合粉末是一种新型的表面强化工程材料。复合粉末主要有硬质耐磨复合粉末，如Co/WC,Ni/WC，Co/Cr2C2等；减磨润滑复合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL，Co—Cr—Al—Y等。陶瓷粉末有Al2O3，ZrO2，Y2O3，MgO，CaO等。金属陶瓷复合粉末，如MgO，ZrO2—NiAL和Y2O3—ZrO2—CoCrAlY等。耐磨金属陶瓷复合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL及NiCrAlY等。设计：李波激光合金化典型实例铁系合金的激光合金化苏联A.Bgenokw等采用固体激光进行了工业纯铁添Mo的激光合金化。用激光脉冲能量9J，脉宽4ns的脉冲钕玻璃激光器。激光功率密度为6×105W/cm2，得到激光合金化深度为450—500um，硬度比工业纯铁提高1.5倍。L.S.Weiuman等用连续激光器，采用功率密度107W/cm2对基体为AISI1008钢进行添Cr合金化，合金层中Cr含量基本均匀。J.Mazumden等采用10KWCO2激光器，功率密度108W/cm2，采用同步送粉法将粉质为2μm的Fe+Cr+Ni合金粉末吹入激光作用熔池实现激光合金化。试验结果表明，经激光表面合金化后的耐腐蚀性能比不锈钢还强。郑启光，王华明等人1996年采用大功率CO2激光器对Ti合金和Al合金进行激光熔池吹N2气，在高温下合成TiN和AlN合金层。设计：李波钴基合金的激光熔覆钴基合金具有很高的高温性能和综合机械性能，其中以司太立合金为最多.格兰姆兹（D.S.Gnamcthu）用司太立1号合金铸棒放在AISI4815钢上，铸棒为M7C3和M6C细粉分布于奥姓体钴的基体上，直径为3mm的钢的基体预热至250℃，激光功率为3500W，光斑直径6.4mm，扫描速度4.2mm.s-1，用氢气和氩气保护。用电子探针测得熔覆层中含钴51%，含漯31%，含钨13%。在整个熔覆层内成分均匀并且组织均匀，基体进入熔覆层的重量小于5%，硬度在HV0.5730以上。迈格（J.H.Megaw）等进行了司太立6号（Co63%，Cr27%，钨4%，铁5%，碳1%）的激光熔覆试验，利用CL5型5KW连续CO2激光器，环形光束，外径35mm，内径15mm，扫描速度为2.8—6.7mm.s-1，在激光照射区用氩气保护，粉末预置厚度为1mm。在多道搭接熔覆时，在熔覆道之间放置粉末。在以铸铁为基体的激光熔覆试验中遇到了气孔问题。设计：李波设计：李波激光熔覆层的显微硬度平均值在HV794，最高达HV857。其硬度比等离子喷焊层提高44%，比火焰堆焊层提高78.9%。激光熔覆的硬度均匀性比等离子喷焊层和火焰堆焊层的硬度均匀性分别提高40%和25%。（a）激光熔覆层（b）等离子喷焊层设计：李波大型曲轴的激光熔覆工艺设计：李波大型曲轴激光熔覆工艺设计：李波激光熔覆应用实例设计：李波油田钻井轴激光熔覆设计：李波设计：李波设计：李波金属零件的直接制造设计：李波设计：李波3.3激光毛化激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。毛化薄钢板具有优良的成型性和表面涂镀性，生产优质冷轧毛化板，首先要对轧辊进行毛化，然后轧机使用