调质合金钢的激光淬火及合金化研究毕业论文

1、 学士学位论文调质合金钢的激光淬火及合金化研究学位申请人： 学科专业：材料科学与工程指导教师： 答辩日期：2011年6月13日摘 要调质钢是机械制造中常用的钢种之一，由于其服役条件苛刻，表面容易受到磨损，腐蚀而使其发生失效。本课题以提高液压油缸和活塞杆的使用寿命为基础， 利用co2激光器在样品表面进行不同参数（包括功率，扫描速率）单道及搭接的扫描，重点研究了：（1）不同激光淬火工艺对调质钢硬度的影响规律；（2）不同激光合金化工艺对调质钢表层组织和硬度的影响规律；（3）激光合金化对调质钢表层的耐腐蚀性评价。从而确定最佳的激光合金化与激光淬火的工艺，达到显著提高液压油缸和活塞杆表面性能的目的。结果

2、表明，经激光淬火或激光合金化后，45钢的表面性能得到了显著的提高。在功率为1.5kw，扫描速率为300mm/min时，表层有良好的宏观形貌，适当的层深层宽，较高显微硬度以及优良的耐腐蚀性。关键字：液压油缸，调质钢，激光合金化，激光淬火，硬度，层深，耐腐蚀性abstractquenched and tempered steel is commonly used in machinery manufacturing, because of its harsh service conditions, the surface is susceptible to abrasion and corrosi

3、on, it is easily to failure. based on improving the life of the hydraulic cylinder and piston rod, in this topic we scan single-channels and overlaps on the sample surface with different parameters (including power, scan rate) by using co2 laser, and,focus on:(1)different laser quenching process of

4、the influence law of quenched and tempered steel hardness;(2)different laser alloying process of the influence law of quenched and tempered steel hardness and surface microstructure；(3)laser alloying of the qualitative evaluation of quenched and tempered steel corrosion resistance.to determine the o

5、ptimal laser alloying and laser hardening process, so we can significantly improve the surface properties of the hydraulic cylinder and piston.experiment show that after the laser quenching or laser alloying, 45 steel surface performance got dramatically increasing. in power for 1.5 kw, scan rate fo

6、r 300mm/min, surface get good macro-morphology, layer-deep and layer-wide is proper, microhardness increases and corrosion resistance is improved.key words: hydraulic cylinder; quenched and tempered steel; laser alloying; laser quenching,hardness; layer-deep; corrosion resistance目录摘 要iabstractii目录ii

7、i1 绪论11.1本课题的研究目的和意义11.2激光表面改性研究现状21.3激光淬火21.4激光表面合金化81.5本课题研究的技术目标及主要内容112试验方案122.1.试验材料122.2表面涂料122.3实验设备132.4试验内容132.5分析手段133试验结果与分析143.1激光淬火以及激光合金化后工件的形貌评价143.2不同工艺对激光淬火及激光合金化后层深及层宽的影响173.3激光淬火及激光合金化后的硬度分布233.4激光淬火及激光合金化后耐腐蚀性评价274全文总结30致 谢31参考文献321 绪论 45钢是机械制造中的重要材料，主要是用于制造连接螺栓、压缩轮盘、轴、大制动鼓密封盖和轴承

8、座等零件，但由于工作环境较为苛刻，这些零件时常会因发生表面磨损而导致失效，为了提高其耐用性,可通过对零件进行表面改性来提高其性能。利用激光技术对材料进行表面改性，是提高材料表面性能的一种重要方法。激光是人类20世纪最伟大的发明之一，它有着一系列普通光波无法比拟的特殊性，即高度的方向性、单色性、相干性、高亮度、超短脉冲及可调谐性等。正是因为激光的这些特性，其应用领域极其广泛，发展潜力极其巨大1。激光作为一种精密可控的高能量密度的热源，可对金属材料进行多种强化处理，其分类如图1-1所示。图1-1金属激光强化处理分类1.1本课题的研究目的和意义目前，工业生产中许多零部件的工作状况十分恶劣，如柱塞、涡

9、轮发动机叶片、电厂汽轮机叶片、鼓风机叶片、汽车发动机轴颈、齿轮、阀座、气门、挺杆等要求表面有良好的耐磨性、耐蚀性及高温抗氧化性。这些零件若采用整体材料来制造，既浪费贵重金属，又无法兼顾工件对表面耐磨、耐蚀性与心部强韧性的不同要求。激光技术的蓬勃发展，为零部件的修复开辟了新途径。采用激光淬火以及合金化技术可在廉价的钢材表面获得高性能的耐磨、耐蚀涂层，且表层均匀致密、缺陷少、成品率高。本课题在不同的工艺参数下，利用co2激光器对调质合金钢表面进行淬火以及合金化处理，并研究了其表面所获得的性能的提高。1.2激光表面改性研究现状应用激光对材料表面进行处理，就是在材料表面形成一定厚度的处理层，以改善材料

10、表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，以满足各种不同的使用要求。实践证明，激光表面处理技术具有高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染等一系列优点，因而成为了一种发展迅速、有前途的表面处理方法。激光是一种波长一定、相位一致且方向性极强的电磁波，通常情况下，激光束可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm)，具有极高的功率密度（约为104109w/cm2）2。激光表面处理时，用大功率的激光束对材料进行非接触式加热，材料表面吸收激光的能量后转变为本身的内能，由于激光的功率密度极高，在很短时间（10-110-7s）就可以把材料表面加热到很高的温度(加热

11、速度可高达105109/s)，使材料表面发生固态相变，熔化甚至蒸发。当激光束被移除后，材料表面迅速降温（降温速度可达104/s），自然冷却后就可以形成表面强化。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用、随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近年得到迅速发展。激光表面合金化技术，就是目前应用比较广泛的激光表面改性技术。1.3激光淬火1.3.1激光表面淬火机理激光表面淬火是以高能密度的激光束作为热源的表面热处理。处理

12、过程是将激光束扫描于金属材料表面，其红外能量被金属表面吸收而迅速升温从而达到很高的温度（即加热至金属的相变温度以上，且控制在熔点以下），使金属发生固态相变3。随着激光束离开金属表面的加热处，表面材料表面的热量依靠金属本身的热传导迅速向内部传递而形成极大冷却速度，可以靠自激冷却使材料表面淬火，实现表面硬化。一般情况，表面淬火热处理时激光束的功率密度为104105w/cm2，当激光束作用于金属材料表面时，金属表面主要产生温升及相变而基本上没有出现局部熔化的现象，激光束离开金属表面时局部冷却速度可达104106/s。由于激光超快加热条件下过热度大，造成相变驱动力很大，奥氏体形核数目剧增，奥氏体形核既

13、可发生在原晶界和亚晶界处，也可在相界面和其它晶体缺陷处发生，同时瞬间的奥氏体化使起始晶粒来不及长大4，而激光束就已移开，加之自激淬火处理的冷速极快，在激冷到马氏体转变起始温度ms后，固态相变必然获得细小的马氏体组织。激光表面淬火快热快冷的过程也使金属中各元素的扩散均匀化来不及进行，使淬火组织中碳及合金元素浓度的不均匀性增大，从而造成了两方面的结果：一方面因为成分的不均匀性使得微观区域内马氏体形成温度有很大的差异，促进了细小马氏体组织的形成；另一方面奥氏体中原靠近碳化物近的局部区域内碳元素的固溶度增加，随着奥氏体向马氏体转变，得到高碳马氏体，而残余奥氏体也以碳及合金元素的高度固溶形式存在。因而，

14、激光淬火热处理后的主要淬火区域为板条马氏体和孪晶马氏体组织，并且其中位错密度极高，可达1012/cm25,6。研究表明，晶粒细化、马氏体的高位错密度和高的碳固溶度是激光淬火材料表面获得超高硬度的主要原因7。1.3.2激光表面淬火的技术特点传统的热处理是将材料加热到一定的温度，并且在这个温度下保持一定的时间，继而在特定的介质作用下以一定的冷却速度冷却材料，使材料的微观结构发生改变，从而实现材料性能的改变以达到热处理的目的。激光淬火为快速加热、快速冷却的自激淬火的过程，激光表面淬火与传统淬火工艺的不同主要在于它的作用时间短并且不需要冷却介质。故相对于传统的热处理工艺，激光表面淬火具有如下的优点8：

15、（1）表面改性的优化效果显著。激光表面淬火自激淬火过程温度变化极快，使得淬火后金属表层实现组织的细化，淬火马氏体的位错密度相对于常规淬火更高，材料的硬度、耐磨性及耐蚀性均有较大提高。马氏体转变使材料表面硬化，同时金属表面淬火硬化层内残留有相当大的压应力，从而增加了加工工件的疲劳强度9,10。如果在工件承受压力的情况下实施激光表面淬火，淬火后撤去外力，则可以进一步增大残留的压应力，并可大幅度提高工件的抗压和抗疲劳强度；（2）加热速度极快，冷却速度高，零件热变形量极小。因为激光束的功率密度高，激光束对材料表面扫描时，其表面的升温速度可高达104106/s，可以在极短的时间内将材料加热到相变区，材料

16、吸收的热量由表向里传导，不需要冷却介质就能够使冷却速度达到105/s，自激淬火作用的时间也很短，因而改性区域仅限于表面薄层，不易造成零件整体的热变形；（3）可对形状复杂的零件进行激光表面淬火或局部淬火。激光加热区域很小，激光束光斑尺寸决定了激光的扫描面积，而淬火后的深度可从几十微米到几百微米，因此，可以对形状复杂的零件（如有盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等）进行处理或局部处理，也可根据需要在同一个零件的不同部位进行不同的处理；（4）适用性强。由于激光聚集深度大，当激光束的离焦量控制在一定的范围内时激光功率密度基本相同。因此，激光加热表面淬火对零件的尺寸、大小及表面都没有严格的限制；（5）工艺周期短

17、，生产重复性好，质量稳定可靠。激光加工设备多配备数控系统，操作简单，便于实现自动化生产，有效地确保了激光加工的精确度和稳定性；（6）清洁的工艺。激光表面淬火为自激淬火过程，不需要水或油等冷却介质，有利于环境保护。并且激光淬火后的材料表面清洁，基本上不需要修磨处理，可以作为零件精加工的最后一道工序。激光表面淬火是一种局部的表面处理方法，与其他一些表面处理方法和常规处理方法比较，有其独特的优点，它所包含的内容是丰富的，应用前景也是广阔的。但是激光表面淬火的局限性也较明显，它只适用于一些需要局部表面硬化的工件，且淬硬层较浅，因而就有一个适于选择激光淬火工艺的工件范围，通常是对一些不要求整体硬化，尺寸

18、精度要求较高，或采用其他方法难以处理，以及形状复杂或需进一步提高硬度、耐磨性等性能的工件进行激光表面淬火处理。此外，若进行表面大面积激光淬火，需解决好扫描道次间搭接处的回火软化问题11。1.3.3激光表面淬火工艺(1)常用激光类型及其输出方式激光器是进行激光表面淬火最基本的设备。根据激光器中工作物质物态的不同，激光器可分为以下几大类：固体激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或在玻璃基质中构成发光中心而制成的。例如掺钕钇锆石榴石（yag）激光器；气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，包括原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器（例如co2激光

19、器）、准分子亦称受激分子（excimer）激光器等；液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；半导体激光器，以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用；自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束。目前表面淬火常用的激光器主要有气体激光器（co2激光器）和固体激光器（yag激光器）两类。激光的输出方式可分为连续输出和脉冲输出两种。连续式输出激光的激光器可独立控制的参数为激光输出功率p、光斑直径d和扫描速度v；脉冲式输出激光的激光器可独立控制的参数除前三者外还有

20、激光的脉宽和频率。此外，不同的激光输出模式，激光束的能量及分布状态也是不相同的12。激光输出模式有高斯模、低阶模和多模三种。其中高斯模又称为基模，它输出的能量集中，可以聚焦到很小的尺寸；低阶模的能量分布范围比高斯模宽，聚焦后仍可以获得较小的光斑尺寸。此两种输出模式主要用于焊接、切割和打孔；多模激光束的能量分布范围较宽，可以通过聚焦方式得到狭窄的光斑，常用于激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆及激光表面合金化上。(2)主要工艺参数及其相互作用激光表面淬火主要工艺参数包括激光功率、光斑尺寸及扫描速度。激光功率。激光功率决定能量的输出13，在其它参数一定的情况下进行表面淬火，当激光功率过小时，材

21、料表层难以发生相变，材料表面硬度几乎不变；当激光功率达到某一段数值时，被处理工件的表面硬度随功率的增加而上升，且几乎呈线性关系。当激光功率继续增大时，则可能发生材料表面熔化，使其硬度产生回落14，从而影响了激光淬火效果。因钢的化学成分及其表面状态不同，通常需结合具体的激光设备，由试验确定激光器的输出功率的大小。光斑尺寸。激光束通过聚焦形成一定形状及尺寸的光斑作用于工件表面，光斑的状况对表面淬火质量有重要影响。光斑的宽度即代表激光扫描的淬火带宽度，光斑的面积则决定激光与材料表面发生相互作用的面积。若光斑尺寸过大，将导致材料表面能量吸收不足，不利于金属发生相变硬化；反之，则易造成表面的熔化，同时不

22、利于材料表面大面积淬火处理的进行。扫描速度。激光扫描速度主要影响激光束对工件表面的照射（加热）时间15，当激光输出功率一定的条件下，激光束对工件表面的作用时间决定了激光对材料表面的能量输入，材料表面能够吸收而实现微观结构变化的能量与激光束的能量输入直接关联，即体现了激光束的扫描速度与材料表面吸收能量的紧密联系。但扫描速度不能过小，否则冷却速度过低，不利于晶粒细化，也不利于实现马氏体转变。然而上述三个主要工艺参数都不是孤立的，激光功率、光斑尺寸及扫描速度三者间有着紧密联系：激光功率密度表征的是激光束输出的能量，其由激光功率与光斑尺寸共同决定；扫描速度决定激光与材料的作用时间；激光功率密度与作用时

23、间共同影响材料表层对能量的吸收转化。激光表面淬火工件的质量受主要工艺参数综合条件的影响。激光淬火后工件表面的硬化层深度是判定淬火质量的重要指标之一，淬硬层深度h与主要工艺参数（输出功率p、光斑面积s和扫描速度v）间存在着特定的关系，其关系式表示为16：hpsv(3)激光扫描方式激光的扫描方式主要有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。窄带扫描所用激光的光斑直径（边长）一般不超过5毫米，表面的淬火硬化带宽度与光斑直径相近。对要求大面积表面淬火工件进行处理时，必须逐行地进行扫描，且各扫描带之间需保持一定的搭接量。这样，重叠部分将导致回火软化带的出现。回火软化带的宽度与光斑特性有关，一般均匀

24、矩形光斑产生的回火软化带较小。故表面大面积激光扫描淬火时，可采用矩形光斑扫描。此外，还可以采用宽带扫描技术。宽带扫描通常是将聚焦的圆光斑变成线光斑，使一次扫描宽度大为提高。正是为了减少回火软化带所产生的不良影响，科研人员发明了宽带扫描技术，一次扫描宽度提高的结果是减少了激光扫描的搭接次数，即减少回火软化带的产生。目前，获得线光斑的技术主要包括采用柱面镜、二元光学器件和振荡聚集光束等。宽带扫描的宽度可达十几毫米，有效地减少了软化带的不良影响。(4)质量控制因素激光相变硬化过程是一个错综复杂的快速加热快速冷却的淬火过程。激光淬火硬化层的尺寸参数（硬化层宽度、硬化层深度、表面粗糙度）和性能参数（显微

25、硬度、耐磨性、组织变化）取决于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、扫描速度、材料的性质（成分、原始状态）和材料的表面预处理特性等，同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光束扫描区域的热力学性质有关17。激光扫描工艺参数及扫描方式对工件内的温度场分布具有决定性影响，是控制相变硬化质量的关键因素。工艺参数选择是否合理将直接关系到激光相变硬化质量的好坏，而激光扫描工艺与参数的优化则是改善激光相变硬化质量的重要途径，也对提高加工效率具有积极意义。除了前文介绍的激光淬火的主要参数外，还有其他因素对质量控制发挥很大作用，这些质量影响因素如下所示：材料因素。工件的材质决定了其性能参数，如导热系数、比热容、

26、相变临界温度、熔点等。这些参数对激光束与工件相互作用产生的热效应和温度场具有重要影响，从而最终影响到相变硬化层的力学、组织、性能及几何形貌等各项的质量指标；材料成分是通过材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度的。钢的淬透性越好，相同激光淬火工艺参数条件下淬硬层的深度要比含碳量相同的碳素钢要深。一般来说，随着钢中的含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬火硬化层的显微硬度也就越高18，并且钢中马氏体的组织、形态也与碳及合金元素含量密切相关19；工件形状与结构将影响激光束扫描下工件内部的导热状态和温度场分布，工件尺寸尤其是厚度也将对硬化层的质量产生一定影响。表面预处理状态。材料的表面

27、状况主要影响它对激光能量的吸收率，表面“黑化”处理的目的是为了提高工件表面对激光束的吸收率。激光照射到材料表面的能量，被表面吸收后才能通过热传导向内部传输，这是激光热处理的前提20。由于大多数金属都有良好的导热性能，但光亮的金属表面对波长为10.6m的co2激光反射率都很高，一般可达80%90%21，这是利用高能量密度激光作为热源，对金属材料进行激光热处理的一大障碍。故在激光热处理前，必须对零部件进行表面预处理，以提高对co2激光器产生的激光辐射能量的吸收能力。主要有下述方法：1）通过磷化处理在工件表面形成一层灰黑的磷酸盐膜；2）刷黑漆；3）涂石墨加氧化物；4）涂sio2型涂料，即一种以为si

28、o2骨料的可喷涂涂料。工程上通常采用磷化法和涂敷法。保护气氛。在激光扫描过程中的选择合适的保护气体及适当的气压，对保证激光淬火质量也有一定贡献。首先气体能够保护镜头，防止镜头污染而引起的激光光束质量下降；其次定向吹送的气体能促进淬火工件表面的散热及表面法线方向上的热传导，从而影响淬火硬化层深度以及硬化层的形貌；最后还能保护淬火表面，减少表面脱碳倾向及氧化的发生率。搭接系数。当工件进行激光表面淬火的面积较宽时，需采用扫描带搭接方式处理。激光表面淬火是通过一定宽度的能量束在工件表面逐行扫描实现的，当工件需要淬火的表面积较宽时，一条扫描带不足以对整个需强化的表面淬火，需两条或两条以上扫描带搭接在一起

29、才能将所需要淬火面积覆盖。但是每两条扫描带之间的搭接量对硬化层的质量有较大影响，一方面后一扫描带的热影响区将会对前一道淬火层产生回火作用，致使两条扫描带之间出现硬度下降的软化带；另一方面，由于激光束能量分布及自激淬火冷却状态的影响，在横截面上，硬化区域总是呈现出外大内小的半椭圆形状。因此，必须充分考虑两条扫描带搭接率（即搭接系数）的影响。搭接量小，硬化后底部的平整性差，搭接量太大又会造成软化带的面积增加，影响面上硬度的均匀性。一般认为搭接系数定为5%20%范围为宜。1.3.4激光淬火技术发展展望激光表面淬火最突出的特点就在于不需对工件作整体处理，而只对局部需耐磨部位的表面进行淬火硬化，复杂结构

30、的部件和难于接触而不能实现硬化的表面如内孔表面，也可以通过激光处理实现硬化。可进行激光相变硬化的零部件按形状分为平面类、圆环类、套筒类和轴类。按材料可分为黑色金属与有色金属，如硬化工具钢、高速钢、结构钢，包括那些含铬和锰的钢种、低碳钢（碳含量甚至低于0.2%）、中碳钢、合金钢、装甲板钢、耐腐蚀钢、轴承钢及铸铁等。体和缸套、机床离合器、机床加工刀盘、纺织机械、成形刀具、阀门、阀座、模具、锯齿等多种机器零部件的局部硬化处理。在车辆制造工业，世界各大汽车公司对激光表面淬火的应用相对而言显得非常普通。对于要求一次激光扫描完成的高精度量具块规的处理，可以应用宽带均匀硬化技术。其技术构成包括千瓦级co2激

31、光器、宽带扫描组合镜和淬火工作台。激光处理后的块规测量面的硬度均匀，且不低于hv1000，硬化层深度大于0.25mm。使块规的尺寸稳定性和测量面的耐蚀和耐磨性均有提高，而且该工艺过程简单、便于实现生产自动化。总的说来，激光相变硬化提高硬度的效果强于常规方法的硬化程度，并会形成有益的压应力而提高静态强度和疲劳强度；提高冲击强度和塑性、耐腐蚀性和耐磨损性能。1.4激光表面合金化所谓激光表面合金化，就是一种利用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在表面获得合金层的方法。这种合金层与机体表面有很强的结合力，既改变了材料表面的化学成分，又改变了表面的结构和物理状态，故可使廉价的基体材料获得良好的表

32、面性能，以达到表面改性的目的。1.4.1激光表面合金化技术的工艺特点激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。激光表面合金化工艺的最大特点是只在熔化区和很小的热影响区内发生了成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，所引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内，因此所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也不敏感。激光表面合金化的另一显著特点是所用的激光功率密度很高（104108w/cm2）。熔化深度是激光功率和照射时间来控制，在

33、基体金属表面可形成深度为0.012mm的合金层。同时由于冷却速度高，偏析极小，并且细化晶粒效果显著。利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能，从而可以取代昂贵的整体合金；并可改善不锈钢，铝合金，表面金属玻璃等。激光表面合金化作为一种新型的表面改性技术，它可以显著提高金属材料表面的抗腐蚀和耐磨损性能，与传统表面改性技术相比，激光表面合金化具有突出的优点。（1）激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播。（2）是一种快速处理方法，能有效利用能量。（3）能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧硬化与等离子喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热

34、冲击，造成变形和开裂，往往需要校直和打磨加工。（4）能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。基于上述特点，激光表面合金化在金属加工工业中逐渐开始获得各种应用。迄今适合于激光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钛合金和铝合金，合金化元素包括cr、ni、w、ti、mn、b、v、co、mo等。1.4.2激光表面合金化工艺制定的一般原则为达到激光表面合金化预期的目的和实际生产的需要,在研究中普遍遵循如下原则23 ：(1)必须考虑到合金化元素或化合物与基体金属熔体间相互作用的特性；(2)必须考虑在合金化区形成物的相对合金化强化效果的影响；

35、(3)必须考虑表面合金层与基体间呈冶金结合的牢固性，以及合金层的脆性、抗压、耐弯曲等性能。1.4.3激光合金化工艺方法 制定激光合金化工艺包括合金化成份的选配、合金粉末添加方式的制定及合金化层质量控制三个主要方面。(1)基体与合金化组元的选择。 为满足激光合金化工艺制定原则的要求，基体材料的选择多数是铁基合金和有色金属，此外，半导体与金属薄膜的合金化也是一个重要的应用领域。铁基材料中包括普通碳钢、合金钢、高速钢、不锈钢及各类铸铁，有色金属材料主要包括a1、ti、cu、ni及其合金等。在合金化组元的选择上，既有cr、ni、w、ti、co、mo等金属元素，也有c、n、b、si等非金属元素，以及碳化

36、物、氧化物、氮化物等难熔质点。(2)合金化中粉末添加方式的制定。为实现合金化，向激光熔池中添加金属粉末或强化第二相粒子的方法主要有两种，分别是“预先沉积法”和“同时沉积法”。预先沉积法即在激光处理前将合金化材料预置于基材表面的方法，是当前合金化工艺中较普遍采用的方法。此法要求沉积膜具有洁净的衬底薄膜界面和光洁的表面，较薄的预置膜通常可采用气相沉积、真空溅射、离子注入等方法制得，而较厚的预置膜，可采用电镀、喷涂、轧制、扩散、预涂合金粉末或膜片等方法制得。同时沉积法是在激光熔化基材表面的同时向熔池中喷入合金粉末或注入金属丝，以实现表面的合金化。由于自动送粉具有易于实现自动化，可得到良好的表面合金层

37、质量及提高粉末利用率的优点，近几年来国内外一些专家正在热心研制各种类型的自动送粉装置，以不断完善同时沉积法。(3)合金化层质量的控制激光表面合金化层质量的控制主要包括合金化层中合金元索含量(合金化程度)的控制以及合金化层裂纹和表面不平整度的控制等。试验表明，为达到激光合金化，在相应的光束作用时间内，激光功率密度应在lo4w/cm2-107 w/cm2，通常，减小作用时问和功率密度，可导致合金化区域中合金化元素含量的相对减少。此外，粉末预涂层厚度也是一个重要因素，一般说来，随着粉末涂敷层厚度的增加，合金化区域中合金元素的浓度增大，但预涂层过薄或过厚，都达不到合金化的目的。1.4.4激光表面合金化

38、涂层的组织与性能激光合表面和金化时，其最终组织特征与激光表面合金化工艺条件有关，即与激光功率密度、扫描速度、合金粉末层的组分及其厚度等因素有关。它们决定了激光熔池之中的温度梯度、冷却梯度；而激光合金化的基材、合金元素类型以及合金浓度则决定了激光合金熔池的凝固速度。一般说来，冷却速度越大，凝固组织越细小。激光表面合金化时，其冷却速度为105108/s。因此，与常规凝固组织相比，激光表面合金化组织总是细小的。根据成分过冷理论，熔体过冷程度的不同会使激光合金化后的凝固组织出现不同特征。已有大量的实验结果表明，激光合金化后的凝固组织有以下五种形态：（1）平面晶；（2）胞状晶；（3）胞状树枝晶；（4）树

39、枝晶；（5）等轴枝晶。以上五种不同的结晶形态主要取决于激光合金熔池中的溶质浓度、晶体长大速度和凝固前沿的温度梯度的综合作用结果。当前，激光表面合金化主要用于提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，应用较为广泛。1.4.5激光表面合金化涂层性能（1）耐磨性目前，激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末(如sic、wc、tic等)，或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性 。预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐磨性的工艺目前应用较广泛。蒋平24利用预涂sic粉的方法对ti一6al一4v合金进行激光合金化实验，制得

40、tic和金属间化合物ti5si3。为增强相的复合材料表面改性层，合金化涂层硬度在二体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。原位生成硬质合金相或者是金属间化合物也是提高合金化涂层硬度的一种好方法，hcman25-26 预涂niti粉末对aa6061合金进行激光表面合金化，优化工艺条件得到了无裂纹和气孔的合金化涂层，其主要组成相为tial3和ni3a1。合金化涂层硬度大于350 hv，明显高于基体硬度，合金化涂层耐磨性是基体的5.5倍。激光合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以提高合金化涂层的硬度和耐磨性，ahussain首次采用850w cw co2。激光器对aisi 1010低碳钢电镀

41、10 u m镍进行激光表面合金化，合金化涂层微观组织均匀且无裂纹，合金化涂层含镍5时，硬度为基体的3倍，原因是由于快速冷却，合金化涂层中出现马氏体组织。2耐蚀性通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性，是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支。例如，在ti基体表面上先沉积15nm的pb膜，再进行激光处理，形成几百纳米深的pb的摩尔分数为4的表面合金层，具有较高的耐蚀性。muthukanann duraiselvam等对ti一6al一4v添加nititic开展激光表面合金化研究，所得到的合金化涂层致密，几乎无裂纹。腐蚀实验显示，合金化涂层耐蚀性相对基体增加1.2-1.8倍。耐磨性的增加主要是合金化

42、涂层中金属间化合物贡献的。1.4.6激光合金化的前景作为目前最具发展潜力和竞争力的先进表面改进技术之一，激光合金化已初步显示出了其优越性，并日益受到重视。但其真正应用于大规模工业生产尚有许多问题有待解决，其一是经济上的竞争力，即价格与成本；其二是技术本身尚未完善，即技术上的可行性。近几年来，许多国家和地区加大了对激光表面合金化研究的力度，该技术具有十分广阔的应用前景。1.5本课题研究的技术目标及主要内容1.5.1技术目标掌握液压油缸和活塞杆的激光淬火和激光合金化工艺，建立工艺参数与表层组织及性能相关性。1.5.2 主要内容（1）研究不同激光淬火工艺对油缸和活塞杆表层组织和硬度的影响规律；（2）

43、研究不同激光合金化工艺对油缸和活塞杆表层组织和硬度的影响规律；（3）激光合金化表层的耐腐蚀性评价。 2试验方案通过对实验内容的分析，我们制定了以下试验路线图：图2-1试验路线图2.1.试验材料长100x宽100x厚10（单位mm）的45钢若干，要去除其表面的不平整及污垢。 2.2表面涂料分别对每个不同加工工艺的的样品涂覆不同种类的涂料，其中，淬火用的是专门的激光淬火涂料，合金化用的是302涂料。待涂料涂上之后，保温两个小时，以确保其与样品有比较紧密的结合。2.3实验设备 图2-2华中激光的hgl-hl7000连续co2激光器2.4试验内容进行试验时，激光的光斑直径 为3mm，分别在1.0kw

44、,1.5kw,2.0kw,2.5kw功率与240mm/min, 300mm/min,360mm/min,600mm/min扫描速率下进行单道与搭接的扫描，搭接宽度为1mm。2.5分析手段试样处理完成后，切取横截面样块，经研磨、抛光和腐蚀制成金相试样。制作金相试样的过程中使用了xq-1型金相镶嵌机、kq2200b型超声波清洗器、p-2型金相试样抛光机和240、400、600、800、1000和1200目砂纸。制样完成后进行以下测试：（1）利用爱国者数码王ge-5进行层深与层宽的测定；（2）利用显微硬度计dhv-1000进行 硬度的测试；（3）利用电化学工作站进行极化曲线的测定，从而对其耐腐蚀性作

45、出评定；（4）用金相显微镜观察试样横截面的显微组织；。（5）采用sirion200型环境扫描电镜对实验样品微观组织形貌进行观察3试验结果与分析3.1激光淬火以及激光合金化后工件的形貌评价表面形貌直接影响着工件的表面性能与后续加工，因此，我们对激光淬火和激光合金化后样品的表面形貌进行了总体评价。3.1.1激光合金化后的表面形貌a6a4a2a7a5a3a1a13a11a9a12a10a8图 3-1合金化后整体形貌表3-1激光合金化后表面整体形貌评价a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12a13功率(kw)2221.51.51.52.511.5211.52速率(mm/min)24030

46、0360240300360300300300300600600600整体评价差 良良良优优良优优良优优优由图3-1看出，进行激光合金化后除功率2kw，扫描速度240mm/min外，基材表面形貌良好，无明显裂纹，空隙等出现。3.1.2淬火b6b4b5b33b2b1b11b12b9b10b8b7图 3-2淬火后整体形貌表3-2激光淬火后表面整体形貌评价b1b2b3b4b5b6b7b8b9b10b11b12功率(kw)2221.51.51.511.5211.52速率(mm/min)240300360240300360300300300600600600整体评级 差良优良优优优优优良良良由图3-2看出

47、，在进行激光淬火后，除功率2kw，扫描速度240mm/min外基材表面整体形貌良好，没有明显的裂纹空洞等出现。由此可见，在进行激光淬火和激光合金化时，在功率密度较小的情况下，可以得到优良的表面质量。3.1.3激光合金化层的微观组织a.合金化区 b.热影响区c.过渡区组织图3-3 激光合金化区的微观组织图3-3是得到的环扫照片，由图可知，材料表面进行激光合金化后，从表面到基体，可以分为3个区域，依次是：合金化区（图3-3-a），热影响区（3-3-b）和过渡区（3-3-c）。合金化区的组织为胞状枝晶，热影响区为板条状马氏体与片状马氏体的混合组织，过渡区则一般是由马氏体与铁素体，珠光体的混合物组成。

48、3.2不同工艺对激光淬火及激光合金化后层深及层宽的影响层深及层宽直接影响着激光淬火及激光合金化后工件进行再加工的精度，因此，我们对层深和层宽进行了深入分析。3.2.1层深层宽的测量利用爱国者数码王ge-5分别测量不同工艺参数下单道的层深和层宽以及搭接的层深，具体如图3-4所示：（a）搭接的测量（b）单道的测量图3-4层深层宽的测量3.2.2测量结果与分析(1)激光合金化后的层深与层宽a.层深表3-3不同工艺参数下的单道层深（单位：m） 速率功率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/11417631.5kw1234117411312kw129812131153表3-4不同

49、工艺下的搭接层深（单位：m） 功率速率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/10987231.5kw1203119011042kw124312261132(a)300mm/min功率下不同功率对层深的影响(b)1.5kw功率下不同扫描速率对层深的影响图3-5不同合金化工艺的层深由图3-5可知，扫描速率相同时，随着功率的增加，单道与搭接的层深将会增加；而当功率相同时，随着扫描速率的增加，层深将会减小。形成上述结果的原因是：扫描速率和功率是影响功率密度的两个重要参数，扫描速度的减少以及功率的增加，都会使功率密度增加，从而材料表面在单位时间内单位面积内的所吸收的能量增大，故层

50、深将增加。反之亦然。表3-5：不同工艺下的单道层宽（单位：m）：速率功率240mm/min300mm/min600mm/min1kw/304126511.5kw3395326328432kw355435013010(a)300mm/下不同功率对层宽的影响(b) 1.5kw功率下不同扫描速率对层宽的影响图3-6不同合金化工艺下的层宽由图3-6可知，层宽随功率及扫描速率的变化规律与层深的相同：随着功率的增加，层宽将会增加；而当功率相同时，随着扫描速率的增加，层宽将会减小。形成上述结果的原因是因为：功率密度的增加，不仅会使材料表面在单位时间内单位面积内的所吸收的能量增大，使得层深增加，由于材料表面导

51、热的存在，使得受热面积增大，故层宽增加。（2）激光淬火后的层深与层宽a.层深表3-6：不同工艺参数下的单道层深（单位：m）速率功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/1018/10011.5kw11741163/10392kw122011851060/表3-7：不同工艺参数下的搭接层深（单位：m）速率功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/1102/9581.5kw11561120/10222kw12181170989/(a) 300mm/min下不同功率对层深的影响(b) 1.5kw功率下不同扫描速率对层

52、深的影响图3-7不同淬火工艺下的层深表3-8：不同工艺下的单道层宽（单位：m） 速度功率240mm/min300mm/min360mm/min600mm/min1kw/3237/30891.5kw34133377/33442kw365234423345/(a) 300mm/min下不同功率对层宽的影响(b) 1.5kw功率下不同扫描速率对层宽的影响图3-8不同淬火工艺下的层宽由图3-7与3-8可知，淬火下层深与层宽随着功率和扫描速率的变化趋势与合金化的基本相同。随着功率的增加，层宽将会增加；而当功率相同时，随着扫描速率的增加，层宽将会减小。形成上述结果的原因是因为：功率密度的增加，不仅会使材料

53、表面在单位时间内单位面积内的所吸收的能量增大，使得层深增加，由于材料表面导热的存在，使得受热面积增大，故层宽增加。3.3激光淬火及激光合金化后的硬度分布工件表面的硬度与其耐磨性有直接关系，掌握激光淬火及激光合金化后的硬度分布，对于工件的设计加工有重要意义。3.3.1硬度的测试利用显微硬度计dhv-1000对不同工艺参数下的单道区以及搭接区进行硬度的测试，测试面为截面，从最外层开始，每隔0.05mm测一个硬度，并做出硬度曲线。3.3.2数据结果分析(1)激光合金化(a)1.5kw下不同扫描速度对硬度的影响(b)300mm/min下不同功率对硬度的影响(c)1.5kw，300mm/min下单道与搭

54、接的硬度对比图3-9不同合金化工艺下的硬度曲线由图3-9可知，经过激光合金化后，材料表面的硬度将有所升高，最高硬度可达650hrv，比基体（约200hrv）提高了3倍，且在相同功率下，硬度随着扫描速度的加快而降低；在扫描速率相同时，硬度则随功率的增加而升高。对比扫描速率与功率都相同时单道与搭接的硬度曲线可知，单道的硬度比搭接的略大。形成上述结果是由以下几个方面引起的：图3-9与表3-8显示了在合金化区域的能谱分析结果，则可知合金区中由于含有cr，mn等合金元素，能够与熔化凝固过程中能够与c形成难溶的碳化物，这些难容的碳化物一般为硬脆相，产生弥散强化，而热影响区的组织为板条状马氏体，为高密度位错

55、结构，硬度较基体的高。(a) (b)图3-10合金化区的能谱扫描表3-9合金化区的元素组成elementwt%at%mgk00.3800.88alk00.3700.77sik00.7701.54crk00.8300.89mnk00.9500.97fek94.1094.16a.1.5kw，300mm/min单道热影响区 b.1.5kw，300mm/min搭接区 c. 2.0kw，300mm/min单道热影响区 d.2.0kw，300mm/min搭接区图3-11激光合金化的金相组织图3-11显示了在1000倍下的金相组织，其中a，b同为功率1.5kw，扫描速率300mm/min下的金相组织，a为单道的热影响区，b为搭接区域；c，d同为功率2kw，扫描速率300m