激光-激光熔覆技术1

激光熔覆技术简介激光熔覆技术兴起于20世纪80年代，它是利用具有高能度具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基材相互熔合，形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。激光熔覆的作用不仅仅是:提高材料表面层的性能,而是赋予它新的性能,并降低制造成本和能耗，节约有限的战略金属元素。由于激光熔覆技术在激光熔覆理论、

物理数学模型，合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究,设备自动化、柔性化、熔覆过程监控，专用功能部件研制以及生产应用等方面取得了重要进展。因此，激光熔覆技术不仅引起西方各国的注意，同时也受到了国内的广泛重视，被广泛地应用于航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械、工模具和轻工业等领域。比如以这样的一个实验为例说明激光熔覆技术的应用。40Cr钢表面激光熔覆层的磨损性能为了研究模具钢熔覆层的磨损性能，采用铁基粉在40Cr钢表面进行激光熔覆，以激光熔覆层为上试样，GCr15钢珠为下试样，采用HT—500磨损试验机进行摩擦磨损实验，并与40Cr基体的磨损性能相对比，利用表面形貌仪测量磨痕深度和宽度。实验材料与实验方法基体材料为40Cr，正火态，试样制成直径50mm、高10mm的圆盘；对磨材料为GCr15，由于铁基合金粉末与40Cr钢具有较好的相容性，激光熔覆材料采用铁基合金粉末。采用LWS—300WC系列脉冲Nd；YAG激光器，激光工艺参数见下表1。基材表面用砂轮打磨平整，使之有一定的粗糙度，以利于与铁基合金相结合。在基材表面预涂上一层铁基粉末，激光熔覆处理后再采用接塔的方法扩大熔覆的面积，制备成大约宽20mm、长40mm的熔覆层。对熔覆层表面进行精磨、抛光处理。采用WYKONT1100型光学表面轮廓仪测量磨痕的深度和宽度,每点间隔3微米，测量数据点数根据磨痕宽度随机生成。在计算机上使用OriginPro软件完成磨痕断面曲线的精确还原,再与初始表面拟合，最终利用OriginPro编程计算出径向磨痕宽度和深度，并以磨痕宽度和深度作为磨损量的评定标准，以摩擦系数的大小作为摩擦力大小的标志。本试验以进入正常磨损后至结束前(10min)的数据列出摩擦系数的变化范围和摩擦系数的平均值。磨损试样机示意图激光熔覆工艺参数的优化在激光熔覆层磨损性能的研究中，熔覆层的制备是非常关键的一环，激光输出一定要稳定，光斑能量分布要均匀，本试验预涂粉末高度约1mm、宽度约2mm，经过反复试验获得激光熔覆的各项工艺参数设置如表1。熔覆层示意图如图2，其结构细致、紧密。如参数设置不当，例如粉末高度太高或扫描速度太快则极易在表面发生裂纹、孔洞等缺陷，下图所示为产生的气孔。磨损性能以GCr15钢珠和40Cr钢表面熔覆层为配副的磨损试验结果见表3。不同载荷下摩擦系数随时间变化的曲线图见图4。图4(a)表示的是进入正常磨损期最后10min摩擦系数的变化规律。在相同的磨损时间内，载荷变化范围100~300g。随着载荷的增加，摩擦系数逐渐降低，磨损后期摩擦系数平均值由1.754降低到0.444,降低了74.7%，摩擦力的平均值由1.754N降低到1.332N，降低了24%。图4(a)还表明：除100g载荷之外，随着磨损时间的增加，摩擦系数均呈现下降的趋势，而且当载荷为300g时，摩擦系数下降的幅度最大，磨损过程非常平稳。当继续增加载荷，摩擦系数随时间的延长发生显著的变化。从图4(b)可见：当载荷为400g,磨损时间超过35min后，摩擦系数随磨损时间的增加而逐渐增大，呈现上升的趋势；当载荷增加到500g时，摩擦系数较大，比300g时的摩擦系数增加了75%,而平均摩擦力约为原来的2.9倍；当时间达到40min后才进入稳定磨合期；当接近60min时，摩擦系数急剧变化，表明磨损过程已进入严重磨损阶段，整个磨损过程不平稳。经过激光熔覆之后300g载荷时的磨痕深度为1.096微米,而500g时的磨痕深度已达52.706微米，增加了47倍，宽度增加了45.4%。300g和500g载荷下的磨痕形貌曲线经过表面轮廓仪测量分别如图5(a)、(b)所示。300g载荷时由于摩擦系数小，产生了较轻的磨损，其磨痕形貌不规则。而500g载荷下磨痕形貌比较规则，呈现类似抛物线形状。讨论与分析激光熔覆是一种快速熔化、扩展和凝固的过程。以铁基合金粉末为熔覆材料的强化层显微组织特征是以细小的共晶莱氏体为基底，上面分布着先共晶渗碳体,是一种凝固组织，其强化层中不仅含有大量的合金渗碳体，而且还有马氏体、残余奥氏体和原位析出的颗粒。40Cr基体的表面磨损试验，其进入磨合期最后10min的图形如下图所示。载荷小于250g时，相同载荷下，基体的摩擦系数小，这是由于正火态下的40Cr钢正火组织具有较好强度和硬度，具有较好的耐磨性能。在进行激光熔覆之后，由于残余奥氏体影响抗磨损能力，在低应力磨损下，残余奥氏体没有显著的加工硬化，耐磨损性能较低，故载荷低于250g时，

残余奥氏体使得磨损性能下降，摩擦系数反而较基体的大；在高应力磨损下，应力诱发奥氏体向马氏体转化，残余奥氏体因能显著加工硬化而改善耐磨性,故载荷为300g时,熔覆层的摩擦系数变得最小，且过程平稳，表现了很好的耐磨性。而基体在300g载荷时的摩擦系数有稍微上升趋势，略大于熔覆层时的摩擦系数。当载荷为400g的时候，经过35min的磨损，

熔覆层的摩擦系数逐渐升高，耐磨性能下降。因此熔覆层比基体更有利的磨损载荷范围是300g。当载荷达到500