激光表面合金化

激光表面合金化，是利用高能密度的激光束快速加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。

激光表面合金化，是激光束與材料表面互相作用，使材料表面發(fā)生物理冶金和化學(xué)變化，達(dá)到表面強(qiáng)化的方法。該技術(shù)的特點(diǎn)是:一能在材料表面進(jìn)行各種合金元素的合金化，改善材料表面的性能;二能在零件需要強(qiáng)化部部位進(jìn)行局部處理。所以對(duì)節(jié)能、節(jié)材，提高產(chǎn)品零件的使用壽命具有重大的意義。

近一二十年來，許多國(guó)家和地區(qū)投入了大量的人力與物力進(jìn)行了此項(xiàng)目的研究。在基材方面，除研究了多種黑色金屬外，還研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重點(diǎn)有如下四個(gè)方面。

1)工藝研究。包括工藝方法、合金元素和工藝參數(shù)(激光光斑形狀與尺寸、功率、掃描速度)的選配等研究工作。

2)理論分析。激光表面合金化的傳熱、傳熱數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

3)合會(huì)層的組織與性能研究。重點(diǎn)側(cè)重于耐磨性循研究。有的也進(jìn)行了耐腐蝕及抗氧化的研究。

4)應(yīng)用研究。如在排氣閥門、閥座、高速鋼刀具及汽車活塞等零件上的應(yīng)用。

1.合金層硬度

以WC/Co為添加粉末合金化后，主要獲得M6C型碳化物，硬度約為1300HV，由于碳化物量很流，呈細(xì)網(wǎng)格分布，基體又為馬氏體組織，所以表面硬度達(dá)1000HV以上。

Cr3C2合金化以后，組織特征為基體上分布分布著網(wǎng)狀碳化物，析出的碳化物為M7C3型，這種碳化物硬度高達(dá)2100HV，由于合金碳化物在基體中分布較稀。故表層硬度也只有1000HV左右。

在WC/Co中加入Ni粉以后，合金層中碳化物類型并不發(fā)生變化，但基體中出現(xiàn)奧氏體。Ni的加入量越多，奧氏體量越高。硬度也隨著下降。激光表面合金化，可以根據(jù)合金化成分構(gòu)控制，得到高硬度的合金層。

2. 激光表商合金化的磨損性能

靜載滑動(dòng)磨損時(shí)，在單束斑掃描條件下，以WC/Co合金化時(shí)的耐磨性比45鋼(淬火態(tài))，提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。寬帶掃描時(shí)，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。

在沖擊磨損條件下，合金化后材料的耐磨性也有很大的提高。WC/Co合金層的耐磨性相當(dāng)于45鋼(淬火態(tài))的6倍。在C/Co中加入Ti20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和TiC30%后，耐磨性也分別提高3仿與5倍。

激光表面合金化的強(qiáng)化機(jī)制，是相變硬化、固溶強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化的綜合強(qiáng)化結(jié)果。WC/Co合金化后基體為馬氏體，M6C型碳化物的硬度為1300HV左右，在磨損時(shí)，將首先選擇性磨損馬氏體基體，碳化物漸漸露出磨面，由于碳化物網(wǎng)的支撐作用，所以合金化展表現(xiàn)出極高的耐磨性。

在Cr3C2/Ni-Cr的合金化層中，基材含有較多奧氏體;硬度較低(600~800HV)。在磨損時(shí)，基體磨損很快，但一顯露出網(wǎng)狀碳化物后，因其碳化物M7C3硬度很高(2100HV)，就起了很好的支撐作用。呈現(xiàn)了較好的耐磨性。

激光表面合金化的強(qiáng)化，應(yīng)是相變硬化、固溶強(qiáng)化和碳化物第二相強(qiáng)化的綜合效果。而合金層能獲得超出基體材料的硬度及大幅度提高耐磨性，主要是碳化物第二相強(qiáng)化的結(jié)果，所以在以耐磨性為目的的合金化研究中、碳化物第二相強(qiáng)化是最主要的強(qiáng)化機(jī)制。

北京機(jī)床研究所張魁武等人，用復(fù)合合金粉末激光合金化處理的45鋼基無(wú)心磨床托板，在生產(chǎn)車間使用，比原來CrWMn鋼淬火的托板壽命提高3~4倍。

重慶大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等單位采用激光表面合金化工藝，用于電地沖棒、無(wú)縫鋼管穿孔頂頭及泥漿泵葉輪等零件的處理，都取得了很好的效果。北京機(jī)電研究所曾對(duì)拖拉機(jī)換向撥叉、螺母攻絲機(jī)料道、軸承擴(kuò)孔模、沖材模、電廠排粉機(jī)葉片及鋁活塞等零件上的應(yīng)用研究，都取得了很好的效果。撥叉，料道使用壽命提高10倍以上。沖材模、排粉機(jī)葉片使用壽命提高2~3倍。激光表面合金化用于鋁活塞環(huán)槽強(qiáng)化，經(jīng)裝車試驗(yàn)，運(yùn)行14.2萬(wàn)km以后拆檢結(jié)果，頭道環(huán)槽的側(cè)隙僅為0.11mm，如果減去0.04~0.05mm的原始側(cè)隙，則環(huán)槽最大磨損量?jī)H有0.07mm。所以激光表面合金化用于鋁合金的強(qiáng)化是十分有效的。