激光-激光熔覆技術1講解

1、激光熔覆技術興起于20世紀80年代， 它是利用具有高能度具有高能密度的激 光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體 材料表面與基材相互熔合，形成與基體 成分和性能完全不同的合金熔覆層。激 光熔覆的作用不僅僅是：提高材料表面 層的性能，而是賦予它新的性能，并降低 制造成本和能耗，節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬 元素。由于激蕪熔覆牧求虛激先熔覆理論、 湯理裁芳$ 議盤，合金材料、工藝碁如、涂雇組段柑滋斫窕， 殺備囪M祀、柔世祀、熔覆過程曲控.專用功滋那 件可制及笙產疹用著方面取得了童要al晨。因此， 激先熔覆枚*耒僅引起訪方各國的渡噫，同時也妥 到了國內的廣泛頑視，彼廣迫地盜用于航夭.汽車、 石油.祀工.治僉、電力

2、.機械.工樓具和経工址 劣領域。比屜這祥的一個實驗簽例說明激蕪熔覆 墳*的盜用。為了研究模具鋼熔覆層的磨損性能， 采用鐵基粉在406鋼表面進行激光熔 覆，以激光熔覆層為上試樣，GCrl5 鋼珠為下試樣，采用HT-500磨損試 驗機進行摩擦磨損實驗，并與400基 體的磨損性能相對比，利用表面形貌 儀測量磨痕深度和寬度。實唸材料與賣殮方去W基體材料為406,正火態(tài)，試樣制成直徑 50mm.高10mm的圓盤；對磨材料為GCrl5, 由于鐵基合金粉末與400鋼具有較好的相容性, 激光熔覆材料采用鐵基合金粉末。采用LWS-300WC系列脈沖Nd； YAG激光器， 激光工藝參數(shù)見下表1?；谋砻嬗蒙拜喆蚰?/p>

3、 平整，使之有一定的粗糙度，以利于與鐵基合 金相結合。在基材表面預涂上一層鐵基粉末， 激光熔覆處理后再采用接塔的方法擴大熔覆的 面積,制備成人玄勺寬20mm長40mm的熔覆 層。對熔覆層表面進行精磨、拋光處理。Table 1 User cladding piw 對哼 pu rame tenlg speedd)beam diameler/mmprep laced ihickn/mmpulse w idth/msfreqii/H430.7- 1.5?5J J2(Ill-500型高溫摩擦磨損試驗機，設備示意圖見圖h磨損試驗參數(shù)見i實現(xiàn)室溫到500C條件下的摩援磨損性能的測試。本試驗是將甌構加上試驗所

4、需載荷侗時驅動樣品盤上的摩援試塊轉動，使其與滋度、摩擦系數(shù)等數(shù)據并進行即時圖形顯示和數(shù)據存儲。IIITable 2 Parameters of ah listrotation radius temperature timejriuriiij lime steady state)minroom1030/min采用WYKO NT 1100型光學表面輪廓儀測量 磨痕的深度和寬度，每點間隔3微米，測量 數(shù)據點數(shù)根據磨痕寬度隨機生成。在計算 機上使用O riginPro 件完成磨痕斷面曲線 的精確還原，再與初始表面擬合，最終利用 OriginPro編程計算出徑向磨痕寬度和深度， 并以磨痕寬度和深度作為磨

5、損量的評定標 準，以摩擦系數(shù)的大小作為摩擦力大小的 標志。本試驗以進入正常磨損后至結束前 (10 min)的數(shù)據列出摩擦系數(shù)的變化范圍和 摩擦系數(shù)的平均值。磨損試樣機示意圖*在激光熔覆層磨損性能的研究中，熔覆層 的制備是非常關鍵的一環(huán)，激光輸出一定 要穩(wěn)定，光斑能量分布要均勻，本試驗預 涂粉末高度約1 mm、寬度約2 mm,經過反 復試驗獲得激光熔覆的各項工藝參數(shù)設置 如表1。熔覆層示意圖如圖2,其結構細致 緊密。如參數(shù)設置不當，例如粉末高度太 高或掃描速度太快則極易在表面發(fā)生裂紋 孔洞等缺陷，下圖所示為產生的氣孔。以GCrl5鋼珠和400 鋼表面熔覆層為配副的 磨損試驗結果見表3。不同載荷下

6、摩擦系數(shù)隨 時間變化的曲線圖見圖4。圖4G)表示的是進 入正常磨損期最后10 min摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。 在相同的磨損時間內，載荷變化范圍100300 2o隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，磨 賽后期摩擦系數(shù)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. 754 N降低到 1.332 N,降低了24%。圖4G)還表明:除100 g 我荷Z外匚隠缶磨損時間叫星加，庫擦縈毀拔 皇現(xiàn)下曉的趨男，而且當載fi300g時，摩擦 系數(shù)下降的幅度最大，磨損過程非常平穩(wěn)。當繼續(xù)增加載荷，摩擦系數(shù)隨時間的延長發(fā)生顯 著的變化。從圖4(b)可見：當載荷為400 g,磨損 時間超過3

7、5min后，摩擦系數(shù)隨磨損時間的增加 而逐漸增大，呈現(xiàn)上升的趨勢；當載荷增加到 500 g時，摩擦系數(shù)較大，比300 g時的摩擦系數(shù) 增加了75%,而平均摩擦力約為原來的2. 9倍；當 時間達到40 min后才進入穩(wěn)定磨合期；當接近60 min時，摩擦系數(shù)急劇變化，表明磨損過程已進 入嚴重磨損階段，整個磨損過程不平穩(wěn)。g -friction coefficientopf5* 蘭蘭g -friction coefificient經過激光熔覆之后300 g載荷時的磨 痕深度為1. 096微米，而500 g時的磨 痕深度已達52. 706微米，增加了47 倍，寬度增加了45. 4%o 300 g和

8、500 g載荷下的磨痕形貌曲線經過表 面輪廓儀測量分別如圖5(a)、(b)所 示。300 g載荷時由于摩擦系數(shù)小， 產生了較輕的磨損，其磨痕形貌不 規(guī)則。而500 g載荷下磨痕形貌比較 規(guī)則，呈現(xiàn)類似拋物線形狀。width/mm討論與分析0激光熔覆是一種快速熔化、擴展和凝固的 過程。以鐵基合金粉末為熔覆材料的強化 層顯微組織特征是以細小的共晶萊氏體為 基底，上面分布著先共晶滲碳體，是一種凝 固組織，其強化層中不僅含有大量的合金 滲碳體，而且還有馬氏體、殘余奧氏體和 療位析出的顆粒。40Cr基體的表面磨損試 驗，其進入磨合期最后lOmin的圖形如下圖 所示。159O58O75O2618-&QEV

9、O0 U0U.2O3 o O載荷小于250g時，相同載荷下，基體的摩擦系數(shù) 小，這是由于正火態(tài)下的400 鋼正火組織具有 較好強度和硬度，具有較好的耐磨性能。在進行 激光熔覆之后，由于殘余奧氏體影響抗磨損能力, 在低應力磨損下，殘余奧氏體沒有顯著的加工硬 化，耐磨損性能較低，故載荷低于250 g時，殘 余奧氏體使得磨損性能下降，摩擦系數(shù)反而較基 體的大；在高應力磨損下，應力誘發(fā)奧氏體向馬 氏體轉化，殘余奧氏體因能顯著加工硬化而改善 耐磨性，故載荷為300 g時，熔覆層的摩擦系數(shù)變 得最小，且過程平穩(wěn)，表現(xiàn)了很好的耐磨性。而 基體在300 g載荷時的摩擦系數(shù)有稍微上升趨勢, 略大于熔覆層時的摩擦系數(shù)。當載荷為400g的時候，經過35min的磨損， 熔覆層的摩擦系數(shù)逐漸升高，耐磨性能下 降。因此熔覆層比基體更有利的磨損載荷