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激光表面改性技术及其应用综述 2021-08-24

1 引言

利用激光高能束对材料表面进行处理的技术是近年来迅速发展起来的材料表面处理新技术,其原理就是利用激光束作为热源,使材料表面在加热或融化后快速冷却,从而改变材料表面的化学成分和组织结构,实现对材料的表面改性。

激光表面改性技术的特点:热源的能量密度高、非接触式加热、热影响区小、对工件基材的性能及尺寸影响小、工艺可控性强、环保等优点。近年来,随着材料表面性能要求的进一步提高,新能源技术逐步完善,激光表面改性技术的应用领域越来越广阔。但是激光表面改性技术与传统表面堆焊和喷涂相比,成本较高,而且制备不同成分的表面合金层需要的粉末合金和工艺参数各不相同,这些参数都需要进一步进行探索研究,这也在一定程度上制约了该技术的发展。


2 激光表面改性技术及应用

激光表面改性技术包括多种工艺:、激光表面合金化、激光表面熔敷与激光快速熔凝。目前在汽车制造及加工、精密机械制造及加工行业,激光表面改性技术已有很广泛的应用。表1为各种激光表面改性工艺的特点。

表1 激光表面改性工艺特点

2.1

激光淬火是最早应用于金属材料表面强化的激光处理技术。激光淬火是以高能量密度的激光束快速照射工件,使其表面温度迅速上升到ac3之上(低于熔点),形成奥氏体。当激光束移开后,工件快速自冷,形成马氏体组织,实现材料的局部相变硬化,显著提高金属材料表面的硬度和耐磨性。蔡利芳[3]等人利用不同的激光功率对zl109合金进行了试验,随着激光功率的增大,硬度提高了40~100hv,耐磨性提高了1.6~2.2倍。


2.2 激光表面合金化

激光表面合金化是在高能束激光的作用下,将外加合金元素和金属表面一起熔化后,迅速凝固在基体表面,只在融化区和很小的热影响区内发生成分、组织和性能的变化,对基体的热影响可减少到最低限度,引起的变形也较小。熔化深度由照射的时间和激光的功率来控制,在基体金属表面可形成深度0.02-2.0mm的合金层。由于冷却速度快,所以偏析小,并且细化晶粒效果显著。从而提高表层的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性等。蔡利芳等人以si粉作为涂层材料,采用高功率co2激光器进行表面合金化处理,在铸造铝合金的表面制备了高硅al-si合金涂层,所制备涂层表面平整、无气孔、无裂纹,与基体呈冶金结合,其硬度和耐磨性均显著提高。


2.3 激光表面熔敷

激光表面熔敷是指将所需合金粉末经过激光熔化后,涂敷在金属表面,使涂层与基体之间形成冶金结合,熔敷层稀释度低但结合力强。显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化和电气特性。与激光表面合金化不同的是要求基体对表层合金的稀释度为最小,通常选择硬度高、耐磨、耐热和耐腐蚀性能好的材料作为覆层材料。菅丽娜[4]等人以cr-ni-si合金粉末为原料,利用激光熔敷技术在钛合金表面上制得了c13ni5si2基金属硅化物,在干滑动磨损条件下测试了该涂层的耐磨性能,结果表明激光熔敷cr13ni5si2基金属硅化物主要由初生树枝晶及少量共晶组成,涂层在干滑动磨损状况下具有很好的耐磨性能。


2.4 激光快速熔凝

激光快速熔凝是用高功率密度的激光,在极短的时间内照射金属表面,使金属表面局部区域在瞬间被加热到较高的温度使之融化。然后借助液态金属基体的吸热和传导作用,使已融化的表层金属快速凝固。得到的组织是铸态组织,其硬度较高,耐磨性亦较好。任旭东[5]等人选用不同涂层对qt700曲轴激光快速熔凝处理,研究快速熔凝条件下,qt700曲轴的硬度和表面残余应力的变化。结果表明,在激光快速熔凝过程中,涂层的表面硬度和表面应力都显著提高。经过激光快速熔凝后,在曲轴试件表面能形成厚度为1.0mm的硬化层,其硬度最大能达到588hv。激光脉冲功率从2.6gw/cm提高到3.5gw/cm时,曲轴表面残余应力由316mpa提高到490mpa。


3 锅炉、压力容器制造中的应用前景

气化炉是煤化工行业的重要设备,主要作用是将煤粉转化成合成气。气化炉工作环境温度高,介质腐蚀性、氧化性及冲刷性强。所以要求气化炉内表面具有耐高温氧化、耐腐蚀及耐冲刷性能。目前气化炉内表面普遍采用堆焊工艺,堆焊一层耐高温氧化、耐腐蚀、耐冲刷合金。但加工效率低,工艺控制不稳定,形成的堆焊层厚度不均匀。若是采用激光表面熔敷或激光表面合金化在气化炉基体上制备耐高温氧化、耐腐蚀及耐冲刷的合金层,工艺可控性强,基体对表层合金的稀释度很小,合金层的性能稳定,厚度均匀且加工效率高,大大提高设备的安全与使用性能。

水冷壁是电站锅炉的主要受热部分,分布于炉膛的四周。它的内部为流动的水或蒸汽,外部接受锅炉炉膛火焰的辐射和粉煤颗粒的冲刷与磨损。水冷壁外壁通常采用喷涂合金工艺。在锅炉运行的过程中,水冷壁表面涂层经常出现脱落现象。可利用激光表面熔敷或激光表面合金化在水冷壁外表面制备耐高温、耐冲刷的冶金结合层,可减少水冷壁出现爆裂现象,大大提高水冷壁的使用寿命。


4 结论

利用激光表面改性技术可以在一些价格便宜且表面性能差的金属表面制备合金层,用来代替价格昂贵的金属,节约贵金属材料,使普通材料获得更大的应用价值,从而大幅度降低成本。激光表面改性技术无污染特点,对环保几乎没有负面效应,明显的性能优势将使激光表面改性技术具有更广阔的应用和发展前景。


摘自:<<激光表面改性技术及其应用综述>>

作者:殷建涛;卫军;杨金;

来源:知网研学




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