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综述激光合金化技术的具体应用与进展

2020-05-22 156 上传者：管理员

摘要：激光表面改性技术是将金属热处理技术和激光技术结合在一起的一种新型技术,主要包括激光合金化、激光熔覆以及激光表面热处理等。激光合金化技术操作简单且周期短,因此在材料表面改性技术中得到广泛应用。综述了近年来国内外激光合金化技术在材料表面改性中的应用及研究进展,并指出未来激光合金化技术发展的主要趋势。

关键词：
工业技术应用
激光合金化
表面改性技术
预置粉末法
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近年来，随着大功率激光器的不断发展和激光技术的不断完善，激光表面改性技术逐渐应用于工程实践，主要包括激光合金化、激光熔覆以及激光表面热处理等[1]。与传统表面改性技术相比，激光表面改性技术具有灵活度高、成本低以及对工件热变形小等优点。其中，激光合金化技术是将高性能合金粉末涂覆在材料表面，通过激光照射与基体反应形成一层新的合金化层，从而使材料具有高性能。激光合金化技术可以节约实际生产中的成本，提高工作效率，并且能够显著的改善材料表面性能，具有广阔的发展前景[2]。

1、激光合金化技术工艺流程及特点

激光合金化技术的工艺流程主要可分为合金化粉末的选取和称量、基体材料表面预处理、预置合金化粉末、激光合金化以及后续的合金化表面处理这5个过程。对于不同性能的要求需要选取不同的合金化粉末。基体材料表面不平整以及夹杂会影响合金化层的性能，预置粉末之前需要用金相砂纸打磨基体表面，除去基体表面杂质并且使表面平整[3,4,5,6]，同时预置层的厚度也会对合金化层的性能产生重要影响，预置层太厚会导致合金化不充分，使合金化层性能降低，预置层太薄也会影响合金化层的整体性能，因此选择合适的预置层厚度也尤为重要。

合金化层的平整度与预置层的平整度息息相关，合金化粉末平整涂覆在基体表面，这样合金化层表面才会减少空洞、裂纹等缺陷。激光合金化过程中的工艺参数对合金化层的性能尤为重要，主要包括激光功率、激光扫描速度以及激光搭接率，不同的工艺参数会导致合金化层的性能降低或者提升，因此，激光合金化前需要进行大量实验来选择最优的合金化工艺参数。经激光合金化后，合金化层表面往往存在或多或少的小突起，主要由于激光是多道连续扫描存在搭接[7,8,9]，进行性能测试前需要平整合金化层表面，否则会影响测量数据的准确性。

激光合金化技术主要具有以下5个特点：(1)激光合金化技术自动化程度高。激光设备工作都是通过设定的程序自动进行，操作简单，可以节省大量不必要的过程。(2)激光合金化技术效率高。由于激光合金化过程中自动化程度高，并且可以进行多道扫描，因此可以极大地提升工作效率。(3)激光合金化技术成本低。由于激光合金化技术可以在一些廉价金属表面通过与高性能合金化粉末反应使其具备昂贵金属的性能，因此激光合金化技术可以大大降低生产成本，具有很高的经济效益。(4)激光合金化技术灵活度高。激光合金化技术是通过激光扫描对零件进行处理，因此激光合金化技术可以对工件进行局部处理，减少了零件加工死角。(5)激光合金化技术清洁度高。由于激光合金化技术是通过激光扫描加热，不需要传统的热处理方法加热，因此会降低热处理过程对环境的污染。

2、激光合金化技术在轧辊中的应用

轧辊是冶金工业中决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件，其质量和使用寿命直接关系到轧制生产的效率、生产成本和产品质量[10,11]。因此，提高轧辊耐磨性、延长轧辊的使用寿命对降低辊耗至关重要。表面磨损是轧辊最主要的失效形式，通过激光合金化技术可以提高轧辊表面的耐磨性，从而获得更大的经济效益。顾传祥[12]采用预置粉末法在铸铁轧辊表面进行激光合金化处理，预置合金化粉末为Mo、Cr、W、Co、C，光基为中空环形光，激光输出功率为1.8 kW，激光扫描速度为40mm/s，光斑外径准1.71mm、内径准0.5 mm，激光搭接率为50%。

研究表明，经激光合金化处理后的铸铁轧辊合金化区组织晶粒细小而致密，合金化层与基体结合强度高且裂纹少，并且铸铁轧辊的耐磨性能和硬度都得了提高。张磊等[13]在中型钢轧辊表面进行激光合金化处理，研究表明，经激光合金化处理后的中型钢轧辊的使用寿命提高了，并且还发现中型钢轧辊和磨损较大的轧辊通过激光合金化技术修复尤为有效。孙桂芳等[14]采用预置粉末法对冷硬铸铁轧辊进行合金化处理，预置合金化粉末为C、B、W、Cr，激光器为大功率CO2激光器，研究表明，当激光功率为7.2kW、光斑直径为准1.5mm，激光搭接率为33.3%、激光扫描速度为4 m/min时，轧辊基体和合金化层之间形成良好的冶金结合层，合金化层厚度为0.37mm，合金化层硬度为1201HV0.05，远高于基体的硬度，耐磨性能是基体材料的1.6倍。

周君华[15]采用预置粉末法分别在70MnV铸钢轧辊和球磨铸铁轧辊两种材料上进行激光合金化处理，预置合金化粉末分别为NiCr-Cr3C2（其中，NiCr为25%,Cr3C2为75%）和Cr7C3-WC-B4C（其中，Cr7C3为5%～20%,WC为15%～30%,B4C为40%～70%），预涂层厚度为0.01～0.05mm。研究表明，当基体为70MnV铸钢时，在光斑直径为1.5mm、激光功率为4kW、激光扫描速度为2.2 m/min、激光搭接率为33.3%条件下，激光合金化后的合金化层厚度为0.4798 mm，耐磨性能是基体的8.4倍，硬度是基体的2.6倍；当基体为球磨铸铁时，在光斑直径为准1.5mm、激光功率为4kW、激光扫描速度为4m/min、激光搭接率为36.7%条件下，激光合金化后的合金化层厚度为0.3670 mm，耐磨性能是基体的1.6倍，硬度是基体的2.4倍。两种方法都使基体本身的耐磨性能和硬度得到很高的提升，因此，激光合金化技术在改善轧辊材料的耐磨性方面具有重要的研究意义。

3、激光合金化技术在模具中的应用

模具既要有较高的耐磨性和强度，又要有较高的塑性和韧性，因此模具表面处理流程显得尤为重要。传统的模具表面改性方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗及淬火处理等，但这些方法目前都存在一定的缺点：处理周期较长，零件变形较大，工艺复杂等。经研究发现，利用激光合金化技术处理模具，不仅可以改善模具的表面硬度、耐磨性以及耐腐蚀等综合力学性能，而且对模具产生的热变形小，极大地提高了模具的使用寿命。

玻璃模具由于其工作环境影响经常容易发生腐蚀和氧化，为提高玻璃模具的使用寿命，叶宏等[16]将激光表面合金化应用于玻璃模具，预置合金化粉末选用Ni-Cr-B-Si，通过激光合金化技术在模具表面形成具有特殊性能的合金化层。研究表明，未经激光合金化处理的原模具总使用时间为160～200 h，经激光表面合金化处理的模具总使用时间为1900～2200 h。通过对比可知，玻璃模具经激光合金化处理后寿命显著提高，这样不仅提高了产品质量，而且还降低了生产成本，具有很大工程应用价值。

张伟[17]在P20模具钢表面进行激光合金化处理，预置合金化粉末为Fe基合金粉末，激光输出功率为3.6kW，激光扫描速度为400 mm/min，光斑直径为准2mm，预涂层厚度为2 mm。研究表明，经激光合金化处理后的P20模具钢合金化层组织致密，晶粒细化且与基体结合牢固。P20钢基体硬度为340HV0.2，而经激光合金化处理后的合金化区的硬度可达到699 HV0.2，硬度提升了一倍多，并且合金化层的耐磨性能也提高了很多。采用激光合金化对模具表面进行强化，将大大提高模具的使用寿命，对提高模具使用寿命具有重要的意义。

4、激光合金化技术在汽车工业中的应用

汽车工业是激光技术应用最多的领域之一。据有关资料统计，在欧美工业发达国家中，有些汽车零部件都是通过激光加工技术来完成的[18]。尤其是近年来，汽车工业中激光技术应用的进程加快，每年有数以百计的激光加工机投入汽车领域使用。汽车零件的失效形式有多种，其中磨损、疲劳以及腐蚀是引起汽车零件报废的主要原因。据统计，75%的汽车零件报废是由磨损而引起的。发动机气缸、活塞、曲轴、凸轮轴、齿轮等零件长期工作在高温高压的恶劣工况下，负荷过大或润滑不良时极易产生磨损导致零件失效，使车辆故障多发，使用性能降低，维修费用增加。通过激光合金化技术可以改善汽车零件表面的耐磨、耐腐蚀以及耐高温性能，提高汽车零件在恶劣环境下服役时间，从而提高生产效益[19]。

王福德等利用激光合金化技术在铝合金活塞的环槽处制备Ni合金化层，研究表明，经激光合金化处理后的合金化层表面硬度为650HV0.1，是基体材料硬度5倍多，合金化层组织晶粒明显细化，且合金化层与基体之间表现为良好的冶金结合状态；此外，由于预置合金化粉末中含有大量的Ni、Cr等元素，因此经激光合金化后的合金化层耐磨性能得到了提升，经激光合金化处理后的活塞使用寿命比未处理的活塞寿命提高了两倍多，这对提升企业经济效益、节约成本具有重要的工程应用价值。

熊绪刚等[20]等在球墨铸铁表面进行激光合金化处理，激光器为PRC-3000快轴流CO2激光器，预置合金粉末为C-SiB-RE+WC，激光输出功率为2 kW，激光扫描速度为0.2 m/min，光斑直径为准3.5 mm，预涂层厚度为0.3mm。研究表明，经过激光合金化处理的合金化层厚度为1.0～1.2 mm，其硬度可达到1000 HV0.2，远远超过基体的硬度，并且合金化层耐磨性能也得到了大大的提升，大约为基体的2.8倍。螺杆是注塑机和挤出机的关键零件，但是由于螺杆的工作环境比较恶劣，经常容易发生腐蚀、断裂和磨损等缺陷，所以螺杆寿命不高，很容易发生失效。

为了提高螺杆的使用寿命，提高螺杆的使用效率，张伟等[21]在40Cr钢螺杆表面进行激光合金化处理，激光合金化粉末选用钨钴合金粉末，激光器为7kW的CO2激光器，激光输出功率为3kW，激光扫描速度为0.2m/min，预涂层厚度为1.5 mm，研究表明，经激光合金化处理后的螺杆表面合金化层硬度约为1000 HV0.2，是基体硬度的4倍多，合金化层的耐磨性能比基体提高了40%。经激光合金化处理后的螺杆实际使用寿命比之前提高了2倍多，节省了螺杆的消耗，提高了螺杆的利用率，节省了大量资金，这对企业提升竞争力、降低成本具有重要的工程应用价值。

5、激光合金化技术的发展趋势

激光表面合金化技术相对于传统的表面改性技术有了重大提升和新的突破，因此，激光表面合金化技术在今后的发展中将成为材料表面改性技术中的重要组成部分，将被广泛应用于材料表面改性以及石油、航空、汽车、机械等行业，将会带来巨大经济效益。未来激光合金化技术发展的趋势主要在以下方面：(1)开发激光合金化的专用合金化材料，以达到合金化过程中对合金层成分的精确控制；(2)加强对激光工艺参数的研究；(3)提高大功率激光加工设备的稳定性，提高激光源性能；(4)研究合金化层表面不平整的机理，完善克服表面不平整机制；(5)加强激光合金化数值理论的研究，目前关于激光合金化，多为工艺研究，缺少对激光合金化过程中数值模拟的研究，因此需要建立一套完整的数值模拟理论；(6)加强激光合金化预涂层的研究，试验找出各种不同性能合金化涂层，为以后工程应用打下基础；(7)进一步扩宽激光合金化技术的应用领域。

6 、结语

激光合金化技术在材料表面改性中具有巨大的优势和应用前景。研究表明，利用激光合金化技术改善材料表面性能是一种切实可行的方法，并且激光合金化技术操作简单，工作效率高，灵活度高，成本低，可以节约大量资金，具有重要的工程应用价值。

参考文献：

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