畢業(yè)設計（論文）鋼表面激光熔覆Ni60CuMoW合金的組織與性能

1、 設計（論文）專用紙摘 要激光熔覆是利用高能量激光束熔化涂層材料和薄層基體，形成一個無氣孔、無裂紋并能和基體形成良好冶金結(jié)合的表面涂層，它己成為現(xiàn)代表面技術體系中的極具發(fā)展前途和頗具特色的新技術之一，并在“21世紀的再制造工程”中有著廣闊的應用前景。 本文用gs-tfl6000a型橫流式co2激光器在45鋼基體表面進行了ni60cumow粉末的激光熔覆。研究了激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對激光熔覆涂層組織結(jié)構(gòu)與性能的影響，借助光學顯微鏡、x射線衍射儀、顯微硬度計和電化學腐蝕等儀器設備對不同功率和不同掃描速度下熔覆層的組織結(jié)構(gòu)進行了觀察和分析。研究結(jié)果表明：在激光功率p=2.83.2kw、掃描速

2、度v=500550mm/min、送粉速度m=8.5g/min的條件下，可得到熔覆層表面光滑致密、組織細小均勻、硬度高（大約是基體的23倍），且與基體實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，耐腐蝕性好。關鍵詞：激光熔覆；ni60cumow合金；顯微組織；顯微硬度；耐蝕性能；abstractlaser cladding is used to form a kind of surface coating, which has a good metallurgical bonding with the substrate, without gas holes and crack, by using a high ene

3、rgy laser beam to melt coating material and a thin layer base metal. it has been becoming one of new techniques that have infinite development future and characteristic very much in the modern surface technique system, and bigger application foreground in remanufacturing engineering in the 21th cent

4、ury. in this paper, we have carried out laser cladding experiments of ni60cumow powders on the surface of 45steel substrate by a gs-tfl6000a cross current type of co2 laser apparatus. and the best parameters were found through optimizing it. the structures of cladding tissues were analyzed formed by

5、 deferent power and deferent scanning velocities. the microstructure，hardness，of laser cladding specimens were studied by using optical microscope , xrd, micro-hardness tester and the electrochemical corrosion. the results showed that under the cladding parameters of laser power of 2.83.2kw，scan vel

6、ocity of 500550 mm/s, powder feed rate of 8.5g/min，we cladding coatings with good surface quality, fine microstructure，high micro-hardness（its hardness is improved 2-3 times）, good metallurgically and good corrosion resistance.keywords: laser cladding; alloy of ni60cumow； microstructure; micro-hardn

7、ess; corrosion resistance 設計（論文）專用紙目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1 研究背景和意義11.2 激光加工技術特點與發(fā)展11.2.1 激光加工技術特點21.2.2 激光加工技術種類21.2.3 金屬材料的激光表面改性31.3 激光熔覆技術簡介41.3.1 激光熔覆技術特點及應用51.3.2 激光熔覆工藝71.3.3 熔覆材料的添加方式91.3.4 激光熔覆材料的選擇101.3.5 激光熔覆層的質(zhì)量控制131.3.6 激光熔覆技術的發(fā)展現(xiàn)狀151.4 研究的主要內(nèi)容16第2章 實驗材料與方案172.1 實驗材料172.1.1 基體材料172.

8、1.2 實驗保護氣體182.1.3 熔覆材料182.2 實驗設備192.3 激光熔覆工藝方案202.4 熔覆層組織與性能測試分析212.4.1 熔覆層的組織結(jié)構(gòu)212.4.2 熔覆層顯微硬度分析222.4.3 熔覆層的腐蝕性能測試23第3章 實驗結(jié)果與分析243.1 熔覆層的宏觀形貌和微觀組織243.1.1 熔覆層的宏觀形貌243.1.2 熔覆層的微觀組織263.1.3 x射線衍射分析熔覆層的物相組成323.2 熔覆層顯微硬度測試323.3 電化學腐蝕353.3.1 工藝參數(shù)對熔覆層耐腐蝕性的影響373.3.2 熔覆層的耐腐蝕性能393.4 本章小結(jié)39第4章 結(jié)論與展望414.1 結(jié) 論41

9、4.2 展望42總結(jié)和體會43致 謝44參考文獻45附錄a 英語原文47附錄b 中文翻譯57第1章 緒 論1.1 研究背景和意義45鋼是應用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)鋼，綜合性能較好，可用于眾多領域。在航空、航天、海洋、石油化工及生物醫(yī)學工程等領域中有著廣泛的應用，隨著工業(yè)技術的不斷進步，其應用領域愈來愈廣，應用量愈來愈大，適用條件變得愈來愈苛刻，對45鋼性能要求也愈來愈高。但45鋼耐磨性、耐腐蝕性能差，大大限制了45鋼的應用范圍。因此，提高45鋼的耐磨性、耐腐蝕性能，對擴大45鋼應用范圍具有很重要的意義。為了提高45鋼的耐磨性能，國內(nèi)外材料工作者對45鋼的表面改性技術進行了廣泛的研究，如采用熱處理、

10、化學鍍、噴涂、濺射與沉積、激光熔覆、微弧氧化及離子注入等方法在45鋼表面制備耐磨、耐腐蝕涂層。其中的激光熔覆是代表表面工程發(fā)展方向和水平的表面改性新技術之一，利用激光熔覆技術在45鋼表面進行改性處理可得到與基材冶金結(jié)合，稀釋率低，表面形貌良好的熔敷涂層。本課題的目的是選擇適宜的激光熔覆合金粉末和激光熔覆工藝，改善45鋼表面的力學性能和耐腐蝕性能，擴大45鋼這一經(jīng)濟型材料的應用領域。1.2 激光加工技術特點與發(fā)展激光是二十世紀的重大發(fā)明之一，它具有巨大的技術潛力。美國科學家梅曼(t.h.maiman)于1960年研究成功世界上第一臺激光器以后，激光技術很快就在實際領域中得到應用。隨著對有關基本理

11、論研究的不斷深化以及各類激光器的不斷問世與改進，其應用領域也不斷拓寬，應用規(guī)模逐漸擴大，所獲得的經(jīng)濟效益和社會效益更加顯著。如今，激光技術己被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍工、科學研究等許多領域。激光技術的發(fā)展大大促進了多種學科、多種技術和多種生產(chǎn)水平的進步和提高，其影響之大，舉世矚目。1.2.1 激光加工技術特點眾所周知，激光具有單色性、相干性和平行性三大特性，這些優(yōu)異特性是普通光源難以比擬的，因此給激光加工帶來了一些其它方法所不具備的特點1：1、由于激光加工具有非接觸性、高能激光束的移動速度與能量均可調(diào)節(jié)等特點，可實現(xiàn)多種加工。2、能對多種金屬、非金屬加工，特別是可用來加工高硬度、高脆性及

12、高熔點材料。3、激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。4、激光加工過程中，激光束能量密度高、加工速度快，并且是局部加工，對激光照射部位沒有或僅有極小影響。因此，激光加工造成的熱影響區(qū)及工件熱變形都很小，所需的后續(xù)加工量也較小。5、由于激光的高能性，通過透明介質(zhì)可實現(xiàn)對密閉容器內(nèi)工件的各種加工。6、由于激光束易于導向、聚焦可實現(xiàn)各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合而對復雜工件進行加工，因此，它又是一種極為靈活的加工方法。7、激光加工的生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，故有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2.2 激光加工技術種類激光應用于材料加工，解決了許多當前常規(guī)方法無法解決或很難解決的難題

13、，大大提高了工作效率和加工質(zhì)量。目前，己成熟的激光加工技術包括激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調(diào)技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光表面強化技術等。激光表面強化技術包括激光相變硬化技術、激光熔覆技術、激光表面合金化技術、激光退火技術、激光沖擊硬化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用2。1.2.3 金屬材料的激光表面改性根據(jù)激光與金屬材料表面作用時的激光功率密度、作用時間及方式不同，金屬激光表面改性技術可分為激光相變硬化、激光熔融及激光表面沖擊二類。在激光熔融

14、一類中包括：激光熔化-熔凝處理、激光表面合金化和激光表面熔覆等3-6，圖1.1所示為金屬激光表面處理方法的分類。圖1.1金屬激光表面處理方法的分類激光相變硬化主要應用于表面處理，與其它方法相比，有以下特點：1、激光光束能量高，對工件加熱快，冷卻快，淬硬層馬氏體比較細，硬度比常規(guī)淬火高15% 20%。2、激光熱處理中，由于沖擊加熱，有促進碳化物溶解的可能性，因而造成碳化物超細化。同時淬硬層中殘余奧氏體密度增大，對獲得超硬馬氏體也有較大貢獻。3、僅對工件表面一薄層金屬加熱，幾乎不發(fā)生熱變形，工件變形小，可省去校直及精磨工序，便于進行精密件局部表面淬火。4、能進行內(nèi)孔、溝槽側(cè)面及底部的淬火和復雜工件

15、的局部淬火。5、由于聚焦光束焦深相當大，可以允許工件表面有相當大的不平度，便于進行花鍵及齒輪的淬火。6、硬化深度和面積可以精密控制。7、激光淬火除薄件外，一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火劑。8、由于工藝簡單，淬火時間短，可以將淬火工序安排在流水線內(nèi)。激光表面熔凝處理的特點是表面有一層達到熔化狀態(tài)，根據(jù)處理條件的不同，可分為如下幾種：1、激光熔化淬火。單純將表面用激光加熱到熔化，然后自身冷卻得到淬火組織，也可用于鑄錠表面晶粒細化。2、激光合金化。在材料表面熔化的部分加入合金元素（可預先放置，可在加工同時加入），經(jīng)過短暫的液態(tài)對流擴散而形成一層有一定均勻度的合金層，從而使表面獲得耐磨、耐腐蝕、抗

16、氧化和耐熱等特殊的性能。3、激光熔覆。其工藝過程與激光合金化相似，但差別是所加入的不是一種或幾種元素，而是具有一定組成的合金粉末。粉末經(jīng)熔凝處理而形成特殊合金，具有一定的高性能。后文將詳細討論激光熔覆的有關問題。4、激光非晶化。采用很高的激光功率和很快的掃描速度，使表面瞬時達到熔化溫度并超激冷，而將液態(tài)時的各向同性保留到固態(tài)，使材料的機械性能、磁性、電氣性質(zhì)和耐蝕性能獲得提高。1.3 激光熔覆技術簡介激光熔覆技術是利用高能密度的激光使材料表面成分、組織結(jié)構(gòu)和性能實現(xiàn)預期變化的高新技術，同時，它也是涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等門學科領域的跨學科的高新技術。作為新興的表面改性技術，它

17、的發(fā)展可以追溯到上世紀60年代。當時許多學者致力于在低熔點基體上熔覆耐磨材料，這些材料包括：鎢及其碳化物，鉬、鉛、鈦等及其碳化物和氧化鋁，大部分采用等離子或火焰噴涂的方法，將熔覆材料預置在基體材料上，隨后進行激光熔覆，并于1976年誕生了第一個論述高能激光熔覆的專利。由于技術上的問題，激光熔覆經(jīng)歷了發(fā)展相對緩慢的時期。進入上世紀80年代，激光熔覆技術得到了迅速發(fā)展。同時引起了國內(nèi)外的普遍關注，紛紛投入人力，物力，財力進行研究。進入上世紀90年代以后更呈現(xiàn)出科學研究與應用開發(fā)蓬勃發(fā)展的大好局面。1.3.1 激光熔覆技術特點及應用與熱噴涂、等離子噴涂、氣相沉積、電鍍、化學鍍、堆焊等傳統(tǒng)的表面改性技

18、術相比，激光熔覆技術具有如下特點7：1、適用的材料體系廣泛，可對各種金屬和陶瓷材料進行激光熔覆。2、可依據(jù)使用性能要求，進行涂層材料成分設計，選配不同熔覆材料體系，獲得理想涂層。3、涂層稀釋度低，受污染小，保證所設計涂層的性能。4、由于激光束能量密度高，激光熔覆加熱和冷卻速度很大，熔池熔體凝固速度快，因此，涂層組織能得到改善。5、對基體材料熱影響小，基體熱變形小，可以對成形工件進行選區(qū)激光熔覆處理。例如盲孔，溝槽等特殊部位均可使用激光進行處理。6、涂層厚度可調(diào)范圍大，易于控制，且工藝靈活，易于實現(xiàn)自動化。7、可對報廢工件進行修復處理。實驗研究表明，激光熔覆生成的熔覆層具有平整的外觀形貌、致密的

19、微觀結(jié)構(gòu)、與基材良好的冶金結(jié)合。這些特點都可極大提高激光熔覆處理后材料表面的耐腐蝕、耐磨損等性能。然而由于熔覆過程中所受影響因素眾多，使得覆層質(zhì)量難以控制，容易出現(xiàn)裂紋、氣孔、變形、氧化燒損及成分的不均勻等缺陷，阻礙了其進一步發(fā)展。要在熔覆理論及工藝技術方面取得突破，仍然存在許多挑戰(zhàn)性問題。在對國內(nèi)金屬材料表面激光改性調(diào)查的基礎上，應該把工作研究重點放在改進激光熔覆層質(zhì)量和熔覆工藝兩方面，以求解決熔覆中存在的實際問題，推動激光熔覆技術的更廣泛發(fā)展。激光熔覆技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)完全從實驗室進入到了實際應用，在諸多領域中有著廣泛的應用8-10。在汽車工業(yè)方面，最先采用激光熔覆技術的汽車零件的

20、是發(fā)動機排氣門的密封錐形面熔覆stellite合金。磨損試驗表明，激光熔覆stellite合金涂層的耐磨性能比基體材料提高了5倍。日本一家公司1988年公布了用同步送粉法激光熔覆排氣門的專利，意大利菲亞特汽車發(fā)動機排氣閥座的環(huán)形表面用 stellite f合金激光熔覆。此外，在缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理過程中，激光熔覆技術也得到了廣泛的應用。在航天航空領域，航空發(fā)動機鈦合金和鎳基合金摩擦副的接觸磨損是發(fā)動機使用和維修的一大難題，通過激光熔覆技術則可獲得優(yōu)質(zhì)的涂層，為燃氣渦輪發(fā)動機零件的修復開創(chuàng)了一個新局面。美國westinghouse公司用該技術修復長1.2m的蒸汽機葉片

21、前端的水蝕。s. e. huffman公司使用2個送粉器，雙攝像視頻計算機和定位精度0.013mm、重復精度0.0076mm的數(shù)控系統(tǒng)熔覆飛機發(fā)動機葉片和壓縮機葉片。pratt&whitney公司用6kw激光器，在鎳基合金汽輪機葉片上熔覆鉆基合金，處理一片只需15s的時間。在模具方面，通過激光熔覆處理可改善工模具鋼的表面硬度、耐磨性、高溫硬度、抗疲勞等性能，從而不同程度上提高了工模具的使用壽命。如激光熔覆高溫耐磨涂層在軋鋼機導向板上，其壽命與普通碳鋼導向板相比提高4倍以上；與整體4cr5mov1si導向板相比軋鋼能力提高一倍以上，減小了停機時間，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本等。在軋輥

22、行業(yè)中，輥環(huán)是高速線材軋機的主要易損件之一，國內(nèi)外幾乎所有的高速線材軋機預精軋、精軋部分均使用硬質(zhì)合金輥環(huán)。硬質(zhì)合金輥環(huán)價格昂貴，貴重金屬使用量大。采用激光熔覆技術在鋼制軋輥坯的軋道表面熔覆一層厚度適當、性能優(yōu)異的金材料，能制造出滿足使用要求的熱軋輥，取代目前廣泛使用但價格昂貴的硬質(zhì)合金粉末燒結(jié)軋輥，且制造過程無廢物排放，環(huán)保節(jié)能。在快速成型方面，激光技術的發(fā)展使人們可以精確調(diào)節(jié)和控制高能光束，可實現(xiàn)對材料的精細轉(zhuǎn)換、堆積和加工處理。由于激光技術和材料科學的發(fā)展，結(jié)合cad技術，在傳統(tǒng)制造工藝的基礎上，開發(fā)了新的工藝即快速成型，該技術的實質(zhì)是精密激光熔覆，是激光熔覆固有特性的反映。它可降低生產(chǎn)

23、費用，縮短生產(chǎn)周期。目前，該技術仍處于起步階段。此外，激光熔覆在石油、熱能動力等行業(yè)中也有著廣泛的應用11。1.3.2 激光熔覆工藝激光熔覆獲得良好熔覆層的關鍵在于選擇合適的工藝參數(shù)。為了深入研究、開發(fā)和應用激光熔覆成形技術，必須認識和掌握激光熔覆的基礎知識。激光熔覆也稱激光熔敷或激光包覆，它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添加熔覆層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化以及電氣特性等的工藝方法。在激光熔覆過程中，激光熔覆層的質(zhì)量和性能除與熔覆材料的原始成分和粒度、基材的性能和成分密切相關外，還取決于熔

24、覆工藝參數(shù)及其熔覆材料的添加方式。工藝參數(shù)優(yōu)化一直是激光熔覆技術中的主要研究課題?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，影響激光熔覆層宏、微觀質(zhì)量的熔覆工藝參數(shù)很多，例如激光功率p、光斑尺寸（束直徑d或面積s）、激光掃描速度v、多道搭接系數(shù)a，以及不同填料方式確定的涂層材料添加參量（如預置厚度d或送粉速度m）等12。這些參數(shù)依據(jù)涂層材料體系、涂層性能要求不同而發(fā)生變化。但在激光單道熔覆過程中，激光器一旦選定，相應的光學系統(tǒng)特性也就確定了。激光熔覆層的質(zhì)量主要靠調(diào)整激光功率p、激光束直d（本實驗中的d=6mm）和掃描速度v三個參數(shù)來實現(xiàn)。國內(nèi)外研究者在這方面做了大量工作，并提出了比能量的概念，比能量，即單位面積的

25、輻照能量，它可將功率密度和掃描速度等因素綜合在一起考慮13，比能量可用下式表示： （1.1）式中，-比能量（kw. min） p-激光功率（kw） d-激光束直徑（mm） v-掃描速度（mm/min）在激光熔覆過程中，稀釋率作為評定激光熔覆層表面品質(zhì)優(yōu)劣的主要依據(jù)之一，其定義為涂層材料和熔化基體的混合引起的涂層合金成分變化14。abbas等通過實驗發(fā)現(xiàn)可用公式（1.2）來簡化熔覆層稀釋率: （1.2）式中，n-熔覆層稀釋率h-基材熔深（mm）h-熔覆層高度（mm）大量研究表明，比能量減小有利于降低稀釋率，同時它與粉末層厚度也有不同的依賴關系。當稀釋率高時，熔覆層凝固后較平滑，與基層結(jié)合較好；稀

26、釋率太低時，熔覆層凝固后為球形，與基層結(jié)合較差。稀釋率與激光功率成正比，而與掃描速度和送粉速度成反比。熔覆層形貌與各工藝參數(shù)存在一定的關系。1、在掃描速度一定的情況下，隨著送粉速度的增加，熔覆層厚度增加，熔覆層寬度變化不大，熔化基體深度減小。2、在送粉速度一定的情況下，隨著掃描速度的增加，熔覆層厚度減小，熔覆層寬度減小，熔化基體深度減小。3、在掃描速度一定的情況下，隨著送粉速度的增加，透光率下降，熔覆材料加熱程度降低導致熔覆層組織趨于細化。4、在送粉速度一定的情況下，隨著掃描速度的增加，熔覆層組織趨于細化15。由此，在熔覆過程中，為保證質(zhì)量，必須保證以下三點，一是激光功率必須保證能夠熔化基層；

27、二是稀釋率必須保證能夠使上層與下層緊密結(jié)合；三是激光束必須保證在穿過熔覆粉末后，能夠有剩余能量到達基層。要保證以上三點，必須調(diào)整好激光功率p、掃描速度v、送粉速度m。熔覆條件不同，材料體系不同，各參數(shù)間的依賴關系不同，因此，激光熔覆工藝參數(shù)應該遵循界面良好熔化但稀釋度最小的原則來選擇16。1.3.3 熔覆材料的添加方式激光熔覆材料的供給方式可分為兩大類：預置涂層法和同步送粉法。圖1.2為不同形式送料方式示意圖。 （a） （b） （c） （d）圖1.2 激光熔覆的不同方法17 （a）預置涂層法 （b）漿料送入式激光熔覆 （c）注入粉末式激光熔覆 （d）送絲式激光熔覆預置法（圖1.2（a）有粘結(jié)、

28、噴涂兩種方式。粘結(jié)方法簡單、靈活，不需任何設備。但粘結(jié)劑在熔覆過程中受熱分解，會產(chǎn)生一定數(shù)量的氣體，在熔覆層的快速凝固過程中，容易滯留在涂層內(nèi)部形成氣孔。預置式激光熔覆的主要工藝流程為：工件表面預處理預涂熔覆材料工件預熱激光熔覆后熱處理。表面預處理是清除掉基體工件表面的污物和氧化物，以免影響熔覆質(zhì)量。常用的清理方法有溶劑清洗、噴砂、砂紙磨削等。工件的預熱和后熱處理是為了消除熔覆缺陷。同步送粉和預置粉末法相比，前者熔覆時合金粉末與基體表面被同時熔化，后者則是首先加熱涂層表面，依賴熱傳導過程加熱整個涂層。送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基體工件表面預處理工件預熱送粉并激光熔覆后熱處理17。送粉和激

29、光熔覆同步進行，在激光輻照的同時將熔覆材料送入激光輻照區(qū)域，需要專用的送粉設備18。該方法是激光熔覆技術的首選方法，國內(nèi)外實際生產(chǎn)中采用較多。同步送粉方式有漿料送入式，粉末注入式和送絲式三種（如圖1.2（b）（c）（d）。1.3.4 激光熔覆材料的選擇目前國內(nèi)外采用的激光熔覆材料主要是熱噴涂或熱噴焊類粉末材料，激光熔覆對粉末材料的選擇是為了獲得激光熔覆后所需要的使用性能，如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等特殊性能。激光熔覆粉末應能滿足下列基本要求19：1、具有良好的固態(tài)流動性。粉末的流動性與粉粒的形狀、粒度分布、表面狀態(tài)及粉末的濕度等因素有關，球形粉末流動性最好。此外，粉末受潮時流動性差，使用時應

30、注意烘干。2、合適的熱膨脹系數(shù)、導熱性。應盡可能與基體材料相接近，以減少熔覆層中的殘余應力。3、具有良好的潤濕性。潤濕性與表面張力有關，表面張力愈小，潤濕角愈小，液態(tài)流動性愈好，易于得到平整光滑的熔覆層。4、應有良好的造渣、除氣、隔氣性能。合金粉末在熔化狀態(tài)時應有良好的脫氧、除氣能力，其脫氧產(chǎn)物應是比重小、熔點低的熔渣覆蓋在液態(tài)金屬表面，對表面其保護作用，以防止產(chǎn)生夾渣、氣孔、氧化等缺陷。5、合金粉末的熔點不宜太高。粉末熔點愈低，愈易控制熔覆層的稀釋率，所獲得的熔覆層質(zhì)量愈好；熔點愈低，液態(tài)流動性愈好，對獲得平整光滑的熔覆層有利。常用激光熔覆合金粉末如下：1、自熔性合金粉末自熔性合金粉末是自身

31、能起熔劑作用的合金，即在熔化時合金本身有自脫氧性能和自造渣性能。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基、鉆基和鐵基三大類，還有wc型自熔性合金粉末，是在上述三大類合金中加入一定量的高硬度wc顆粒制成的。（1）鎳基自熔性合金粉。是最為典型的粉末，其熔點低、自熔性好，具有良好的韌性和耐沖擊性能、耐熱性能和抗氧化性能，耐金屬間摩擦磨損和低應力磨粒磨損，其高溫性能不如鉆基合金粉。ni基自熔性合金是運用fe、cr、co、mo、w等元素進行奧氏體固溶強化，運用al、ti等元素進行金屬間化合物沉淀強化，運用b、zr、co等元素實現(xiàn)晶界強化。研究表明：c元素的加入可獲得高硬度的碳化物，形成彌散強化相，提高熔

32、覆層的耐磨性；si和b元素一方面作為脫氧劑和自熔劑，增加潤濕性，另一方面通過固熔強化和彌散強化提高涂層的硬度和耐磨性；cr元素固溶在ni的面心立方晶體中，對晶體既起固溶強化作用，又對熔覆層起氧化鈍化作用，從而提高了耐蝕性能和抗高溫氧化性能，富余的cr與c、b形成碳化鉻和硼化鉻硬質(zhì)相，提高鎳基合金的硬度和耐磨性20。（2）鉆基自熔性合金粉末。這種粉末耐高溫性能最好，耐震、抗蠕變、抗磨損、抗腐蝕性能都好。800時能保持可用的硬度，1080 時，還具有良好的抗氧化性能。（3）鐵基自熔性合金粉末。它的最大優(yōu)點就是成本低，但抗氧化性差，合金自熔性也較差，熔層內(nèi)氣孔夾雜較多，可用于要求不嚴格的場合。（4）

33、碳化鎢型自熔性合金粉末.。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，鎳基、鉆基、鐵基自熔性合金已不能勝任，在上述合金中加2050碳化鎢，可很大程度提高熔覆層硬度，其具有高的耐磨性和紅硬性，又有一定的韌性。因此，在實際應用中，應根據(jù)使用要求合理選擇自熔性合金粉末體系。2、陶瓷粉末陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末（al2o3和zro2）為主。由于陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層。陶瓷材料雖然作為高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層材料一直備受關注，但因陶瓷材料與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導熱系數(shù)等差別

34、較大。這些性能的不匹配造成了涂層中出現(xiàn)裂紋和空洞等缺陷，在使用中將出現(xiàn)變形開裂、剝落損壞等現(xiàn)象21。3、復合粉末復合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各種高熔點硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復合而形成的粉末體系。復合粉末可借助激光熔覆技術制備出陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層，它將金屬的強韌性、良好的工藝性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結(jié)合起來，是目前激光熔覆技術領域研究發(fā)展的熱點22。復合粉末的主要有硬質(zhì)耐磨復合粉末、減摩潤滑復合粉末、耐高溫和隔熱復合粉末、耐腐蝕氧化復合粉末。在一些工況條件下（如滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重），純的ni基、co基和fe基合金粉末

35、已滿足不了使用工況的要求，此時可在上述自熔性合金粉末中加入各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成了金屬復合涂層。在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的熱點，目前已進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究 23。4、其它合金粉末除以上幾類激光熔覆粉末材料體系，目前已開發(fā)研究的熔覆材料體系還包括銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等24。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達到耐磨減摩、耐蝕、導電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。另外，在合金粉末中加入稀土元素已成為一種發(fā)展趨勢。如ce、la、y等稀土元素極

36、易與其它元素反應，生成穩(wěn)定的化合物，在熔覆層凝固過程中可以作為結(jié)晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒長大，細化枝晶組織。同時，稀土元素與硫、氧的親和力極強，又是較強的內(nèi)吸附元素，易存在于晶界，既強化晶界又凈化晶界，在內(nèi)氧化層前沿阻礙氧化過程繼續(xù)進行，可明顯提高高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能25。另外，稀土還可有效改善熔覆層的顯微組織使硬質(zhì)相顆粒形狀得到改善并在熔覆層中均勻分布。尚麗娟等26在稀土對激光熔覆鈷基自熔合金的改性方面做了深入研究，成功地采用稀土變質(zhì)及激光熔覆工藝在20鋼基體上獲得了鈷基自熔合金梯度組織涂層。結(jié)果表明，加入0.6的稀土后，獲得的梯度涂層組織由亞共晶向共晶連續(xù)過渡，硬度比

37、原合金高12.3，耐磨性比未加稀土的涂層提高近2倍。研究發(fā)現(xiàn)，加入適量的稀土氧化物la2o3可有效改善激光熔覆復合層的顯微組織，減少復合層中的裂紋、孔洞和夾雜，改善熔覆層中tic顆粒的形狀，同時，熔覆層的耐磨性和耐蝕性明顯提高。1.3.5 激光熔覆層的質(zhì)量控制高質(zhì)量的激光熔覆層必須具有的條件，一是具有良好的宏觀形貌，即光滑平整、沒有明顯表面裂紋；二是與基體結(jié)合的冶金金相組織晶粒細化，沒有微觀裂紋和大量的氣孔；三是組織過渡平緩，硬度分布和元素成分分布合理27。影響激光熔覆層質(zhì)量的因素有以下幾點28：1、激光系統(tǒng)特性。光束模式，波長，輸出特性，功率的穩(wěn)定性及發(fā)散度等。2、材料特性?；撞牧虾腿鄹膊?/p>

38、料的熱物理性質(zhì)（熔點、導熱率及線膨脹系數(shù)等），熔覆材料對激光的吸收率及熔覆材料對基底材料的潤濕性等。3、激光熔覆工藝。熔覆材料的供給方式及供給量，激光熔覆工藝參數(shù)（激光輸出功率，光斑尺寸，掃描速度），保護方式及多道熔覆的搭接率等。在激光熔覆時，主要是通過選擇熔覆材料的供給方式、調(diào)節(jié)熔覆材料的供給量（送粉速度或預涂層厚度）、激光熔覆工藝參數(shù)及搭接率等達到控制熔覆層質(zhì)量的目的。 激光熔覆層中常見缺陷有裂紋、氣孔等，必須對其進行嚴格控制。1、裂紋及其控制熔覆層的開裂主要與激光參數(shù)、工藝處理條件、覆層材料、基體狀況等因素有關。裂紋的產(chǎn)生原因主要是由于熔覆材料與基體材料在熱物理性能方面存在差異，加之高能

39、密度激光束的快速加熱和基體的激冷作用，使熔覆層中產(chǎn)生極大的熱應力。當局部拉應力超過涂層材料的強度極限時，就會產(chǎn)生裂紋。由于熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜處強度較低且易于產(chǎn)生應力集中，因此，裂紋往往在這些部位產(chǎn)生。單道激光熔覆層的裂紋多垂直于激光掃描方向，并且裂紋大致平行分布。多道搭接激光熔覆時，由于殘余應力相互疊加，熔覆層開裂傾向更大，裂紋多呈網(wǎng)狀分布。激光熔覆層的開裂敏感性主要取決于熔覆層中殘余熱應力的大小和熔覆層的抗開裂能力（韌塑性及抗拉強度）。選擇具有與基體熱膨脹系數(shù)相近的熔覆材料是防止熔覆層開裂的有效途徑。優(yōu)化工藝參數(shù)可以減少熔覆層中的裂紋。熔覆前進行預熱、熔覆后進行回火29、設計改性梯度

40、層材料等可得到滿足使用性能要求的無裂紋激光熔覆層。2、氣孔及其控制氣孔也是激光熔覆層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。激光熔覆層中的氣孔是由于在激光快速熔凝的條件下，熔池中的氣體來不及逸出而形成的。但在激光熔覆時，由于激光熔池存在的時間極短，脫氧造渣過程進行不充分，使得熔體中有氧或氧化物殘留，導致高溫下碳與氧發(fā)生反應，生成co或co2氣體。對于非自熔性合金，由于沒有硼、硅元素的脫氧造渣，熔覆層中更易形成氣孔。此外，在采用粘結(jié)法預置涂層材料時，若粘結(jié)劑選擇不當，也可能在激光加熱過程中產(chǎn)生氣體，形成氣孔。激光熔覆層中的氣孔是難以完全避免的，但可采用一些措施加以控制。常用的方法有：嚴格防止合金粉末儲運中的氧化，在使

41、用前要烘干去濕以及激光熔覆時要采取防氧化的保護措施等。大功率的寬帶激光器在激光熔覆技術上的應用，雖然能解決一些問題，還不能很好的解決合金熔覆的開裂、氣孔和夾雜。開發(fā)研制合適的合金熔覆材料、工藝理論和預置方法是非常必要的。1.3.6 激光熔覆技術的發(fā)展現(xiàn)狀目前己經(jīng)在鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、模具鋼、銅合金、灰鑄鐵、鋁合金及特殊合金表面進行了鉆基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。其中，針對鋼鐵材料的研究較早，且比較成熟，并已在工業(yè)中獲得應用。1978年，美國avco公司的evert實驗室和metc公司相繼發(fā)表文章報道他們的研究成果，由此推動了激光熔覆技術的發(fā)展。英國利物浦大學stem教授在

42、激光熔覆研究方面也取得了很大進展。1979年日本日立公司公開了他們在激光熔覆汽輪機葉片上的應用專利。此后，許多工業(yè)國家紛紛投入了較多的人力物力從事這方面的研究，內(nèi)容包括涂層表面質(zhì)量、組織性能、機械性能、物理模型、數(shù)學模型等許多方面。我國的激光熔覆研究工作始于上世紀80年代初期。1981年，中科院長春光機所針對汽輪機葉片防蝕問題選用鎳基自熔合金，在cr13鋼上進行了激光熔覆研究。隨著我國大功率激光器的發(fā)展，到八十年代中期，上海光機所、華中理工大學、中科院金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學、天津紡織工學院、重慶大學等單位相繼開展了這方面的研究工作。到90年代初期，國內(nèi)從事這方面研究的單位己達幾十家之多，并

43、開展了深入細致的研究，在工業(yè)上獲得了應用。如今，我國在激光熔覆方面的研究己達國際同期水平。目前激光熔覆技術已經(jīng)取得一定的成果，正處于逐步走向工業(yè)化應用的起步階段。今后的發(fā)展前景主要有以下幾個方面：1、激光熔覆的基礎理論研究。包括激光快速凝固行為的研究、裂紋的形成、擴展和控制方法、揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成演化機理及規(guī)律、豐富和發(fā)展快速凝固理論、相變理論和界面理論等等。2、料的設計與開發(fā)。在專用熔覆合金的設計方面取得了一定成果，但是尚未達到標準化和系統(tǒng)化的要求。功能梯度涂層的開發(fā)為解決裂紋問題提供了新思路，但是還存在一些問題。如難以精確控制涂層成分按理論設計變化等。3、覆設備的改進與研制。包括導光系統(tǒng)

44、的研制、涂層材料預置裝置和工藝反饋控制系統(tǒng)設計。4、型的建立。激光熔覆過程中的應力場、流場和溫度場是十分復雜的，目前大多數(shù)研究結(jié)果均是實驗測定的，尚缺乏理論研究。5、覆的快速成型技術。該技術的實質(zhì)是精密激光熔覆，是激光熔覆固有特性的反映。目前該技術還處于起步階段。6、程控制的自動化。其中人們最感興趣的是熔覆過程的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和開發(fā)激光熔覆專家系統(tǒng)。1.4 研究的主要內(nèi)容激光表面改性技術中的激光熔覆是利用高能密度的激光束所產(chǎn)生的快速熔凝過程，在基體表面形成與基體材料相互熔合的、具有完全不同成分與性能的合金涂層。因此熔覆合金粉末應具有良好的工藝性能，潤濕性、固態(tài)流動性、造渣、除氣、抗裂等

45、性能應盡量高；含氧量、合金熔點應盡量低。本課題研究擬采取“試驗設計性能測試結(jié)果分析”的技術路線，優(yōu)化工藝參數(shù)。主要研究內(nèi)容如下：1、熔覆層材料的選擇及激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化。通過對不同激光熔覆功率和掃描速度的宏觀、微觀質(zhì)量研究，選擇出適合激光熔覆工藝參數(shù)。2、研究熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)。用金相顯微鏡、x射線衍射等對不同工藝參數(shù)下熔覆層的顯微組織、物相組成等進行分析，揭示激光工藝參數(shù)對熔覆層微觀組織的影響。3、測試激光熔覆層的顯微硬度。測試激光熔覆層的維氏硬度，揭示其硬度與激光加工功率、掃描速度之間的關系，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)。4、檢測激光熔覆層的耐腐蝕性能。測試不同工藝參數(shù)下熔覆層的腐蝕性能并與基體

46、比較，得出熔覆層耐腐蝕性能得以改善的理想工藝。第2章 實驗材料與方案熔覆過程中的工藝參數(shù)對熔覆件的質(zhì)量有很大的影響，激光熔覆工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度或預置厚度、掃描速度、熔池溫度等，他們對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響，一個良好的熔覆層應該具有較低的稀釋率、無開裂、無氣孔、無火渣，使用時無脫落，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，性能均勻，外觀平整，能滿足預定的使用性能要求。在確定了本論文的研究目的與思路后，本章將詳細介紹試驗材料與試驗方法，實驗材料包括基體材料與熔覆材料，實驗方法包括熔覆涂層的制備、檢測分析與性能測試。2.1 實驗材料2.1.

47、1 基體材料實驗基體材料選用45鋼，尺寸長寬厚為100mm40mm6mm。實驗進行之前，基體材料表面用用機械研磨或砂輪打磨掉氧化皮，再用砂紙打磨，增大表面光潔度，減少對激光的漫反射，然后再用乙醇、丙酮清洗吹干，置于烘箱中烘干，防止表面氧化。其化學組成如表2.1所示。 表2.1 45鋼化學成分 csibfecucrmowni0.5-1.03.5-5.03.0-4.58.02-414-192-42-3余量通過對基體金相照片的觀察分析，可以看出基體組織主要由片狀珠光體和鐵素體組成，白色為鐵素體，構(gòu)成網(wǎng)絡狀、條狀分布，晶粒大小極不均勻?；牡娘@微組織如圖2.1。 圖2.1 基材的顯微組織 (a) 基材

48、100 （b）基材2002.1.2 實驗保護氣體保護氣體及載粉氣體均采用高純度氬氣。保護氣體除了能夠?qū)劢圭R片起到冷卻及防止受到熔體汽化污染外，還能對激光熔池周圍采取保護，也能對已成型的部分起到保護，防止氧化。因為已成型的區(qū)域溫度仍然較高，如果成型的金屬暴露在空氣中，則金屬表面會很快氧化，形成氧化膜或氧化皮，這種氧化物對后續(xù)成型層的熔合會起到阻礙作用，使得成型零件易發(fā)生分層，也會因為這種氧化物的熔點比金屬粉末熔點高，不易熔化，從而在熔覆層中產(chǎn)生夾雜，成為熔覆層產(chǎn)生裂紋的根源之一。2.1.3 熔覆材料熔覆粉末對熔覆層組織性能有決定性作用。激光熔覆材料要根據(jù)使用要求與基體的狀況來選配。另外，在設計

49、時，不能一味追求涂層材料的使用性能（耐磨、耐腐蝕、抗沖擊等性能），還要考慮涂層材料是否具有良好的涂覆工藝性，尤其是與基材在熱膨脹系數(shù)、熔點等熱物理性質(zhì)上是否具有良好的匹配關系?；谝陨蠋c，熔覆材料選用粉末化學成份：150目的ni60cumow合金粉末（屬于鎳基自熔性合金粉末，熔點低、自熔性好，具有良好的韌性、耐沖蝕性能、耐磨性能和抗氧化性能，同時對基材又具有較好的潤滑性。）。粉末熔化溫度：10201140，其基本組成見表2.2。試驗前需將粉末置于烘箱中烘干處理，以除去粉末中的水分。 表2.2 ni60cumow粉末化學成分 csibfecucrmowni0.5-1.03.5-5.03.0-4

50、.58.02-414-192-42-3余量2.2 實驗設備本試驗用gs-tfl6000a型（圖2.2），6kw橫流co2激光器（單粉管光外側(cè)向送粉法），基本工藝參數(shù)見表2.3。粉末輸送系統(tǒng)（圖2.3）是激光熔覆中的一個非常重要的組成部分。系統(tǒng)性能的好壞直接決定熔覆層的質(zhì)量，這就要求送粉系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定均勻的粉末流。粉末輸送系統(tǒng)主要由兩部分組成：粉末噴嘴和送粉機構(gòu)。實驗時，為防止反射的激光對聚焦鏡的影響，激光頭傾斜一定度數(shù)。 圖2.2 gs-tfl6000a型激光器系統(tǒng) 表2.3 設備工藝參數(shù)額定（最大）功率6kw（6.5）輸出波長10.6m送粉率530g/min工作氣體co2、n2、ar、he

51、等光斑直徑6mm離焦量60mm焦距30mm透鏡到工件距離360mm 圖2.3 本實驗的送粉系統(tǒng)2.3 激光熔覆工藝方案本實驗主要考慮激光功率和掃描速度對熔覆層（單道法）宏觀形貌、微觀組織及性能的影響，工藝方案如表2.4所示。表2.4 實驗工藝方案試樣編號激光功率p/（kw）掃描速度v/（mm/min）送粉率m/（g/min）s12.84508.5s23.24508.5s33.64508.5s44.04508.5s52.85008.5s63.25008.5s73.65008.5s84.05008.5s92.85508.5s103.25508.5s113.65508.5s124.05508.5s1

52、32.86008.5s143.26008.5s153.66008.5s164.06008.52.4 熔覆層組織與性能測試分析2.4.1 熔覆層的組織結(jié)構(gòu)1、金相分析將激光熔覆后的試樣，用電火花線切割切取金相試樣（20mm6mm7mm），并作以標記。用由粗到細（200#、400#、600#、800#、1200#）的金相砂紙進行細磨，在p-2金相試樣拋光機上機械拋光。采用腐蝕液（fecl3+濃hcl+水）腐蝕，待試樣腐蝕合適后馬上用水沖洗干凈，用酒精擦拭并吹干，然后放到金相顯微鏡進行顯微組織觀察和拍照。2、xrd物相分析xrd試驗原理：每一種結(jié)晶物質(zhì)，都有其特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點陣類型、晶胞大小、

53、單胞中原子的數(shù)目及位置等。當x射線束照射在晶體樣品上時，由于晶體中原子排列的規(guī)則性，各原子散射波互相干涉時，將會在某些方向互相加強，而在另一些方向上互相抵消，合成波的強度隨方向而變。這些信息可以通過感光膠片或計數(shù)器記錄下來，而得到物質(zhì)的衍射花樣或衍射線條譜圖。在混合物中，每種物質(zhì)（相）的衍射線的強度，是和該物質(zhì)（相）在混合物中的含量成正比的。根據(jù)這一原理，可用xrd對混合物中各個組分含量的定量分析。從熔覆層上截取的試塊尺寸較?。?0mm6mm7mm），在金相試樣預磨機上采用200#水磨砂紙水磨，使試樣的磨削面達到熔覆層的1/3左右并且表面光滑。本實驗采用的是日本理學公司的d/max-3b型x射

54、線衍射儀，管電壓40kv，管電流30ma，cu靶。對熔覆層進行物相分析，應用分析軟件進行鑒定物相。2.4.2 熔覆層顯微硬度分析實驗原理：試驗力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值計算公式：hv0.1891 （2.1）式中，hv-維氏硬度符號 -試驗力（n）-壓痕兩對角線、的平均值（mm）可根據(jù)對角線長度d通過查表可得到維氏硬度值。本實驗用上海第二光學儀器廠的 hvs-1000型顯微硬度計對熔覆層截面不同區(qū)域進行顯微硬度測試，載荷500g，加載時間15s 。測量方式是從基體到熔覆層表面邊界沿直線根據(jù)試樣組織變化情況，每隔一定的距離打一個點。2.4.3 熔覆層的腐蝕性能測試用電火花線切割

55、切取金相試樣（25mm6mm7mm），并作以標記。利用電化學方法對復合涂層材料耐蝕性能進行評定。測定極化曲線，通常采用三電極系統(tǒng)。它是由電源（最常用的是恒電位儀）、電流與電位檢測、電解池與電極系統(tǒng)組成。其中電極系統(tǒng)是由研究電極（試樣）、參比電極和輔助電極三種電極構(gòu)成。該三電極系統(tǒng)構(gòu)成兩個回路：一是極化回路（電流測量回路）；二是電位測量回路。該實驗采用ps-268a型電化學測量系統(tǒng)，腐蝕液為3.5%的nacl 溶液（蒸餾水配制），測量試樣在室溫下的極化曲線。參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極為鉑 pt 電極，以 60mv/ min度進行掃描，腐蝕面積為1 cm，延時時間600s，采樣周期1s，電位掃描區(qū)間為 -1500200mv。第3章 實驗結(jié)果與分析常見的熔覆