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1、摘 要激光熔覆是利用高能量激光束熔化涂层材料和薄层基体，形成一个无气孔、无裂纹并能和基体形成良好冶金结合的表面涂层，它己成为现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一，并在“21世纪的再制造工程”中有着广阔的应用前景。 本文用GS-TFL6000A型横流式CO2激光器在45钢基体表面进行了Ni60CuMoW粉末的激光熔覆。研究了激光功率、扫描速度等工艺参数对激光熔覆涂层组织结构与性能的影响，借助光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和电化学腐蚀等仪器设备对不同功率和不同扫描速度下熔覆层的组织结构进行了观察和分析。研究结果表明：在激光功率P=2.83.2kW、扫描速度V=500550m
2、m/min、送粉速度M=8.5g/min的条件下，可得到熔覆层表面光滑致密、组织细小均匀、硬度高（大约是基体的23倍），且与基体实现了良好的冶金结合，耐腐蚀性好。关键词：激光熔覆；Ni60CuMoW合金；显微组织；显微硬度；耐蚀性能；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 energy laser
3、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 century. In th
4、is 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 deferent
5、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 velocity of 5
6、00550 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-hardness; corro
7、sion resistance目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 研究背景和意义11.2 激光加工技术特点与发展11.2.1 激光加工技术特点21.2.2 激光加工技术种类21.2.3 金属材料的激光表面改性31.3 激光熔覆技术简介41.3.1 激光熔覆技术特点及应用51.3.2 激光熔覆工艺71.3.3 熔覆材料的添加方式91.3.4 激光熔覆材料的选择101.3.5 激光熔覆层的质量控制131.3.6 激光熔覆技术的发展现状151.4 研究的主要内容16第2章 实验材料与方案172.1 实验材料172.1.1 基体材料172.1.2 实验保护气体182.1.3 熔覆
8、材料182.2 实验设备192.3 激光熔覆工艺方案202.4 熔覆层组织与性能测试分析212.4.1 熔覆层的组织结构212.4.2 熔覆层显微硬度分析222.4.3 熔覆层的腐蚀性能测试23第3章 实验结果与分析243.1 熔覆层的宏观形貌和微观组织243.1.1 熔覆层的宏观形貌243.1.2 熔覆层的微观组织263.1.3 X射线衍射分析熔覆层的物相组成323.2 熔覆层显微硬度测试323.3 电化学腐蚀353.3.1 工艺参数对熔覆层耐腐蚀性的影响373.3.2 熔覆层的耐腐蚀性能393.4 本章小结39第4章 结论与展望414.1 结 论414.2 展望42总结和体会43致 谢44
9、参考文献45附录A 英语原文47附录B 中文翻译57第1章 绪 论1.1 研究背景和意义45钢是应用最为广泛的一种结构钢，综合性能较好，可用于众多领域。在航空、航天、海洋、石油化工及生物医学工程等领域中有着广泛的应用，随着工业技术的不断进步，其应用领域愈来愈广，应用量愈来愈大，适用条件变得愈来愈苛刻，对45钢性能要求也愈来愈高。但45钢耐磨性、耐腐蚀性能差，大大限制了45钢的应用范围。因此，提高45钢的耐磨性、耐腐蚀性能，对扩大45钢应用范围具有很重要的意义。为了提高45钢的耐磨性能，国内外材料工作者对45钢的表面改性技术进行了广泛的研究，如采用热处理、化学镀、喷涂、溅射与沉积、激光熔覆、微弧
10、氧化及离子注入等方法在45钢表面制备耐磨、耐腐蚀涂层。其中的激光熔覆是代表表面工程发展方向和水平的表面改性新技术之一，利用激光熔覆技术在45钢表面进行改性处理可得到与基材冶金结合，稀释率低，表面形貌良好的熔敷涂层。本课题的目的是选择适宜的激光熔覆合金粉末和激光熔覆工艺，改善45钢表面的力学性能和耐腐蚀性能，扩大45钢这一经济型材料的应用领域。1.2 激光加工技术特点与发展激光是二十世纪的重大发明之一，它具有巨大的技术潜力。美国科学家梅曼(T.H.Maiman)于1960年研究成功世界上第一台激光器以后，激光技术很快就在实际领域中得到应用。随着对有关基本理论研究的不断深化以及各类激光器的不断问世
11、与改进，其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。如今，激光技术己被广泛应用于工业、农业、医学、军工、科学研究等许多领域。激光技术的发展大大促进了多种学科、多种技术和多种生产水平的进步和提高，其影响之大，举世瞩目。1.2.1 激光加工技术特点众所周知，激光具有单色性、相干性和平行性三大特性，这些优异特性是普通光源难以比拟的，因此给激光加工带来了一些其它方法所不具备的特点1：1、由于激光加工具有非接触性、高能激光束的移动速度与能量均可调节等特点，可实现多种加工。2、能对多种金属、非金属加工，特别是可用来加工高硬度、高脆性及高熔点材料。3、激光加工过程中无“刀具”
12、磨损，无“切削力”作用于工件。4、激光加工过程中，激光束能量密度高、加工速度快，并且是局部加工，对激光照射部位没有或仅有极小影响。因此，激光加工造成的热影响区及工件热变形都很小，所需的后续加工量也较小。5、由于激光的高能性，通过透明介质可实现对密闭容器内工件的各种加工。6、由于激光束易于导向、聚焦可实现各方向变换，极易与数控系统配合而对复杂工件进行加工，因此，它又是一种极为灵活的加工方法。7、激光加工的生产效率高，加工质量稳定可靠，故有很好的经济效益和社会效益。1.2.2 激光加工技术种类激光应用于材料加工，解决了许多当前常规方法无法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量。目前，己
13、成熟的激光加工技术包括激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光表面强化技术等。激光表面强化技术包括激光相变硬化技术、激光熔覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用2。1.2.3 金属材料的激光表面改性根据激光与金属材料表面作用时的激光功率密度、作用时间及方式不同，金属激光表面改性技术可分为激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击二类。在激光熔融一类中包括：激光熔化-熔凝处理、激光表面
14、合金化和激光表面熔覆等3-6，图1.1所示为金属激光表面处理方法的分类。图1.1金属激光表面处理方法的分类激光相变硬化主要应用于表面处理，与其它方法相比，有以下特点：1、激光光束能量高，对工件加热快，冷却快，淬硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高15% 20%。2、激光热处理中，由于冲击加热，有促进碳化物溶解的可能性，因而造成碳化物超细化。同时淬硬层中残余奥氏体密度增大，对获得超硬马氏体也有较大贡献。3、仅对工件表面一薄层金属加热，几乎不发生热变形，工件变形小，可省去校直及精磨工序，便于进行精密件局部表面淬火。4、能进行内孔、沟槽侧面及底部的淬火和复杂工件的局部淬火。5、由于聚焦光束焦深相当大，
15、可以允许工件表面有相当大的不平度，便于进行花键及齿轮的淬火。6、硬化深度和面积可以精密控制。7、激光淬火除薄件外，一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂。8、由于工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。激光表面熔凝处理的特点是表面有一层达到熔化状态，根据处理条件的不同，可分为如下几种：1、激光熔化淬火。单纯将表面用激光加热到熔化，然后自身冷却得到淬火组织，也可用于铸锭表面晶粒细化。2、激光合金化。在材料表面熔化的部分加入合金元素（可预先放置，可在加工同时加入），经过短暂的液态对流扩散而形成一层有一定均匀度的合金层，从而使表面获得耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐热等特殊的性能。3、激光熔覆。其工艺过程与激光合金化相似，但差别是所加入的不是一种或几种元素，而是具有一定组成的合金粉末。粉末经熔凝处理而形成特殊合金，具有一定的高性能。后文将详细讨论激光熔覆的有关问题。4、激光非晶化。采用很高的激光功率和很快的扫描速度，使表面瞬时达到熔化温度并超激冷，而将液态时的各向同性保留到固态，使材料的机械性能、磁性、电气性质和耐蚀性能获得提高。1.3 激光熔覆技术简介激光熔覆技术是利用高能密度的激光使材料表面成分、组织
