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1、第十二讲 激光加工技术(三),段 作 梁,电子工程学院光电子技术系,主 要 内 容,12.1 概述 12.2 激光切割 12.3 激光焊接 12.4 激光淬火 12.5 激光熔覆与激光合金化 12.6 激光微细加工,12.5 激光熔覆与激光合金化,一、激光熔覆,1、激光熔覆技术,激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种 重要方法，它是利用高能激光束(104-106W/cm2)在金属表面辐照，通过 迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到102-104/s，在基材 表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种 新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料
2、能充分发 挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到 非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。,激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计的成分的金属或者 非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁 特性的表面覆层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比， 激光熔覆有着下列优点： 熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高； 涂层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨 损、耐腐蚀等性能也比较好； 由于激光作用时间短(ns级)，熔覆层稀释率低，基材的熔化量 比较小，对熔覆层的冲淡率相对低(常规为5%-8%)，因此可在熔覆层比 较薄的情况下，获得所要求的
3、成分和性能，从而节约昂贵的覆层材料； 高达106/s的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的 组织结构超弥散相、非晶相等； 激光熔覆过程易实现自动化生产，且覆层质量稳定。,通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果： a）结合强度高，即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合； b）重熔层平整、缺陷少，即要求重熔层熊充分熔合、脱氧，变得 均匀密实； c）涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释，以保持涂层材料特有的 高强度或者说要求避免基体和涂层的混合。,2、激光熔覆材料,(一) 激光熔覆材料设计的一般原则 (1) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配 激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与 基
4、材之间的线膨胀系数的差异，所以在选择涂层材料时首先要考 虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配，考虑涂层与基材的线膨胀 系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能的 影响。目前，大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数 的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为， 为防止涂层开裂和剥落，涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性 原则，即二者应尽可能地接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基 材和涂层的加热和冷却过程不同步，熔覆层的线膨胀系数在一定 范围内越小，熔覆层对开裂越不敏感。,(2) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配 在激光熔覆技术中，需要对涂层材料关注的另一重要的热物 理性质是
5、其熔点。熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大，形 成不了良好的冶金结合。 (3) 激光熔覆材料对基材的润湿性 除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速 加热下的流动性、化学稳定性，硬化相质点与新结相金属的润湿 性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中，润湿性也是一个 重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层，必须保证金属 相和陶瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面，主要基于以 下原则：, 选择适宜的激光熔覆工艺参数，如提高熔覆温度，以降低 覆层金属液体的表面能。 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金 元素，如在Cu/Al2O3体系中加入Ti提高相间润湿性，在基体中
6、添加 活性元素Hf等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。 改善陶瓷粒子的表面状态和结构，即对熔覆用陶瓷颗粒进 行表面处理，以提高其表面能。常用的处理方法有机械、物理和化 学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在A1基复合材料中，用Ag浸润于 陶瓷表面形成胶状熔体而构成Ag涂层，而Ag与Al有很好的润湿性， 从而形成了Al与陶瓷间良好的润湿与结合。,(二) 熔覆材料的分类及特点 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些 材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等， 这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用， 熔覆时采用火焰喷焊。 (1) 自熔性合金材料
7、自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基 合金。其主要特点是都含有硅和硼，所以具有自我脱氧和自我造渣 的性能，这就是所谓的自熔剂。 自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成Si02和 B202，并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的 元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，,从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料 的硬度与合金的含硼量和含碳量有关，硬度随着硼、碳含量的增加 而增高，这是因为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高 的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。 铁基合金涂层的基材采用铸铁和
8、低碳钢；镍基合金适合于局部耐磨、 耐热腐蚀的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高； 钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金 对基材有较大的适应性，可用于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等 多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。,(2) 复合粉末 在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co基、 Fe基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉 末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒， 制成了金属复合涂层。 复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构 可以分为包覆型和非完全包覆型，其区别在于芯核粉
9、末是否被包覆粉 末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可以避免在高温 时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬 质耐磨复合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化 复合粉末、减磨润滑复合粉末等。,自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中，粉末自己产生的放热反 应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。 碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体 系，包括(Co/Ni)/WC和(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2等系列，这些材料具有 很高的硬度和良好的耐磨性，其中(Co/Ni)/WC适合于低温的工作条件， 而(NiCr,NiCr
10、Al)/Cr3C2系列则适合于高温工作环境。 (3) 氧化物陶瓷粉末 氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热、耐磨、耐腐蚀等 性能，是一种重要的热喷涂材料，包括氧化铝和氧化镍系列。其中氧 化镍陶瓷粉末比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震 性，所以主要被用作热保障层材料。,尽管激光熔覆金属陶瓷材料有着诸多优异的性能，受到人们的重视， 但在应用中存在的问题仍不容忽视。首先是陶瓷材料与基体金属的线膨 胀系数、弹性模量及热导率等性能差别较大，这些性能的不匹配，造成 了涂层中出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用过程中将产生变形开裂、剥落 损坏等现象。 其次，由于激光辐照时，激光熔池中形成的高温，基
11、体熔体和颗粒 间的相互作用以及颗粒加人引起熔池中能量、动量和质量传输条件的改 变等，这些使涂层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解， 并进而影响基体的相组成，使原设计的复合涂层基体和增强体不能充分 发挥各自的优势，造成烧损。 再者，激光熔覆金属陶瓷技术是通过外加陶瓷相的方法形成的颗粒 相，这给熔覆工艺带来了一定的难度，特别是当外加陶瓷相含量较高时， 就很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外，硬质陶瓷相和粘结金 属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素。,为了解决上述问题，在选择陶瓷材料时可遵循如下原则： 选择陶瓷与金属间能够发生化学反应的陶瓷与金属材料； 可能生成的反应产物要与原金属
12、或原陶瓷相间有较好的相容性， 即相似的晶体结构，相近的晶格常数等，且产物不能过大过多，最好以 复合材料的形式出现； 尽可能减小陶瓷与基体金属材料的线膨胀系数和密度的差异，以 避免凝固后形成的固/固界面不匹配，从而降低裂纹形成的趋势； 从固/液界面角度，要求预置的陶瓷涂层在熔化时对于基体具有 很好的润湿性和铺展性，也就是说，涂层的表面张力必须小于基体的临 界表面张力， 涂层/基体界面并非单层几何面，面是多层的过渡区，这一界面区 可能由几个亚层组成，每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。 根据固态相变及化学键的理论，可在涂层中添加某些元索，使之对陶瓷 及基材产生良好的化学作用，在界面上形成共
13、价键结合，提高界面强度。,3、激光熔覆工艺方法,1） 工艺方法分类 根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种： 合金同步法和合金前置法。,2）基材熔覆表面预处理 为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀。 3）预热和后热处理 其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层 产生裂纹，因此，适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷 缩产生的应力，增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物 质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂 纹，特别是对于易于开裂的基材必须预热，在熔覆层裂纹倾向较小的 情况下，有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。 预热的方法主要有火焰
14、枪加热、感应加热和火炉内加热等，其中 前两种加热常用于基材表层一定范围内的预热，并可实现预热和激光 熔覆同步进行。,由于预热降低了表面的冷却速度，因此可能引起激光熔覆合全层 的硬度有所降低，但是对于一些合金(Ni合金等)，则可以通过后续热 处理恢复其硬度。 激光熔覆后的后热处理是一种保温处理，可以用于消除和减少熔 覆层的残余应力；消除或减少熔覆产生的有害的热影响，并且可以防 止冷淬火的热影响区发生马氏体相变。 后热处理通常采用火炉内加热保温，经过充分的保温后，随火炉 冷却或降到某一温度出炉空气冷却，包括加热温度、保温时间和冷却 方式都要视后热处理的目的、基材和熔覆层的特性而定。 4）激光熔覆工
15、艺过程 因为激光熔覆工艺是一个复杂的物理、化学和冶金过程，也是 一种对裂纹特别敏感的工艺过程，其裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆 的每一个因素，包括基材、合金粉末、前置方式、预涂厚度、送粉速 率、激光功率、扫描速率、光斑尺寸等多种因素各自和相互间的影响。,实践证明：合理选材以及最佳工艺参数配合是保证熔覆层质量的 重要因素。在激光熔覆工艺中还有单道、多道、单层、多层等多种形 式。单道单层工艺是最基本的工艺，多道和多层熔覆过程则会出现对 前一过程的回火软化和出现裂纹等问题；通过多道搭界和多层叠加， 可以实现宽度和厚度的增加。 5）激光熔覆层的微观组织特征 工艺参数对熔覆层尺寸和组织的影响。在常规功率密
16、度(103- l06W/cm2)时进行激光熔覆时，可以在0.11s的时间内完成整个熔覆 过程，如此高的加热和冷却速度使得熔覆层的组织有许多特点。一般 来说，激光熔覆层的组织结构分为三个区域：熔化区、过渡区和热影 响区，在不同的合金成分以及工艺条件下的实际形态有一些差别。,4、激光熔覆防开裂对策,（1）裂纹产生的原因 裂纹产生的原因很多，但主要还是与激光熔覆处理后材料内部在 较大的残余应力有关。其来源可分为两部分：热应力和相变应力。如 果基材与熔覆材料二者的热物理参数（如线膨胀系数、热导率等）差 别较大，在高能激光束的作用下，很容易导致热应力的产生。激光熔 覆层中的裂纹大多是由于在熔覆层内的局部热应力超过材料的屈服强 度极限产生的。另一方面，熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材 的固态相变等都会发生体积变化，均会产生组织应力。当这两部风应 力综合作用结果表现为拉应力状态时，容易在气孔、夹杂物的尖端等 处形成应力集中，导致裂纹产生。,（2）抑制熔覆开裂的方法 A调整应力状态，尽可能降低拉应力 （1
