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1、?年第?期称有金胭材料与工程钦合金的激光表面熔化和合金化?等引言现在,人们 对于激光改进 钦及其合金的表曲显 微组织、成 分和提高性 能所 表 现 出来的 兴趣 增加。该研 究包括?预涂层基体熔化困、细小碳化物粒子注入?,、在氮中熔化的表面 熔化? ?一? ?和合金 化旬。本 文 报 导了通过 广泛研究所取得的 结果,以探 索该领域的淤力和实际问题。激光参数 与激光处理区的尺 寸、外形、组织和性能有关。使 用 三维热传导 模型来计算热循环。表面 熔化的研究包括纯钦,近?,?日,日型合金。一个特殊的目的是表征用快速冷 凝 法产生的 组织。表面合金化是 一种 改进表面特性的简便方法。本文报导 了镍
2、、银和 铂对电化学 特性和氮对硬度的影 响。光束的速度?为?至?毫 米?秒,光束直径?为?毫米。为了减少 折射,试样原始表面状态是经标准机械抛光的或喷砂处理的。在某些 情况下,用?石 墨敷涂来帮助 能量祸合?。?户为了防止 氧和氮的 污染,研 制了一个有效的去?蔽系统,这个系统包括 一个中心狱气喷哎和一个氢 气外流通道。此 系统也可通过 中心 喷 嘴输入氮气来使表 面合金化。用 镍、铂、银表面合金化包括把合金元素预先镀在基 体上。用于显微 组织研究的电镜薄膜平 行于激 光 熔化表面。同时,还 进行了硬度和电化学侍性的测 量。结果与讨论表面熔化?区域尺寸和外形使用聚焦激光束时,移 动速 度在低
3、于 试验过程表面 熔化和合金化是用?千 瓦?连续激光器?功率 范围为?一?千瓦?进行的。被研究的材料如下?工 业 纯 钦、? ?一?、? ?一?一?、?入 ?一? ?一?一?一?、? ?一? ?一?一?五 左。一?、?一? ?一?一?一?一? ?一?、?一?一?”?一?一?一?。截取的试样厚 度一 般为?毫米,对应 的激,? ?巨二二二?不厂了厂了穿, 描产编 移动邃度,毫米?秒图? 熔化区的深度和宽度与移动速度的关系?千瓦?通毫米州?口扣”令“冲侧叫冶州,到阳例洲陌州, 曰妇冲,州冲创,州知曰令肺咖呻如冲妇州冲州知例抽别娜 州冲州, ?,钾?如,卜曰今“物刽冲时? 令肠哈“冲侧份“呻? 州抽
4、州陌点,从而提高产品 的机械性能。有吸引力的素粉末混合法的 生产 工 艺,也建立了预合金技术包括高压低温 热等静压、挤 压和 动态成法的生产工 艺,并将出现 用快 速冷 凝方 法生形技术,如枪击成形和爆炸成 形。可以预产的 钦合金系列。料,在? ?年下次国际钦会时,既建立 了元廖际常译曾泉浦校? ?稀有金月材料与工程?期?毫米?秒范围内,熔化区的深度和宽度随移动速度的降低而 明显增 加?图?。这 与政善藕合效率的 锁 眼? ?七? ?和等离子?效应有关?图?略?。移动速度在最低的情况下?毫米?秒?,形城一个深的半球形熔化区。激 光束较宽时,亡溶化区 的形 状 受导热方式的 限制,而且用低助移动
5、速度容易得到平坦的表面形状。表面的皱波? ? ?幼现象, ?图?略?随移动速度变化。浅 的皱波组织与低的速度和宽的辙光束有关。尽管在某些情况下发现 表面“龟裂”现象,但 所研究 的合金熔化区内没有观察到裂纹。裹面熔化?显徽组织熔 化区主要 是 由大致 垂直于熔化 区界面方向长 大的 柱状 晶组成的?图?,略?。这些晶沐的宽度随着 移 动速度 的增加?即随着 冷却速度 的增加?趋于降低。晶体长大是油基 休 的户晶粒向外延伸的。在残留日的合 金? ? ?一? ?。和?卜 ?一?一?中很好 地揭示了晶 体长 大机制。熔化界面的无 特 色的 区域被解释为?晶体前端的长大 是 由于温度梯度与凝固 速率的
6、高比率 引起的。在其他合金系 中,也观察 到类似的特性“,。整个熔化区显示 出不清晰二 次枝晶组 织的蜂窝状?树 枝状 生 长。一 在所研究的状态下,晶胞间距范围 从?至?微米,它随 冷却速度的增加而减小。?激光 处理试样?晶胞 间距?微米?薄膜成分 分析表 明,钥 从? ? 变至? ?重量比?,此变化归因于晶胞核,这 与缓一慢冷却材料的早 期工作十分吻合“。纯 钦、近?和日钦合金? ?和? ? ?在固态迅速 冷 却过程中,发生的日马氏体转变掩盖了蜂 窝状组织。然而,用深 浸蚀法可能显示?合金的这种 组 织。用? ? 石 墨 预先涂 在基体表面以增加能量吸收,产生了不同 的腐蚀反应?图?略?。
7、这个现象归 因于在熔化过程中碳 的 吸 收。? ?一? ?一?合金熔 化区的透 射 电镜观察证实,它是一种马抚体组织?图?略?,没有残余日相。马氏体片常有孪晶亚结构,认为是存在某些斜 方马氏体?“。选区衍 射花 样证实它是与日相有正常柏格斯?时琶? ?关系 的马氏休。此马氏体比常规淬火材料更 细。在靠 近熔化区 的钦摧体内,有一个快速加热速度?了“? 秒?区,产 生 的温度是在?干日 ?转变点与 固相 线之间。原始马氏体?产?组织?如某 些近?合金 中?复原为日,然后在冷却过程中?一般速度为? ?一? ?“? 秒?再形成马氏休?快 速加热?婴区与 熔化区之间的边界用普通光学显微镜是不能描述的?
8、图?略?。在?一? ?一?合 金的热影响区中?图?,?略?原始组织是?十由当与 未受热影响的基体距离增加时,原?区似乎变戍了 马 氏休。这种变化可解释为?快速 转变成日,然后在冷却过程中形成马氏体。在部分热 影响区中,观察到这 种效应的地方,其日区加热 的估算时间太短,以致不能在“回复”?区?溶质贫泛?和原日区?富溶 质?之 间充分扩散。当接近熔化区时,其温度可使扩散得到相当均匀成 分的日,然后在冷却过程形成马氏体。图?略?指户了激光处理 的? ? ?试样随 后在? ?小时空冷十? ? ? 小 时热处 理的 组织。在熔 化区和 热影响区中的马氏 体发生了?沉淀。表面合金化?处理方法预 涂层基体
9、的试 验,所用的激 光 器功率为?千瓦,移动速度为?一? ? 毫米?秒,光束直径为?一?毫米。低的移动速度和散焦光束有助于获得无 污染的 平坦表面,较高的移动速度和较窄的光束增加湍流和对流。为得到?一?层,工 业纯钦在激 光处理前镀镍,作为成功的合 金化表面层 应具有低的反射表 面,低程度 的污染,对基 沐的附着力强 和低的残余应力。已研制出合适的方法可生产厚为? ?微米的合金化层“?。熔化深度达到? ? ?微米时,形成 的合金层 的镍量达? ? ,反复镀层?次?和熔化产生的合金层镍量达? ?。当用银合金化时,?期钦合金的激光表面铭化和合金化略?。与一 般 的含镍浓 度一? ? 相比,在合金区
10、的偏下部分有一个含镍 量相当低的层丈?石?。反复熔化所 造 成的含镍高的区域,形成了?和? ?。裂纹不 是主要问题,但随着含镍量 的增 加而增多。在整个含镍量范围的试样上 进 行的电化学 测 量表明,合金层具有有用的阳极性?图?。矿兴国?碧椒?口曰? 叫、之户, ?把胶悬 液涂在纯 钦板表 面,预 热 到 ? ?,进行?次涂层 和 反复激 光 熔化。离子镀铂 的, ?和? ? 合 金律 表面 激 光 熔化进行铂 的 台金 化?大约 ? ? 微米镀层?。在这些 试验中没有使用双 流 动屏 蔽系 统,从而产生 一些污染。其他研究使用有薄 镀铂层的?毫米厚的纯钦板。预 涂层表 面 进行激光处理 时,
11、可用 平行重 叠光束,每个熔化区都 首先引起涂层 的部分熔化,通过激光 处 理产生 基体区和合金区。每个区域的总成分取决于这些部分的相对量。计算表明,开始合金含量显著降低,其后 引起反熔化? !#,然后成 分趋于一个稳定值幻。激光处理过程中要求穿 过表 面层 的 成分变化最小,初 期的 一系列通 道应当弃掉。导 致 成分变化的另一个因素是试样消耗大量 的热,由于吸 收率 的增加和基 体的预 热使熔化深度逐 渐增加。由于非线性熔 化速度,例 如用 镍 (激光 器 的功率为1.5千瓦,移动速度为1 04 0毫米/秒,光束直径为1.53毫米)来控 制低稀释度(elilution)(即基体的浅熔化)是
12、困难的,实际上渗透深度是 不变的。当镀镍层 熔化 时,结果是以高稀释度使基休快速熔化。离 子镀 铂也发现了这种类似 的现象。用 不 同流速的氮对 纯 钦和T i一 1 5M。合金进行氮化(激 光 器的功 率1.5千 瓦,移动速度为2 5或5 1毫米/秒,光束直径为1.5毫米)。除了单通道处理外,在同一表面(即完全重 叠)区,用氮还 进行多至7次的多通道处理熔 化。其他 试 验利用特 殊的 重叠而平 行 的激光 通路,由于反熔 化的 结果 而 导致氮含量 的逐渐增加。合金化区的组织和性能Ti一NiTi一 Ni合金含有金属间化 合物TiZNi,TI Ni和T IN i3。熔化50微米的 镍层形成的
13、区域中,在轻腐蚀的母 相里(假定是。了 )含有初生 的树 枝状TiZNi晶体(用X光衍射鉴别)。流动花样表明了对流的混合作用,从而导致成分或者组织 的均匀性(图81.吞王.0应用电位, V图929%镍表面合金化的工业纯 钦的Tafel曲线T i一 Ag:检 验了含银( 1 0%的合 金层,它 是一 种a ,组织。阳极特性类似 于纯钦,在低应 用 电位下 是钝 态 的。Ti一 Pt:图10(略) 示 出了 合金化的IMI318合金的 组织和 成 分的 均匀性以及裂纹和孔 隙。在图10 a(略).上,合金层的 平均含铂量估计为1 0 %。楔形区沿 熔化区和基休区 之间的界面扩展, “,这 是由于在
14、131 0形成(T i+TisPt)共晶 的 结 果4,。在6 50进行的抗氧 化性试 验表明,镀 铂 基体的激光 熔化对它 不十分有利。纯钦镀铂 的试验中,产生有微裂 纹的 浅合金化区(I000H V,然而,数据十分分散,这是 由 于不均匀性影 响的结果。在特殊的重 叠 激光通 道 的情况下,氮量逐渐增加,TI N增多。TIN树枝状晶体从上表面 缓慢长大,这可用随着表 面 下 的距离增加,氮含量降低来解释。当液态中含氮量15%(原子比),TIN可在表面 形核,这使液相 线降低,而 导致结构过 冷和树枝状晶体长大。整个熔化区氮的分布受流 动 因素的影响(图na,略)。这 些因素来 源 于对流、表 面拉力和在表面上氮的 喷射冲击。保留在T IN树枝状晶休之间的液体,由于原熔化区主 凝固前端向前发展而凝 固。某些 熔化区有TIN枝晶是 由于 流动效应引起 的高氮浓度造成的。摘要和结论钦 合金激光表面熔化可产生有限 的流动、表面光滑的无 裂纹 熔 化 区,深度高达0.3毫米左右,凝 固机制主要是蜂窝状/树枝状,在一些 近a和a +日合金中,熔化区是细片状马氏体。在热影 响 区中,a或a,转变成日,然后在 冷却 过程中形成a,。预涂层基体表面 熔化可成功地获得不同成分的合金层。钦在氮 中激光熔化时,在表面 层形成TIN,其硬度值接近 或大于I000HV。林永新译郑月秋校
