《第25教学单元表面处理新技术2--激光表面处理技术.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第25教学单元表面处理新技术2--激光表面处理技术.doc（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、冶金与建筑工程系 教 案第 25 教学单元课 题：表面处理新技术2激光表面处理技术教学目标知识目标掌握激光表面处理技术的原理掌握区分激光合金化和激光熔覆技术能力目标熟悉激光合金化和激光熔覆工艺职业素质目标爱岗敬业 诚实守信 技能过硬 自主创新教学重点激光表面处理技术的原理及其分类教学难点激光合金化和激光熔覆工艺辅助教学手段采用实物、标本、模型、图表、幻灯和录像等手段教学准备准备教学目标、准备学生情况、准备教学材料、准备教学心理、准备教学过程、准备教学评价授课班级授课日期月 日月 日月 日月 日月 日教 学 进 程教学方法及时间分配复习提问：气相沉积技术的特点？以一种激光表面处理技术为载体，采用
2、任务教学法、案例教学法、引导文教学法、现场教学法，通过教师讲解、示范，引导学生学习。4学时导 言：新课内容:激光束和离子束、电子束一起被称为“三束”。采用“三束”对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面处理新技术。这些技术主要包括两个方面:一是利用激光束、电子束获得极高的加热和冷却速度，在短时间内加热或熔化表面区域，从而形成一些异常的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面特殊的性能，提高工件的使用性能，扩大材料的应用领域。其二是利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。一、激光表面处理技术
3、的原理及特点1. 什么是激光？激光”一词在英文里是“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射的辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 2. 激光的特点 方向性好 单色性好 能量集中 相干性好3. 激光加工技术激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。热加工金属材料进行焊接、表面处理、合金化，进行切割、打孔、标记等。冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。 4. 激光表面处理技
4、术激光表面处理技术就是利用具有方向高度集中、能量高度集中的激光束作为热源，对材料进行表面改性或合金化的技术。激光表面处理是在材料的表面施加极高的能量，使之发生物理、化学变化，显著地提高材料的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，成倍地延长产品使用寿命和降低成本，提高经济效益。5. 激光表面处理技术的分类激光表面处理技术工艺包括激光相变强化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等 。二、激光相变硬化1. 激光相变硬化原理激光相变硬化也称激光淬火。以高能量的激光束快速扫描工件，使材料表面极薄一层的局部小区域内快速吸收能量而使温度急剧上升(升温速度可达105/s106/
5、s)，使其迅速达到奥氏体化温度，此时工件基体仍处于冷态，激光离去后，由于热传导的作用，此表层被加热区域内的热量迅速传递到工件其它部位，冷却速度可达105/s以上，使该局部区域在瞬间进行自冷淬火，得到马氏体组织，因而使材料表面发生相变硬化。2. 激光相变硬化特点与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。3. 激光相变硬化工艺激光相变硬化重要的是要控制表面温度和淬硬层深度，且要求在保证一定淬硬层深度的前提下，有较高的生产效率。实际操作中，激光输出功
6、率、功率密度、光斑尺寸和扫描速度等变量是控制的重点，其它变量还有金属的表面特性、导热率、熔点及沸点等。扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量，不能达到所需的相变温度。此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层，对工
7、件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸收率大幅提高。常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)。其中磷化法最好，其吸收率可达80%90，膜厚仅为5m，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。 制冷机压缩机转子采用球墨铸铁制成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。激光输出功率2KW，扫描速度17mm/s，光斑直径4mm。激光硬化区主要是由针状马氏体、奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达HRC60以上；硬化区层深为1mm；使用寿命提高3倍。4. 激光相变硬化的应用激光相变硬化
8、是激光表面处理技术最成熟、应用最广泛的一种方法，由于它具有节能、高效、精密、高性能等独特优点，在生产应用中取得明显经济效益。20世纪70年代欧美等国在汽车行业中应用激光相变硬化，最先获得工业应用。1974年美国通用汽车公司采用激光表面相变硬化技术使汽车转向器壳体内腔(可锻铸铁)的耐磨性提高10倍，80年代已有17条激光表面相变硬化处理生产线，日处理33000件。三、激光合金化和激光熔覆激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很
9、少受到稀释。这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到。1. 激光合金化激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使廉价基体的表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。激光合金化能量密度一般为104106Wcm2，采用近于聚焦的光束。基体材料为碳钢、铸铁及铝、钛、镍基合金等。2. 激光合金化工艺激光合金化的工艺有三种：预置法、硬质粒子喷射法、气相合金化法，下面仅介绍预置法。 采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层重熔、火焰及等离子弧喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉末事先涂覆在要合
10、金化的材料表面，然后激光加热熔化，在表面形成新的合金层。这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。粘结剂涂刷预涂覆的优点是经济、方便、不受合金元素的限制以及易于进行混合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷层厚度不易控制。3. 激光合金化的应用激光合金化可有效提高表面层的硬度和耐磨性。如对于钛合金，利用激光碳硼共渗和碳硅共渗的方法，实现了钛合金表面的硅合金化，硬度由299376HV提高到14302290HV，与硬质合金圆盘对磨时，合金化后耐磨性可提高两个数量级。国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀，使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的TiC-Al203-B4C-Al复合激光合
11、金化，其耐磨性与CrWMn钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原用的CrWMn钢制的托板寿命提高了34倍。4. 激光熔覆41. 什么是激光熔覆？激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同时送入预定成份的合金粉末一起熔化后迅速凝固、或者是将预先涂敷在基材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到一层新的熔覆层。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。激光熔敷的基体材料为碳钢、铸铁、不锈钢和铝等，涂层材料是Co、Ni和Fe基合金、碳化物和氧化铝和陶瓷等。4.2 激光熔覆分类激光熔覆工
12、艺可分为两种：一种是预熔覆激光熔覆法，该法与激光合金化的预置法类似，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。为了调节熔覆层的成分或形成梯度功能，熔覆层可采用多种送粉方式。激光熔覆工艺示意图4.3 激光熔覆的应用激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。1981年美国首先将激光熔覆技术
13、用于强化RB-21侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。最先采用激光熔覆技术的汽车零件是发动机排气门的密封锥面熔覆司太立（Stellite）合金。目前国内外对排气门堆焊高温耐热合金，大多采用等离子喷焊技术，但在喷焊层中易产生气孔，废品率较高，且粉末消耗量大，1988年日本公布了用同步气相送粉法激光熔覆排气门的专利，国内也正在开发类似激光熔覆工艺并已用于工业生产。激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免。为此，研究人员除了改进设备，探索合适的工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其它熔覆材料。 任务总结：掌握激光表面处理技术的原理掌握区分激光合金化和激光熔覆技术布置任务：1.激光表面处理技术的原理是什么？ 2.什么是激光合金化？注：各栏大小可根据需要进行调整。1
