实用激光熔覆金属涂层技术的研究

JournalofAnshanInstituteofI.&S.TechnologyVol.22No.2Apr.1999

实用激光熔覆金属涂层技术的研究

刘开源

(鞍山师范学院机械系,辽宁鞍山　114005)

论述激光成形熔覆涂层的机理及其关键技术———物理参数的优化选择,探讨该方摘　要　法在40Cr基体零件上的应用,对显微组织和性能进行测试和分析,其机械物理性能有明显的提高.

关键词　激光;涂层;显微组织

中图分类号　TG174144　文献标识码A　文章编号1000Ο1654(1999)02Ο0093Ο04

　　在基体表面上涂覆一薄层难溶的的金属化合物(氮化物、碳化物),能显著提高基体的硬度、耐

磨性、耐热性、化学稳定性等机械物理性能.激光熔覆作为一种新型的材料表面处理工艺,由于其有许多独特的优点,将在工业生产中发挥很大的作用.目前,涂层技术在可转位刀片和齿轮加工刀具上应用较广,不仅解决了许多难加工材料的切削问题,有效提高了刀具耐用度,而且大大提高了切削效率.虽然涂层材料及其工艺发展较快,但由于其苛刻的工艺条件及较高的生产成本,使实用涂层技术未能普及,本文探索采用激光熔覆技术在40Cr零件基体上涂覆TIN涂层问题.

1　激光成形熔覆涂层机理

　　由于激光能量在时间和空间上高度集中,与基体材料作用的瞬间产生加热、熔化、分解、化合、冷凝等复杂的热物理和化学效应.若将材料置于气体介质中,会引起工件表面附近气体的等离子化,形成一个加热到上万度的高密度的等离子团,使气体离子与金属化合.若在表面涂敷涂层,当激光束作用时会引起表面涂层物质分解、化合,使N,C,Ti,Cr,W等元素渗入或固熔于表面,在表面形成具有强化作用的薄层,使表面的硬度、耐磨性提高,摩擦系数降低(见图1).同时,形成的TiN(TiC)阻止奥氏体晶粒长大,使急冷后的马氏体组织得到细化,也使表面的显微硬度得到提高,同时由于等离子化产生的[N]在钢的表面增加,当高温时在表面层内达到饱和,提高了耐腐蚀性能.　　因此,利用激光成形熔覆可将所需的元素(Ti,Co,N,C等)渗入到金属表面,其机理与常规的热处理渗碳法

收稿日期:1998-10-20.

作者简介:刘开源(19-),男,辽宁丹东人,鞍山师范学院讲师.

图1　成形熔覆工艺原理图

　　　　　　　　　　　　鞍山钢铁学院学报　　　　　　　　　　　　1999年・94・差异较大.常规的渗碳法是先将所需元素从化合物中分解出来,活性碳原子溶入高温奥氏体中,而后向基体内部扩散,渗碳的最主要的工艺因素是加热温度和保温时间.而激光表面处理包括熔化、分解、等离子化、扩散、冷凝等复杂的热物理化学过程,而且是在瞬间完成.由于液态金属的扩散系数比固相高几个数量级,所以此时既有在流体动力和温度梯度作用下各种组成元素的机械混合,又有能形成固溶体的扩散、传播,从而使元素渗入而化合成相应的新相(如TiN,TiC).

2　激光成形熔覆工艺

211　工艺参数的选择

21111　激光熔化通量密度F　　激光成形熔覆表面所需的能量必须满足:(1)熔化→分解/化合

→重凝的物理化学过程;(2)表面不被气化而破坏.

　　在激光辐射作用下,材料温度场的数值可以确定出平均通量密度,这个通量密度是材料表面上或体积范围内的某一点在一定时间间隔τi内,为了达到指定的温度所必需的.利用半无限大物体的一维加热模型,作为在时间上通量密度恒定的热源,便可得出在表面要求达到温度Tm的激光辐射强度计算式

1/2

λτF=01885Tm/(αi)(1)

式中,Tm为材料的熔化温度;λ为导热系数;α为容积比热;τi为激光脉冲宽度.

　　对具有不同热物理性能的许多金属,从理论上可求得元素熔化通量密度,见表1.

表1　金属的熔化通量密度F值

(cm・)21金属λ/W・℃

α/cm2・s21

018701150118010601650122

Tm/℃τi/s

10-310-310-310-310-310-3

cm22F/W・412×103315×103615×1033×1032×103717×103

铝钢镍钛钨铬

210901510167011511690170

66015351453180033801830

　　激光通量密度F可由激光加工机可调参数决定,包含电压U,电容C,电感L,焦斑直径D和电光转换系数Kz等参数.当激光输出波长一定时,决定激光束与金属表面相互作用的主要参数为激光功率P,焦斑直径D和激光脉冲宽度τ为i.假设焦斑为圆形均匀分布的,则F′

πD2)F′=4P/(

P=015CU2Kz

1/2

τi=2(LC)

(2)(3)(4)

　　实际被基体表面涂敷层吸收的激光通量密度由于各种损耗应小于(2)式所示的F′,此时的实际通量密度F应为

)/(πD2)F=4P(1-γ

(5)

式中,γ为总损耗系数,一般取为0125～0135.

21112　焦斑直径D　　焦斑直径D通过光束的聚焦实现,激光作用于材料表面的位置,在被加工

试件的表面上能够得到焦斑的最小直径等于衍射图样中心斑点的直径,它的值可以用下列关系式确定

D=2144λLf/d

(6)

22卷　2期　　　　　　　刘开源:实用激光溶覆金属涂层技术的研究・95・

式中,λ为激光波长;Lf为透镜的焦距;d为激光束的直径.21113　重叠系数Kc　　激光作用于材料时,熔化区的硬度、耐磨性提高.由于激光能量为高斯分布等原因,使热影响区由于没超过临界温度,发生回火现象.因此,Kc影响熔覆层的硬度,涂层的厚度及粗糙度,应选择合适的Kc.Kc由焦斑直径D及焦斑间距S来确定,见图2.

(7)Kc=S/D　　为减少回火区,避免它对硬度的副作用,同时要提高熔覆效率,Kc应满足

(D-4H)/D式中,H为热影响层宽度,一般情况下H=D/8,则Kc应该选取的范围为1/2～3/4.

(8)

图2　重叠系数影响熔覆示意图　　　　　　　　　　　图3　熔覆装置结构简图

212　成形熔覆装置的设计

　　为保证氮的充分重熔及与[Ti]的化合,必须使氮保持高压气氛,设计采用如图3的实验装置,

氮气压控制在415×10-2Pa左右.实验前尽量排去容器内的活跃气体(H,O等),防止激光辐射时工件被氧化.实验时进气阀、排气阀都打开,高压N2气体流动,试件熔池迅速冷却,使Ti,N,TiN等尽可能多地固熔在工件上.

3　熔覆实验条件及结论

311　实验方法

　　本实验采用未淬火的40Cr钢为基体材料,对激光将要辐照处理的一面进行研磨,去油污和适当的清洗后,涂上厚约013mm～014mm的涂层.涂层材料主要成分是Ti,Co和NH4Cl,按一定的比例配制,并将其均匀混合涂敷.其中Co是为了改善材料的高温稳定性,NH4Cl是活化剂,能提高合金元素的活性.实验用LSΟ200型脉冲激光器对其涂敷层作熔覆处理,激光波长为1106μm,输出平均功率为100W,单次最大脉冲能量为50J,脉冲宽度τi为015～1ms,焦斑直径为3mm,重叠系数Kc取0175.312　显微组织分析

　　将激光处理后的试件沿横向剖开,经研磨、抛光、腐蚀后,在扫描电镜下观察它的显微组织,成形熔覆后的金相组织如图4.熔覆层区的组织为细小的胞状晶,且晶粒排列紧密.其覆层显微硬度的平均值达到HV1950.从腐蚀磨样的过程中发现白亮区的耐蚀程度明显提高,改性层厚度达0135mm左右,距表面0115mm处含0147%的Ti,0153%的N和0129%的Co.通过XΟrag衍射能谱分

　　　　　　　　　　　　鞍山钢铁学院学报　　　　　　　　　　　　1999年・96・析,除有Cr,αΟFe相外,还形成TiN,TiC,αΟCo等新的硬质相,使表面硬度和耐蚀性提高.热影响区受表层激光能量影响较大,其温度达到奥氏体温度以上,当移去加热的激光束后,热量由下面基体迅速传走而急剧冷却,奥氏体大部分转变为马氏体,因而这个区域的显微组织是由针状马氏体和残余的奥氏体所组成.313　脉冲宽度对熔覆层组织的影响　　对不同脉冲宽度下的金相组织进行分析,可知脉冲宽度变小覆层组织细化.原因是激光脉冲宽度窄时,光束辐射在样品表面时间短,

覆层材料吸入的激光能量较少,在基体同样的传热条件下,冷却较快,熔池中大量的晶核来

图4　激光成形熔覆涂层金相组织图不及进一步长大就凝成固态,所以其枝晶组织

较细.当脉冲宽度较宽时,激光束停留的时间长,吸热较多,熔池需较长时间才能凝固,晶枝有充裕时间长大,显微组织呈粗大状.由此可见,在不影响性能的条件下,缩短激光脉冲宽度,可细化改善组织.　　熔覆处理后整体材料的其它测试结果也表明,其机械性能有明显提高.由此可得结论:(1)激光成形熔覆技术能明显提高材料的机械性能,可成为改善金属材料表面性能的有效方法之一;(2)激光成形熔覆的关键技术是物理和工艺参数的优化,合理匹配这些参数能显著提高熔覆层的质量,对于相同的覆层成分,缩短激光脉冲宽度可细化枝晶,改善显微组织;(3)采用脉冲激光所进行的实验为应用大功率连续激光进行成形熔覆技术提供了理论依据和基础数据,由于制备过程工艺简单,成本低廉,其应用前景可观.参考文献

[1]　雷卡林HH,乌格洛夫AA,科科拉HH.王绍水译.材料的激光加工[M].北京:科学出版社,1982.75～87.[2]　王家金.激光加工技术[M].北京:中国计量出版社,1992.58～70.

[3]　宋武林,朱蓓蒂,黄为等.真空激光熔覆的研究[J].激光技术,1997,21(4):243～245.

[3]　宋武林,朱蓓蒂,张杰等.激光熔覆层热膨胀系数对其开裂敏感性的影响[J].激光技术,1997,21(6):34～36.

AStudyontheTechnologyofPracticalLaserCladdingMetalLayer

LIUKaiΟyuan

(Dept.ofMechanicalEngineering,AnshanTeachersCollege,Anshan114005,China)

Abstract

Inthispaper,themechanismoflaserΟformingcladdinglayerandit’skeytechnology,i.e.theoptimumchoiceofphysicalparametersispersented.Theapplicationofthistechnologyto40Crsteelsurfaceisal2soexplored.Todifferentlaserpulsewidth,themicrostructureandmicrohardnessofcladdedsurfacearetestedandanalyzedtheexperimentalresultsshowthatthemechanicalandphysicalperformanceofcladdedsurfacehasaapparentimprovement.KeyWords　laser;coating;claddingmicrostructure

(ReceivedOctoer20,1998)