浅谈激光表面熔覆技术.pptx
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1、目录激光表面改性技术研究现状激光表面改性技术研究现状激光熔覆技术发展现状激光熔覆技术发展现状激光熔覆技术的应用激光熔覆技术的应用激光熔覆技术存在的问题激光熔覆技术存在的问题激光熔覆技术的发展激光熔覆技术的发展第1页/共51页0 前言激光的发明是20世纪以来对人类及社会进步影响最深远的重大科技成果之一。激光以其方向性好、高亮度、好的单色性等特有的光学性能,己在多个学科、多个领域得到广泛的应用。激光加工技术是以高密度能源为中心,对零部件进行快速、局部的特种加工,使零部件达到所需要的性能,激光在激光表面改性方面的应用最为广泛。激光表面改性技术是运用高能激光束对工件表面进行改变性能的技术,可大幅度的提
2、高材料或零部件的性能和寿命。第2页/共51页1 激光表面改性技术研究现状激光表面改性是八十年代逐渐发展起来的一门新兴学科,它是激光在表面技术领域中的新应用。该技术可以大幅度提高金属材料的表面硬度、耐磨性和耐蚀性等。激光表面处理效果的优越性使其应用领域不断扩大,从黑色金属到有色金属,甚至还可用于非金属材料的表面改性。第3页/共51页1 激光表面改性技术研究现状激光表面处理同其他处理技术相比具有很多独特优点。首先,激光熔化后形成的组织化学均匀性很高,而且晶粒非常细小,因而强化了合金,使耐磨性大大提高;其次,由于热输入小,工件变形小,对基体产生的热影响很小等;另外,激光表面处理技术对环保几乎没有负面
3、效应,明显的性能优势将使激光表面改性技术在众多表面改性技术中占据主导地位。随着激光器、机器人和自动控制技术的发展,激光表面改性技术将向着大功率、自动化、智能化的方向迈进。第4页/共51页激光表面改性技术加热熔化汽化激光物理气相沉积激光表面合金化激光表面非晶化激光表面相变硬化激光化学气相沉积激光表面熔凝激光熔覆激光冲击硬化激光表面改性方法分类第5页/共51页根据采用的不同激光能量密度和不同处理方式,激光表面改性主要包括:激光表面合金化、激光熔覆、激光冲击强化、激光表面非晶化、激光表面熔凝和激光相变硬化。这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性以及高耐蚀性等性能,
4、从而在满足工作要求的基础上大幅度节约成本。第6页/共51页1.1 激光表面热处理激光表面热处理又称为激光表面淬火,是指应用激光将金属材料表面加热到相变点以上,随着材料自身冷却,奥氏体转变成马氏体,使材料表面硬化,同时硬化层内残留有相当大的压应力,从而增加了表面的疲劳强度。对零件表面实施激光淬火,可以大大提高材料表面的耐磨性和抗疲劳性能。第7页/共51页1.2 激光表面熔凝处理激光表面熔凝是采用近于聚焦的激光束照射,将金属表面加热到熔点温度以上,使材料表面层熔化并在表面形成熔池,在光束移走后依靠自身冷却快速凝固,导致表层组织和性能变化的一种工艺。熔凝层中形成的铸态组织非常细密,能使性能得到改善,
5、可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光表面熔凝技术基本上不受材料种类的限制,可获得较深(可达 23mm 以上)的高性能涂层,易实现局部处理,对基体的组织、性能尺寸影响很小,而且工艺操作方便。第8页/共51页1.3 激光熔覆激光熔覆是以激光作为热源,用不同的添料方式在被熔覆的基体上放置所选择的涂层材料,经过激光照射使之与基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低、并与基体材料形成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的工艺方法。第9页/共51页1.4 激光表面合金化激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固,在表面获得合金
6、层的方法。这种方法既改变了材料表面的化学成分,又改变了表面的结构和物理状态,可使廉价基材获得良好的表面性能。第10页/共51页1.5 激光冲击硬化利用功率密度很高(1081011W/cm2)的激光束,在极短的脉冲持续时间内(10-310-9s),照射金属表面,使其很快汽化并产生等离子体,在表面原子逸出期间产生动量脉冲而形成冲击波或应力波,作用于金属表面,使之产生塑性应变,从而改变金属表层显微组织结构和动态机械性能,提高材料的强度、硬度和疲劳极限。与传统的强化工艺,如喷丸强化和锻打强化相比,是一种洁净、无公害的处理方法。可以处理工件的圆角、拐角等应力集中部位。由于冲击时间短,可提高零件上拐角、孔
7、、槽等局部区域的疲劳寿命。第11页/共51页2 激光熔覆发展现状激光熔覆是一种新型的表面再制造技术,主要用于改善和提高材料的表面性能及零件表面修复。它通过不同的添料方式(一般包括同步送粉法和预置粉末法)在基材表面添加激光熔覆材料,并利用高能量激光束使其熔覆粉末与基材表面薄层一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能优于基体,与基体呈冶金结合,因此使基体表面的耐高温、耐磨损和耐腐蚀等特性得到提高。第12页/共51页2.1 激光熔覆的原理与特点激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高功率激光束以恒定功率与热粉流同时入射到需要改善的工件表面上,一部分入射光被反射,一部分光被吸收。当瞬时被吸收的能量超过
8、临界值后,熔覆材料和基材表面薄层熔化,金属熔化产生熔池,然后快速凝固形成冶金结合的添料熔覆层。激光束根据应用程序给定的路线来回扫描,从而逐线逐层进行实现或修复。第13页/共51页激光熔覆是利用高能密度激光束所产生的局部高温将2种或者2种以上金属界面瞬间熔化,熔覆材料与基体表面试样冶金结合,形成性能与基体成分不同的涂层,既改善材料性能达到既节省贵金属,又提高材料表面性能的目的。第14页/共51页2.1 激光熔覆的原理与特点激光熔覆技术与其他涂层技术相比有明显的优点:(1)冷却速度快,具有快速凝固的特征;(2)热变形小,涂层稀释率低,涂层与基体呈良好的冶金结合,成品率高;(3)涂层材料的选择范围大
9、,如铁基合金,镍基合金等;(4)涂层厚度一般为0.2mm2mm,适用于磨损件的修复;(5)加工精度高,可处理较小或难加工的区域;(6)工艺过程易于实现自动化。第15页/共51页2.1 激光熔覆的原理与特点由于激光熔覆的众多优点,因而在各行各业中得到广泛的应用,但是激光熔覆技术也存在它的不足之处:()由于涂层与基体产生较大的温度梯度,使熔覆涂层与基体体积膨胀收缩率不一致,因此熔覆涂层产生裂纹的敏感性比较大;()由于熔覆带较窄,要想得到大面积的激光熔覆涂层比较困难。第16页/共51页2.2 激光熔覆设备激光熔覆成套设备组成:激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。激光器的选用:应用广泛的有CO2
10、激光器,固体激光器。第17页/共51页2.2 激光熔覆设备CO2激光器是应用最广、种类最多的一种激光器,在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%,北美更高达70%。CO2激光器具有功率高、效率高、光束质量高等优点。第18页/共51页2.2 激光熔覆设备固体激光器主要包括光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器等。具有转换效率高、性能可靠、寿命长等优点,速度快、深度大、无变形、熔覆层无夹渣、熔池细腻无气孔,可以在室温或者特殊的条件下进行工作。但如果熔覆的材料,包括粉末和母材,为高反射材料,则光纤激光器、二极管激
11、光器由于其自身设计的特点,就显得不太适合了,而碟片激光器则比较适合焊接(包括熔覆)、切割反射率比较高的材料。第19页/共51页2.3 添料方式根据合金粉末供应方式的不同,激光熔覆可以分为两种,即预置粉末法和同步送粉法。熔覆材料可以选择丝状材料、板状树料、粉末材料等,其中粉末熔覆应用比较广泛。直接预置法包括无粘结剂预置法和粘结剂预置法。第20页/共51页2.3 添料方式无粘结剂预置法是指利用预置工件将粉末直接预置到基体上,预置的过程中要使粉末分布均匀然后用激光进行熔覆。粘结剂预置法指将粘结剂(纤维素等)粉末按照一定的比例混合加入少量的水使其成为糊状,然后使用预置工具将其预置到基体上并放置一段时间
12、使其涂在基体上干燥的方法,粘结剂预置法成本低,操作简单,但通过激光束的照射粘结剂界面易产生气泡,因而会造成熔覆涂层产生气孔、裂纹、脱落等缺陷使熔覆涂层的质量下降。第21页/共51页2.3 添料方式同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入,有的也采用线材或板材进行同步送料。第22页/共51页在同步送粉激光熔覆过程中的凝固速度要快于预置粉末法,有利于防止陶瓷颗粒沉底或上浮现象,从而大大改善复合层中陶瓷颗粒分布的均匀性。但同步送粉过程中,陶瓷颗粒在送粉同时受激光束辐照,且注入到熔池的中心,由于激光熔池表面中心的温度最高,熔池中心的陶瓷颗粒的
13、吸收热量高,注入陶瓷颗粒仍然有熔化和分解的现象。第23页/共51页2.3 添料方式预置式激光熔覆的主要工艺流程为:基材熔覆表面预处理-预置熔覆材料-预热-激光熔化-后热处理。同步式激光熔覆的主要工艺流程为:基材熔覆表面预处理-送料激光熔化-后热处理。按工艺流程,与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。第24页/共51页2.4激光熔覆的工艺参数激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,是一种对裂纹敏感的工艺。激光熔覆工艺参数是影响激光熔覆涂层质量的一个重要的方面。激光熔覆工艺参数主要包括激光束扫描速度、光斑直径、激光功率、搭接率、离焦量等。涂层成形质量的影
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