1/1激光熔覆作業2015年春季學期研究生課程考核

（讀書報告、研究報告）

學生所在院（系）:材料學院

學生所在學科:材料加工工程

學生姓名:王保全

學號:14SD09004

鋁合金的激光熔覆

（a）（b）

圖1激光熔覆原理示意

（a）預置式；（b）同步式。

合金材料可以是粉末，也可以是絲材或板材。對于粉末類合金材料，主要采用熱噴涂或粘結等進行預置。熱噴涂包括火焰噴涂和等離子噴涂，其主要優點是噴涂效率高，涂層厚度均勻且與基材結合牢固。不足之處是粉末利用率低，需要專門的設備和技術。粘結法是采用粘結劑將合金粉末調和成膏狀涂在基材表面，該方法的主要缺點是效率低，且難以獲得厚度均勻的涂層，故通常只在實驗室使用。

對絲材類合金材料，既可以采用專門的熱噴涂設備進行噴涂沉積，也可以采用粘結法預置。對板類合金材料主要采用粘結法或者將合金板材與基材預壓在一起。

合金同步供應法是指采用專門的送料系統在激光熔覆過程中將合金材料直接送入激光作用區，在激光的作用下合金材料和基體材料的一部分同時熔化，然后冷卻結晶形成熔覆層。合金同步供應法工藝過程簡單，合金材料利用率高，可控性好，可以熔覆甚至直接成型復雜三維形狀的工件。合金同步供應法使用的合金材料可以是粉末、絲材或板材。由于激光熔敷合金材料多數為粉末形式，從80年代以來，同步送粉激光熔覆技術受到高度重視。圖2所示為同步送粉激光熔覆系統示意圖。送粉系統主要包括送分器和送粉頭兩部分。

圖2同步送粉激光熔覆系統示意

送粉器根據粉末送出原理一般分為自重式、氣送式或兩者兼用。氣送式送粉器具有較高的柔性，是激光熔覆應用的首選。其原理和結構與等離子體粉末用送粉器沒有本質的區別，但對送粉精度和送粉的穩定性要求較高。

簡單的送粉頭是由粉末自重流出，或通過氣流噴射。這種送粉方式粉末束形狀和落點均無法有效控制，更無法配合光束形狀，因此無法保證熔覆層質量的均勻性，且粉末浪費嚴重。我國國家產學研激光中心研制開發的一種匯聚粉末束的噴粉裝置克服了這種缺點。該系統利用通州保護氣，通過噴頭將粉末束匯聚在氣簾中。根據光斑形狀，噴頭有圓形和矩形兩種結構形式。圖3所示為圓形噴頭粉末自由束流與同軸氣保護匯聚束流的比較，這種匯聚束流使粉末具有良好的挺度和可控性，可用于任意復雜工件表面的激光三維熔覆。

激光熔覆的主要目的是在廉價金屬表面形成高性能的合金層，達到降低成本、提高零件表面耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等綜合性能。因此，希望合金層處于最能保持其本身性能的狀態，即在保證與基材冶金結合的同時，最少地被基材稀釋。基于以上原因，激光熔覆要求其稀釋率要盡可能的低。一般認為其稀釋率應小于10%，最好在5%左右，以保證高的表面涂層性能。

3鋁合金激光熔覆特點及適用范圍

與其他表面強化處理相比，激光表面強化具有以下特點：

⑴加熱、冷卻速度快，處理效率高。

⑵激光能量、光斑大小和形狀以及激光照射時間可以精確控制，強化效果

好。

⑶只在需要的部位改性處理，熱輸入低，工件變形小，甚至基本無變形。

⑷激光束易于傳輸和導向，因此可以對復雜零件表面進行處理，如深孔和

溝槽表面。

⑸易于實現自動化控制，勞動生產率高。

⑹節省能源，不產生環境污染。

激光相變硬化原理是在激光照射下使材料表面快速加熱至奧氏體化溫度，隨后通過熱量往機體內部的傳導，使被加熱表面以很快的速度冷卻，從而獲得細小的馬氏體組織，以提高零件表面的耐磨性。它還可以通過在表面產生壓應力來提高疲勞強度，但僅適用于固態具有多形性轉變的鋼鐵類材料。

激光熔凝硬化是在激光照射下使材料表面局部區域快速加熱至熔化，隨后借助于冷態的基體金屬的熱傳導作用，使用化區域快速凝固，形成組織結構極其細小的非平衡鑄態組織。這種組織硬度高，耐磨，抗蝕性好。當加熱速度很快或激光照射時間極短時，對于某些合金，熔化層快速凝固后將得到非晶表面，具有極好的耐磨損和抗腐蝕性能，這就是激光非晶化，有時也叫激光玻璃化。變形鋁合金中，那些不可以用熱處理方法強化的鋁合金多為單相合金，其強度的獲得只是靠固溶強化和冷作硬化。對于這類合金，采用激光熔化處理后，硬度的增加并不明顯。對于變形鋁合金中那些可以熱處理的強化的鋁合金，激光重熔后的強化效果取決于合金的初始狀態。

激光合金化中為了使合金化元素對鋁基體產生強化作用，引入的合金元素必須與鋁基體滿足液態互溶、固態有限互溶或完全不容的熱力學條件，這樣才能在

激光照射后的快速凝固條件下達到固溶強化、沉淀強化或第二相強化等效果。

激光熔覆是以激光束為熱源在工件表面熔接一層成分和性能完全不同于集體而又與基體具有冶金結合的合金表層，以提高表面的耐磨、抗蝕性能。激光熔覆技術作為材料表面改性技術的一種有效手段，可以顯著改善金屬材料表面的強度、硬度、耐磨、抗高溫氧化和耐腐蝕等性能。與表面合金化不同，激光熔覆要求基體材料僅在表面一極薄層熔化，以保證熔覆材料最大限度地不被熔化的基體材料所稀釋。這樣的合金熔覆層基本保持了其原有成分和性質不變。在這種情況下，稀釋被認為是一種污染，將降低熔覆層的性能。比之合金化，激光熔覆能更好地控制表層的成分、厚度和性能。

4鋁合金激光熔覆應用舉例及誤差分析

在鋁合金零件表面熔覆一層特殊耐磨合金已開始走向工業應用。在汽車工業中，現在已開始大量采用鋁質發動機。但是，鋁合金的耐磨性差，對于要求表面耐磨的零件，可以采用激光熔覆技術在零件表面熔覆一層耐磨合金層。

除了傳統意義上的修復受損零件、材料表面改性等應用外，激光熔覆還可以快速制造金屬原型零部件。熔覆過程也可結合填絲技術。圖示出一種活塞環內體閥座齒圈的熔覆技術。采用了藥芯焊絲做填充材料，直接涂敷在各道齒圈內表面上。激光束和焊絲均沿設計的傾斜角度送達涂敷部位，可有效地完成內表面的熔覆加工。相對送粉熔覆，涂層質量較光整。

鋁合金激光熔覆技術已開始在工業中得以應用，其典型代表是日本豐田汽車公司在汽車發動機鋁合金缸蓋上激光熔覆銅合金直接制備出氣閥座圈，取代傳統粉末冶金座圈的鑲壓工藝，使得氣閥座的耐磨性、潤滑性、耐咬粘性及冷卻性均得到了提高。延長了閥座壽命，改善了汽車發動機的性能。現在，這種工藝在日本和美國等國家均已得到應用，并已建立了工業生產線。當前，我國的航天航空和汽車工業正處于發展階段，尤其是汽車有著廣闊的市場。高強度鋁合金的應用必將越來越廣泛。因此，鋁合金激光熔覆技術的開發和應用有著巨大的潛力。

送粉精度和送粉的穩定性要求較高，激光作用時間控制需要準確控制。

5結語

隨著科學技術的不斷發展和進步，激光