2、激光表面熔化加工
激光合金化和激光涂敷需要比激光固态相变硬化更大的激光功率密度，它的发展和激光 技术的发展紧密相关。一般情况下，1—1．5kW的连续C02激光器可进行基础性的研究，有效的工业应用则需要2—10kw的激光发生器，我国已基本上能满足这个要求。
激光合金化和激光涂敷在激光工艺技术方面有许多共同之处，但物理冶金过程有各自的特点，现在分别说明之。
（1）激光合金化
一般情况下，在廉价材料的表面上添加新的合金元素，用高能激光束辐照熔化、新添元
素和基体表层熔合而形成一种和基体与新添材料性质完全不同的新的合金表层，达到表面改性的目的。
1．合金元素的加入
激光合金化过程中，合金元素的加入工艺直接影响合金化层的质量，主要有以下两种：
(1)预涂层：在激光处理前，把准备好的合金元素预置在样品或零件的表面上，常用电镀、蒸镀、离子注入、溅射等方法。这种方法对进行精确的物理冶金研究是有好处的，但对产品上的实施困难较大。试验中也常采用合金元素和纤维素混合，然后再刷在要处理的部位，但这种方法所获的预涂层不均匀，而且比较疏松甚至容易脱落，其优点是操作简单，便于在实验室内进行一般性实验。热喷涂或等离子喷涂制备预涂层是近来应用较多的方法。涂层均匀，结合良好，而且容易在产品上实施，但值得注意的是在喷涂过程容易把某些合金粉末烧损而影响原成分配比。喷涂本身也是一项较为复杂的表面技术，增加了整个处理过程的复杂性和难度。
(2)气流送粉：在激光对基体表面预熔化的同时，用气流(Ar、He、N2)把预先配合好的合金粉末喷注在激光熔池内，经熔化、均匀混合、凝固后则形成新的合金表层。这种方法对合金的粉末量容易控制，工业应用的实施方便，是比较受人欢迎的一种新的方法。当然送粉装置的设计加工在一定程度上也影响它的顺利推广和应用。
（2）激光涂敷
激光涂敷的原理和堆焊相似，把预先配好的合金预刷在要处理的零件表面，然后用激光熔化，或激光熔化的同时把合金粉末喷注在熔池内。不像激光合金化那样，新加入的合金和基材表面全部混合，而是预制新合金全部熔化，基材表面微熔，激光离去后，凝固并形成和基体金属牢固结合的涂敷层，它的性质和基体性质不同，人们可根据工况条件选配涂层材料。
激光涂敷的基体材料以钢和铁基合金的研究最多，其他有铝合金、铜合金、镍合金、钛合金。
涂敷材料有：Co基，Ni基和Fe基金属粉，非金属陶瓷材料有SiC，WC，TiC，AL203；Zr02，Y203，BN等。
其目标主要是提高零件表面的耐磨损、耐热和耐腐蚀性。例如刀具和石油钻头上涂敷WC提高耐磨性；汽轮机和水轮机叶片表面涂敷Co—Cr—Mo合金，提高耐磨和耐腐性，聚乙烯造粒模具上涂敷Co包WC和镍基合金，其他如轧辊、阀柄阀座等许多重要零件进行激光涂敷后都取得显著的效果。目前最引人注意的是陶瓷和某种金属粉末混合而进行的涂敷，效果最好。工艺上多采用热喷涂预涂层后激光处理和将配好的陶瓷与金属粉末喷注于激光对金属作用的熔池内，也有采用合金丝进喂熔化法。
目前存在的问题：不同程度地产生裂纹；大小不一的气孔。特别对陶瓷涂层更为严重。克服的方法有对陶瓷涂层采用成分(陶瓷粉末和金属粉末)由内层到外层逐渐变化法；合理控制功率密度以控制气化、熔化量和冷却速度；适当的预热，减少应力；若用气流送粉则适当控制流速。
根据现在的实践表明，这是一种非常有希望的表面技术。
（3）激光表面熔凝
利用高能激光束使金属表层快速熔化并造成和基体之间很大的温度梯度，激光离去而凝 固，形成极细乃至超细化的晶体结构或非晶态金属玻璃。这种处理可以减少表层成分偏析，熔合表面存在的缺陷和裂纹，提高零件的表面强度、塑性和抗腐蚀性，对改善铸造零件的强度和焊缝的抗腐蚀性特别有效。如汽车凸轮轴铸件、柴油机铸缸套外壁，激光表面熔凝处理后使强度和耐蚀性都有明显提高，对改善奥氏体不锈钢焊缝的晶间腐蚀也有明显的效果。
3、激光表面处理技术在设备维修中的应用
（1）激光表面非熔化加工的应用
在激光表面强化技术中，激光相变硬化是一种较成熟、工业应用最广的方法。在机械、汽车、航空、武器、电器等许多工业中所使用的金属材料和零件，其工况条件希望零件整体具有良好的韧性，而表面则要求高硬度抗磨损。普通热处理工艺很难满足这个要求，一般情况下采用折中方法。若零件的表面需要很高的耐磨寿命，常借助于表面工程技术加以解决。激光固态相变硬化是比较现实可行的方法，现结合一些实际例子进行说明。
1．汽车零件：美国通用汽车公司Saginaw厂处理可锻铸铁材料的转向器箱体，采用15台激光器，实现日产3万件的激光淬火生产线，耐磨性提高10倍，费用仅为氮化的1／5，节电90％，是激光处理推向工业实用的最好范例。
美国通用汽车公司电力机车厂用4台5kWC02激光器对3种大型增压柴油机缸套进行表面激光相变硬化处理，现已稳定生产多年。在我国，激光相变硬化的应用范围和规模正在扩大。长春第一汽车厂已成功地对汽车缸套内壁进行激光固态相变处理。大连机车车辆厂用于东风型机车柴油机缸套及主簧片的热处理生产线，西安内燃机配件厂用于拖拉机柴油机缸套的激光热处理生产线，重庆纺织专件厂用于锭杆的激光热处理生产线，首都汽车公司用于进口汽车发动机缸体的激光热处理生产线等。
其他应用还有处理各类轴体(碳钢和球墨铸铁)、齿轮(铁素体铸铁和碳钢)、阀门(灰口铸铁和碳钢)、垫圈(可锻铸铁)、凸轮轴凸脚(铸钢)、活塞环(铸铁和钢)、缸筒和缸套(钢)及气轮机叶片缘口(马氏体不锈钢)等零件，均能得到良好的强化效果。在维修领域，激光对汽车缸体的热处理已经成为普遍手段。汽车挺杆、阀杆导孔内壁、后桥、曲轴、复合轴、凸轮轴、气缸盖、齿轮的激光处理都取得了显著的效果。
2．邮票打孔器：邮票打孔器有两种，一种是普通型，有两个辊筒，一个辊筒上均布数万个小孔，另一个辊筒装有相应于小孔的数万枚针。由于配合精度要求高，整体变形不能超过20微米。机加工后由于担心变形问题而无法进行孔刃强化处理，因此寿命很低，供不应求。激光相变硬化处理后，寿命提高10倍以上，经济效益十分显著。另一种是纪念邮票的平板打孔器，长期靠进口供应，激光处理后使用寿命也提高7倍以上。结果表明，激光相变硬化除了强化作用以外，处理后零件的变形也很小，在一般情况下可作为最后工序。
3．其他：冷冲模具、轴承、纺织机械中的锭杆、锭座、拉刀、针布、齿轮、细长轴、导轨、块规、轴颈、叶片、刃具、切刀、机车弹簧联轴节主簧片、检棉机及拉伸机刀口等。
上述所列零件的共同特点是表面或局部要求高硬度、高耐磨性、变形小。激光相变硬化 后效果都比较好，而且工艺简单，容易实施，重复性好，便于自动化生产，成品率几乎可达100％。由此可见，激光相变硬化是一种很有发展前景的表面工程技术。
（2）激光表面熔化加工的应用
1．美国VAC0公司在汽车排气阀上进行激光合金化，它把配有Cr30％的金属粉末预涂在排气阀基体上，然后激光熔化和机加工，这样可使价格下降80％，同样也对灰口铸铁阀座进行表面合金化处理，代替昂贵的高温合金材料，既延长了使用寿命又降低了成本。
2．在具有高韧性的20号钢(0．2％C)基体上进行合金化，合金粉末为Ni—Cr—Mo-Si—B，表面硬度达到HVl600，这样既保持了零件的高韧性，又提高了表面的耐磨性。
3．近几年，由中科院力学所研制开发的激光拉毛技术在几个钢厂得到了较好的应用。 激光拉毛实际上是一种表面不连续熔凝的方法，将脉冲式高能量密度激光按一定方式编组 (采用单脉冲或多脉冲)，等间隔作用于工件表面，并使之熔化，同时用具有一定成分、压力和流量的辅助气体，以一定的入射角吹动熔融物，将其搬迁并按预定要求堆积到熔池边缘，形成均匀分布的精细凹坑与凸包结构。用激光拉毛法取代传统的喷丸法，对冷轧工作辊进行加工，结果生产出了优质薄钢板，取得显著经济效益。激光拉毛法的优点在于①提高辊的使用寿命。激光快速熔凝高度细化晶粒，辊表面显微结构的离散分布有利于改善辊面的润滑条件、减小磨损；熔凝加工产生的压应力有效改善表层的韧性。②优化轧辊使用效果。改善轧制时的咬入条件，防止辊板打滑、板卷退火粘结，赋予薄板表面指定形貌和粗糙度，制造异步轧制效果。③改善薄板使用性能。冲压流动性好，漆面光亮度高，均匀塑性变形能力强。
4．复合处理：40Cr钢的渗硼层，激光重熔再晶化后，使表层获得的金相组织为硼化物的共晶合金层，使原来的渗硼层的脆性得到改善，获得较好的硬度和韧性的配合。
5．Toyota公司在铝合金汽缸盖上用激光熔覆铜基复合材料，耐磨性显著提高。Mit— subishi电机激光物理气相沉积熔覆一薄层A1203于铝上，使其抗冲蚀能力超过弹簧钢。电触 头业中，在铜基体上用激光熔覆厚度小于0．02mm的银涂层代替对人体有害的电镀工艺，减 少贵金属浪费，生产效率大大提高。激光熔覆的另一个重要应用是修复关键零部件。例如， 激光熔覆Ni合金修复汽轮机叶片工作刃，在工业生产中具有重要的经济意义。
上一页 [1] [2]
本文关键字：技术 激光 维修 表面处理 常识知识，机械设备 - 常识知识
