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1、铸造技术V0129 No8FOUNDRY TECHNOI，oGYAug 2008材料表面激光合金化研究进展李贵江1，许长庆1，孟丹2，穆志宏1(1河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130；2天津大学机械工程学院，天津300072)摘要：激光表面舍金化是一种材料表面改性处理的新方法，具有广阔的应用前景。本文综述了激光表面舍金化的研究现状，其中包括激光表面合金化工艺制定原理及方法、舍金化涂层的组织特性与性能。研究认为，采取适当的工艺参数和预热处理可以得到理想的合金化涂层，其显微组织具有典型的复合性特征；合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合。结合虽度高，能够显著提高廉价基体材料表面的硬度、耐
2、磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损等性能。同时本文指出了激光合金化当前研究存在的不足和今后努力的方向。关键词：激光表面合金化；合金化涂层；组织和性能；研究进展中田分类号：TGl744文献标识码：A文章编号：1000一8365(2008)08一1136一04ResearchPrOgreSSOnLaSer SurfaCe A0yingLI Guijian91，XU Chang-qin91，MENG Dan2，MU Zhihon91(1SchooI of MateriaIs Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 30013
3、0，China；2SchIof Mechanical Engineerjng，Tianjin Unirersiey，Tianjin 300072，China)Abstract：Recent deVelopmentsandappIcations OfIaseraIIoyingin prOducing nOVeIcOatings arereViewedindeta，incIudingtheprIncIpIeOfthepreparatiOnandthemethod，mjcrOstructuralcharacteristic and prOpertyThe resuIts indicate that
4、the ideaI Iaser aOying coating can be achieVedwith the Optimized parameterS，the micrOstructure Of the aI|Oying Coating is Complex The coatinghas a strOng metaurgiCaI bOnjng withsubstrate，and t11e cOating has high hardness，exceent wearresistanCe，cOrrosion resistance and corrosive wear resistance，sOIt
5、is used wideIyFurthermOre，theneed fOr further research iS discusSed aS wellKey words：Lar su向oe aoying；Alloying coatings；Micr吲砌cturaI and propeny；ReCent cleVeIopmE抓激光表面合金化是金属材料表面改性的一种新方且还涉及到钛合金、铝合金等有色金属1矗。法，它是利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加1激光表面合金化工艺的制定原理及方法入合金化元素，在以基体为溶剂，合金化元素为溶质基11激光表面合金化选材原则础上形成一层浓度相当高、且相当均匀
6、的合金层，从而在选择合金化材料时，首先应考虑合金化涂层的使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温性能要求，其次要考虑合金化元素与母材金属熔体间抗氧化等特殊性能。激光表面合金化能够在一些价格相互作用的特性，还要考虑表面合金层与母材冶金结便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨合的牢固性，以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层，用于取代昂在合金化组元的选择上，既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价等金属元素，也有C、N、B、Si等非金属元素，以及碳化基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。物、氧化
7、物、氮化物等难熔颗粒1。与常规热处理相比，激光表面合金化能够进行局部处12激光合金化送粉方式理，而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合激光表面合金化过程中，合金化粉末的加入方式金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实有13：预置材料法、送粉法和激光气体合金化。其中现自动化等优点，具有很好的发展前景。目前。激光表预置材料法当前应用较为广泛；送粉法则易于实现自面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁，而动化，能够充分利用能量、气孑L率低、生产效率高，可以得到良好的表面合金层质量，具有广阔的发展前景。收稿日期：20071219；修订日期：2008一0701激光合金化典型送粉方式如
8、图14所示。作者简介：李贵江(1981一)，山东郓城人硕士研究生研究方向：激光13激光合金化涂层质量控制表面改性激光表面合金化后，合金化涂层在微观上是不均万方数据铸造技术082008李贵江等：材料表面激光合金化研究进展图1激光合金化典型送粉方式Fig1Typical powder feedof laser alloying technique匀的，熔池的冷却条件、液体对流方式、对流强度及合激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件金元素间的相互作用等对其都有影响。合金化涂层质及温度梯度与凝固速度之比有关。激光表面合金化过量的控制主要包括合金化程度的控制2、合金化涂层程中，温度梯度、溶质浓度、晶
9、体长大速度均随时间变成分的控制、合金化涂层的裂纹与孔洞的防止，以及合化，所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征，主金化表面不平整度的控制等。研究认为，调整工艺参要组织特征类型有三种：平面晶一胞状晶一胞状树数、预热合金化后处理可以得到理想的合金化涂层。枝晶一树枝晶；胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶；胞2激光表面合金化涂层组织特性与性能状树枝晶一树枝晶。文献5，6给出了合金化涂层典21激光表面合金化涂层组织特征型组织，如图2所示。图2激光合金化涂层典型组织Fig2Typical microstructure oflaser-alloying coating22激光表面合金化涂层性能高。当前研究认为，激
10、光表面合金化涂层与基体材料原位生成硬质合金相或者是金属间化合物也是提呈良好的冶金结合，结合强度高，能够显著提高廉价基高合金化涂层硬度的一种好方法，HCMan8预涂体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，获得NiTi粉末对AA6061合金进行激光表面合金化，优化了广泛应用。工艺条件得到了无裂纹和气孔的合金化涂层，其主要221耐磨性组成相为TiAl。和Ni。Al。合金化涂层硬度大于目前，激光表面合金化提高基体材料的耐磨性350HV，明显高于基体硬度(小于100 HV)，合金化多是添加硬质合金化粉末(如SiC，wC，TiC等)，或涂层耐磨性是基体的55倍。AAlmeida等曲添加者激光表面合金化
11、过程中原位生成如碳化物、氮化Mo对铝进行激光表面合金化研究，合金化涂层中Mo物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐的含量为148191，合金层微观组织为弥散分磨性。布于aAl固溶体上的针状或花瓣状的Al；Mo(r)金属预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐磨间化合物。摩擦学试验表明，由于表面合金化涂层的性的工艺目前应用依然很广泛，相当的文献报道都保护作用，AlMo合金的摩擦系数降低，耐磨性能提采用此方法进行激光表面合金化研究。蒋平71利用高，摩擦机理主要是粘着磨损、磨削和氧化。于利根预涂SiC粉的方法对T-6Al一4V合金进行激光合金等1叼分别采用氮气及预涂TiN、碳粉、TiC等方法对化
12、实验，制得以TiC和金属间化合物Ti。Si。为增强Ti一48Al一2Cr2Nb金属间化合物进行激光表面合金相的复合材料表面改性层，合金化涂层硬度及在二化，制得了分别以TiN、TiC等硬质相为增强相的快速体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提凝固“原位”金属基耐磨复合材料表面改性层。干滑动万方数据V0129 No8FOUNDRY TECHNOLOGYAug 2008及磨料磨损条件实验证明，Ti一48Al一2Cr一2Nb金属间合金化后合金层的硬度为可达1 6001 700 HV，耐化合物激光表面合金化后，显微硬度和耐磨性大幅度磨性能高于基体5倍以上，合金层的磨损表面比较平提高。且耐磨性的提高
13、和合金化涂层“原位”硬质相有整，形成的沟槽较浅，未发生粘着磨损。而基体的磨损关，硬质相体积分数越大，材料的耐磨性越高，同时激表面粗糙，存在较深的沟槽，并呈现粘着磨损，经稀土光合金化还可明显改善Ti一48Al一2Cr_2Nb金属间化合化处理后，其耐蚀性得到进一步提高。陈长军16采用物对SiC纤维刷高速滑动二体磨料磨损的耐磨性。二氧化碳激光器在ZM5镁合金上激光合金化预置AlYING Lixia等n1预涂TiB和石墨对9Crl8进行激光粉，获得富Al的MgAl合金化涂层。激光Al合金化合金化，选择合适的工艺参数可以得到无气孔和裂纹使ZM5合金基材表面硬度由7580 HV提高到的合金化涂层，合金化涂
14、层均匀分布着大量的FeC、275325 HV，同时耐蚀性得到提高。SiC、TiC、Cr23C6等碳化物硬质相，合金化涂层显微3激光合金化的应用硬度显著提高，耐磨性明显增强。由此可以看出，这些陈智君等17通过激光表面合金化技术对65 Mn实验均取得了不错的效果。材料割草机刀片进行表面处理，割草机刀片硬度提高激光合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以1倍左右，耐蚀性提高2倍左右，寿命提高1倍左右。提高合金化涂层的硬度和耐磨性，AHussain12首次装机实验表明，与整体淬火比较，激光表面合金化刀片采用850w CW C0。激光器对A1S1 1010低碳钢电镀不易崩刃和断裂，具有更好的安全性，明显优
15、异于常规10 pm镍进行激光表面合金化，合金化涂层微观组织热处理。骆芳18采用激光表面合金化技术对注塑机均匀且无裂纹，合金化涂层含镍5(位于Fe_Ni相图螺杆进行处理，合金化涂层表面平整，涂层厚度达a一。c+p线上)时，硬度为基体的3倍，原因是由于快O3 mm，装机实验测试显示，激光表面合金化处理的速冷却，合金化涂层中出现马氏体组织。螺杆硬度和耐磨性比渗氮成倍提高，使用寿命近60 h，222耐蚀性是渗氮处理的3倍，经济效益较为显著，是一种理想的通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性，是螺杆制造工艺方法。CHTang19等对船用螺旋桨青激光合金化在实际中的一个重要的应用分支，对不锈铜进行激光表面
16、合金化处理，合金化涂层腐蚀性能相钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果，对基体显著提高，使用寿命明显增长，证明激光合金化但其耐蚀性机理较为复杂，目前处于探索阶段。K是一种表面局部处理的好方法。HLo等n3预涂wC粉末对A1S1316L不锈钢进行激4展望光合金化，采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性1964年FECumningham首先利用红宝石激光小的合金化涂层，在35的NaCl溶液中的抗空蚀性器开发了激光表面合金化技术，随着激光器件性能的能可提高30倍。研究认为，抗空蚀性能的提高可能是提高和大功率激光器的出现，激光合金化技术得到了由于激光合金化过程中WC的分解。从而使钨在熔体很大发展，
17、逐渐达到了工业化应用的水平。特别是近中的固溶度提高及枝晶碳化物的析出所引起的。几年来，许多国家和地区加大了对激光表面合金化研Muthukanann Duraiselvam等141则对Ti一6Al一4V添加究的力度，该技术具有十分广阔的应用前景。NiTiTiC开展激光表面合金化研究，所得到的合金激光合金化作为目前最具发展潜力和竞争力的先化涂层致密。几乎无裂纹。腐蚀实验显示，合金化涂层进表面改进技术之一，已初步显示出了其优越性，并日耐蚀性相对基体增加1218倍，耐蚀性的增加主要益受到重视。但激光合金化工艺在开发应用过程中也是由于合金化涂层中金属间化合物所贡献的。存在着一些不足，笔者认为加强激光合金
18、化研究的重223耐磨耐蚀性点应放在以下几个方面。在某些恶劣的工况条件下，要求工件能够具有一(1)加强激光合金化基础理论研究。当前研究多定的耐腐蚀磨损性能，以满足实际工况需要。不同的限于工艺技术研究，而对于激光合金化基础理论研究研究人员实验表明，采用合适的工艺对基体材料进行相对较少。例如加大数值模拟力度，不仅可以节约能激光合金化表面处理，合金化涂层的耐磨耐蚀性能够源，减少开支，还可为实际试验提供数据参考。同时得到改善。田永生15对Ti6Al一4V分别添加碳、(2)激光合金化涂层质量控制。激光合金化质量氮、硼进行激光合金化的硬度为1 1001 300 HV，明是评定实验成败的重要标志，因此加强表面
19、质量控制，显高于Ti一6Al一4V(约405 HV)，磨损试验表明，合金开发出理想的合金化涂层，如耐磨、耐腐蚀、耐腐蚀磨化涂层的耐磨性是基体的34倍。当采用碳、氮、硼损等特殊性能的合金化涂层，才能进一步推动激光合或TiC、TiN等粉末进行复合合金化后，分别进行激光金化技术的推广，发挥更大的作用。万方数据铸造技术082008李贵江等：材料表面激光合金化研究进展1139(3)加大激光器研制力度。当前激光器功率相对较低，且价格昂贵、设备笨重、体积大、灵活性差，多限于实验室研究。因此加大激光器研制力度，生产智能、灵活、价格便宜的激光器，才能够使大规模激光合金化的工业化成为可能，从而使激光合金化技术更好
20、的服务社会，创造更大的经济效益。(4)进一步拓宽激光合金化的应用领域，如尝试进行镁合金激光合金化、有机物的激光合金化研究等。参考文献1张国顺现代激光制造技术M北京：化学工业出版社，20052张永康，周建忠，叶云霞激光加工技术M北京：化学工业出版社，20043丁建春，单国际，任家烈能柬合金化技术的研究现状和发展趋势J中国表面工程2002，(2)：464 Dariush seyed salehisensing and control of Nd：YAG Laser CladdingD Melbourne，Australia：SwinbumeUniversiey of Technology，2005
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22、01，303：2502617蒋 平，张继娟，于利根，等Ti-6Al一4V合金siC粉激光合金化表面合金化组织与耐磨性J应用激光，1999，19(5)：2292318 H c Man，s zhang，F T cheng Improving the wear resistance of AA 6060 by laser surface alloying with NiTi JMaterials Letters，2007，61：4 0584 0619 A Almeida，F carvalho，P A Carvalho，et a11aserdeveloped AHvIo surface alloys：
23、 Microstructure， mechanical and wear behaviourJ Surface and Coatings Technology，2006，200：4 7824 79010 于利根。李晓轩，王华明Ti一48Al一2cr-2Nb金属间化合物激光表面合金化组织与耐磨性J稀有金属材料与工程，2000。29(5)：32833111 YlNG Li-xia，wANG Liqin，JIN xiaomei。et a1 Laser Alloying Coatings of TiB2Graphite on 9Crl8 stainless steel SurfaceJ Journal
24、 of iron and steelresearch，Iinternational，2007，1 4(3)：697212 A Hussain I Ahmad，A Hamdani，et aL Laser surfacesteel by laser surface alIoying using fine wC powderJ and14 K Y chiu。F T cheng，H c Mancormsion behavior ofAISI 316L stainless steel surface_modified with NiTi Jsurfacecoatings Technology，2006，
25、200：6 054 6 06115 田永生钛合金表面激光硼碳氮合金化涂层的组织结构，与耐磨性的研究D济南：山东大学，200616 陈长军，常庆明，张敏，等zM5镁合金表面激光Al合金化行为的研究口应用激光，2007，27(4)：26126817陈智君，姚建华，楼程华，等激光合金化工艺在割草机刀片上的应用研究J激光与光电子学进展，2005，42(8)：586018骆芳，丁建波，孙东跃，等激光合金化对注塑机螺杆使用寿命影响的研究J应用激光，2006，26(5)：32332619 C H Tang，F T cheng，H C Man Laser surface alloying of a marin
26、e pmpeller bronze using aluminium powder Part II：Corrosion and emsioncormsion synergismJ Surface&Coatings Technology，2006，200：2 5942 601alloying of Niplated steel with c02 laserJAppliedSurface Science，2007，253：4 947495013 K H Lo，F T Cheng，C T Kwok，et a1Improvement of cavitation erosion resistance of
27、 AISI 31 6 stainless万方数据材料表面激光合金化研究进展作者：李贵江， 许长庆， 孟丹， 穆志宏， LI Gui-jiang， XU Chang-qing， MENG Dan， MUZhi-hong作者单位：李贵江,许长庆,穆志宏,LI Gui-jiang,XU Chang-qing,MU Zhi-hong(河北工业大学材料科学与工程学院,天津,300130)， 孟丹,MENG Dan(天津大学机械工程学院,天津,300072)刊名：铸造技术英文刊名：FOUNDRY TECHNOLOGY年，卷(期)：2008，29(8)被引用次数：0次参考文献(19条)1.张国顺 现代激光制
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31、ernational 2007(03)12.A Hussain.I Ahmad.A Hamdani Laser surface alloying of Ni-plated steel with CO2 laser 200713.K H Lo.F T Cheng.C T Kwok Improvement of cavitation erosion resistance of AISI 316 stainless steel by laser surface alloying using fine WC powder 200314.K Y Chiu.F T Cheng.H C Man Corros
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33、an Laser surface alloying of a marine propeller bronze using aluminium powder Part II:Corrosion and erosion-corrosion synergism 2006相似文献(4条)1.期刊论文 蔡珣.杨晓豫.卜小梅.陈秋龙.CAI Xun.YANG Xiao-yu.BU Xiao-mei.CHEN Qiu-long ZL109激光表面改性处理-激光表面合金化 -上海交通大学学报1999,33(7)采用10 kW的连续横流CO2激光器在铸造Al-Si合金基底上制备了厚度为2.02.5 mm的镍合金
34、化改性层.利用SEM、XRD、TEM及EDX等分析方法测试了其微观组织和结构.结果表明:合金化涂层是由-Al、Al3Ni2、Ni3Al、AlNi等Al/Ni相以及少量Si相组成,涂层与基底之间界面两侧存在明显的成分变化,合金化改性层的平均显微硬度为179233 HV0.1,比基底Al-Si合金提高了84 HV0.1以上.耐磨性对比试验的结果表明,镍合金化涂层的表面磨损情况大大改善,相对耐磨性提高了4倍以上.2.期刊论文 张立杰 材料表面的激光合金化 -大众科技2009(11)激光表面合金化是材料表面改性处理的重要方法之一,具有广阔的应用前景.文章综述了激光表面合金化工艺制定的原则、方法及合金化
35、涂层的性能,同时探讨了激光合金化当前研究存在的不足和今后努力的方向.3.期刊论文 刘秀波.于利根.王华明 TiAl合金激光表面合金化涂层的组织与耐磨性 -中国有色金属学报2000,10(6)4.学位论文 李贵江 1Cr18Ni9Ti不锈钢激光表面合金化涂层性能研究 2009以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢为基体材料，选择TiC颗粒为主要的增强相，采用激光表面合金化技术成功制备了TiC颗粒增强复合材料涂层。利用 XPert MPD X-射线衍射仪、MBS金相显微镜和PhlipsXL30扫描电子显微镜对激光表面合金化涂层物相组成、显微组织和磨损形貌进行了检测和分析，采用HXD-1000数字显微硬
36、度计和MM-200滑动磨损实验机对激光表面合金化试样进行显微硬度和耐磨性测试。同时对激光表面合金化试样进行稳定化处理，并分析稳定化处理对涂层显微组织和耐磨性能的影响。分析和检测显示，激光表面合金化涂层主要由奥氏体A、TiC和Cr23C6三种物相组成；激光表面合金化涂层组织致密，无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，与1Cr18Ni9Ti奥氏体基体形成了良好的冶金结合，结合强度高；TiC颗粒细小均匀，呈花瓣状或不规则块状弥散分布于奥氏体基体，稳定化处理后，TiC颗粒变的圆滑，有稍微增大的趋势。显微硬度测试显示，激光表面合金化涂层显微硬度高达427.6HV，约为基体的2倍，且沿合金化涂层深度方向呈阶梯分布。稳
37、定化处理后激光表面合金化涂层和基体显微硬度均略有下降，但激光表面合金化涂层和基体间的强韧性结合得到了显著提高。室温油润滑条件下的滑动磨损实验表明，激光表面合金化涂层的平均摩擦系数最大为0.01219，远小于相应1Cr18Ni9Ti奥氏体基体的平均摩擦系数；激光表面合金化涂层最大失重0.1436g，低于相应基体磨损失重的0.3205g；激光表面合金化涂层磨损表面划痕较浅且平滑，无明显的犁沟、粘着和剥落现象，表现出了优异的耐磨性。稳定化处理后激光表面合金化涂层和基体的摩擦系数和失重均较未稳定化前有所降低，耐磨性得到了一定提高；相同条件下激光合金化涂层的摩擦形貌也较稳定化处理前光滑平整，磨损过程更为稳定，波动幅度小，表现出了更为优异的耐磨性能，这说明稳定化处理能显著提高激光表面合金化涂层的耐磨性能。本文链接：http:/