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本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：衬板表面激光熔覆耐磨合金涂层学院：材料科学与工程学院专业班级：金属材料1002班学生姓名：宰伟指导教师：张松开题时间：2014年3月25日1.前言激光熔覆技术兴起于20世纪80年代的表面改性新技术,它通过在基材表面添加熔覆材料,利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝形成激光熔覆层,具有较高的表面性能。目前,常用的激光熔覆材料有铁基、钴基和镍基合金粉末等,钴基、镍基合金虽具有较佳的高温性能与耐蚀性能,但原料稀缺,造价昂贵,很难广泛使用。现在广泛使用的工程构件基体材料绝大部分都是钢铁材料,激光熔覆铁基合金因与基材成份相近,界面结合牢固,而且可降低成本,因而受到广泛重视[1-3]。激光熔覆是一项新兴，迅猛发展的技术,它在高能量密度激光(10000一1000000w/cm2)照射下,基体表面薄层与根据需要加入的合金同时熔化,形成厚度为10一1000微米表面熔化层并快速凝固以满足某一特殊性能要求的工艺方法;是集激光加热熔化，熔池中物质交互作用及快速凝固成形等多学科交叉的一门新技术[1-5]。它能够在廉价的基体材料上熔覆性能各异的合金粉末,可提高工件表面的耐蚀!耐磨!耐热及电气特性等,从而节省大量的贵重合金战略元素,具有广阔的发展前景因此,激光熔覆不仅是材料科学和凝聚态物理十分感兴趣的研究对象,而且更是国内外相关学科研究的热点和前沿80年代后,结合CAD技术兴起的快速成形技术,为激光熔覆技术的发展注入了新的活力,使之表现出更为强劲的发展势头2.文献综述2.1激光熔覆技术现状2.1.1常用激光熔覆材料目前，激光熔覆常用的材料主要是热喷焊或热喷涂类材料，其类型包括自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、陶瓷材料等。这类材料具有优异的耐磨、耐蚀等性能，通常以粉末的形式使用，并采用火焰喷焊等方法熔覆，可获得表面光滑且与基材结合较好的覆层，已被广泛用于机械、冶金、水电、航空、造纸和玻璃等工业。将其用作激光熔覆材料亦可获得较满意的效果，尤其是自熔合金粉末、自熔性碳化物弥散或复合粉末等。(1)自熔性合金粉末自熔性合金粉末可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金、铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣的性能，即所谓自熔性。这类合金在重熔时，合金中的硼和硅被氧化，在覆层表面形成薄膜。这种薄膜既能防止合金中的元素被氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而获得氧化物含量低、气孔率少的喷焊层。硼与硅还降低合金的熔点，增加合金的浸润作用，而对合金的流动性及表面张力产生有利影响。自熔合金的硬度与含硼量与含碳量有关，随硼、碳含量的增加而提高，这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致[9]。由于基材含有较高的铬等元素，所以合金还具有优异的耐蚀和抗氧化性。为提高自熔合金的硬度及耐磨性，也可在其中加入较多的WC，形成自熔合金与WC的混合物[10]。以钛合金为基体的表面改性技术，如注入离子，气相沉淀以及微弧氧化等[11－12]大大提高钛合金的应用范围。表1列举了几种自熔性合金粉末体系的特点。(2)碳化物复合粉末碳化物复合粉末系由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所组成的粉末体系。这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉末，能获得具有硬质合金性能的涂层。吴莹等[13]在Q235钢基体上激光熔覆添加有WC的Ni基合金。研究表明，当添加WC低于30%时，激光熔覆不出现裂纹，而当WC质量分数增加到30%时，熔覆层平均硬度增加，出现裂纹。熔覆层中WC完全熔化并溶解，凝固组织主要由枝晶和枝晶间共晶组成，熔覆层呈胞状或条带状快凝亚稳的两相组织。(3)自粘结复合粉末自粘结复合粉末是指在热喷涂过程中，由于粉末产生的放热反应能使涂层与基材表面形成良好结合的一类热喷涂材料，其最大的特点是具有工作粉和打底粉的双重功能。(4)氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末具有优良的抗高温氧化能力，还有隔热、耐磨、耐蚀等性能，是一类重要的热喷涂材料，也是目前极受重视的激光熔覆材料。此类陶瓷粉末主要分为氧化铝、氧化锆两个系列，其中氧化锆系陶瓷粉末比氧化铝系陶瓷粉末具有更低的热导率和更好的抗热震性能，因而主要被用作热障层材料。2.1.2激光熔覆工艺按工艺流程，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。激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。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。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化。熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。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。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。图1是单向送粉双向扫描激光熔覆工艺示意图[14]2.1.3激光熔覆的优势激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。从功能上分类，可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层，如耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。例如Wang等在低碳钢和奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的表面激光熔覆Cr－Si－Ni混合粉末，在熔覆层中形成了大量坚硬、耐磨、抗氧化的初生Cr3Si树枝晶，获得了具有优良高温耐磨性的复合涂层[15]WangAH等[16]利用YAG激光器对SiC增强ZK60(Mg－6%，Zn－0.5%Zr)镁基复合材料熔覆Al－Si合金，使复合材料极化曲线出现明显的钝化，腐蚀电位有很大的提高，腐蚀电流密度明显降低。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。2.2激光熔覆技术的发展动态2.2.1激光复合熔覆技术激光熔覆是由激光作为热源，在基底上包覆一层性能极为优良的合金层，其性能将依照所处理零件的具体要求而定。激光熔覆方法的优点是覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。其缺点也是很明显的:需要很高功率的激光器，单道搭接扫描不适宜大面积处理，难以实现产业化等。为解决这些难题，采用激光复合熔覆技术是有效的途径之一，也是今后发展的重要方向。激光复合熔覆[17]就是采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作。普通加热方法根据需要可以是电加热、各类感应加热等。归纳起来，激光复合熔覆技术具有如下的特点:(1)常规(如感应)+激光[18－19]，二者复合加热熔覆是集两种加热工艺的优点，同时克服了各自单一方法的不足，充分体现了优势互补的特点。(2)用常规方法辅佐了激光加热，从而可以实现用较小功率的激光器完成由原来必需很高功率也不易完成的大面积熔覆，是单一方法无论如何也不易做到的。(3)激光复合熔覆技术扩大了常规技术的新的更广应用，而对常规技术的采纳又进一步促进了激光熔覆技术的应用和产业化的进程。(4)激光复合熔覆技术特别适用于细长杆类，尺寸在一定范围内的轴类等零件，如抽油泵柱塞、某些类型的轧辊及特殊用途的轴等。2.2.2新型激光源的熔覆技术目前，激光熔覆主要采用的是CO2气体激光器，用于大型零件的激光熔覆，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脉冲激光熔覆。最近的工程应用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有优势。表2是两种激光器熔覆不锈钢拉伸试样机械能的比较[20]。发展的另一个重要趋势是采用高功率半导体激光器，利用波长范围808～965μm的红光或近红外激光，较CO2激光器来看金属易吸收，可省去前期预处理，方便易操作。大功率半导体激光熔覆技术较其他熔覆方法具有显著的优势。同时，半导体激光[21－22]可以实现与同轴送粉一体化控制及应用光纤传输与扩束技术进行导光聚焦，实现全封闭传输或光纤传输，实现光、机、电、粉、控一体化高度集成控制;与机器手(人)结合，小型化[23－25]，可实现移动在线服务，满足不同层次的需求。可以预见，在传统CO2、YAG激光熔覆技术之外，新型的大功率半导体激光熔覆设备与工艺，必将逐步发展起来并满足高质量表面工程的需要，成为激光表面处理的重要组成部分。2.3激光熔覆存在的问题评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑:一是宏观上，考察熔覆道外形、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注重分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。目前探究工作的重点是熔覆设备的研制和开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成[26]、扩展和控制方法以及熔覆层和基体之间的结合力等。目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:(1)激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中加热和冷却的速度极快，由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度。(2)激光熔覆过程的检测和实施自动化控制还不够成熟。(3)激光熔覆层的开裂敏感性[27]仍然是困扰国内外探究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍。目前，虽然已经对裂纹的形成进行了探究，但控制方法方面还不成熟。2.4激光熔覆技术的应用激光熔覆技术作为材料表面改性技术的一个重要方向，已经经历了将近半个世纪的发展，现在已经进入到工业化生产中，在航空航天等诸多领域中都有广泛的应用，而且取得了很好的经济和社会效益，目前，激光熔覆的应用有以下几个方面[11-15]。(1)航空航天领域的应用钛合金在航空航天领域广泛使用，主要用来制造高的强度质量比、耐热和耐腐蚀的零部件。同时钛合金在应用过程中也存在许多不足之处，如摩擦因数大、耐磨性差等，如果在钛合金材料表面熔覆一层能增强材料表面特性的物质，同时利用激光熔覆技术，还可以降低成本、节约时间。AeroMet公司关于零件制造方面有了实质性突破，该公司生产的三个熔覆零件已被批准可以在实际飞行中使用。Toyota公司也利用激光熔覆技术在铝合金汽缸上熔覆铜基复合材料,提高了材料的耐磨能力。激光熔覆技术不仅能用于加工零部件，而且能用于修复零部件。在修复方面，激光熔覆可以获得高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温的材料表面，这种技术生产效率高、环境污染小，属于绿色加工技术。RollsRoyce公司利用激光熔覆技术，对航空发动机叶片进行修复，同时把工件的开裂难题给解决了，工时也大大降低了。还有利用激光熔覆技术，在排气阀密封面熔覆合金涂层，熔覆层的硬度和耐磨性大大提高，而且避免了熔覆层中的开裂和气孔现象，同时耐腐蚀性也提高好几倍。(2)汽车制造领域的应用在汽车制造方面，激光器可用于汽车车身的焊接和切割。激光熔覆技术最先适用于汽车零件方面，在排气门的密封面熔覆Stellite合金，通过磨擦磨损测试发现，熔覆层的耐磨性能提高6倍。利用激光熔覆技术可以熔覆耐磨性、耐热性强的材料表面，还可以应用在汽车发动机气门、气门座圈密封锥面等以及排气阀、换向器、齿轮等零部件上。(3)石油领域的应用因石油开采现场的工况条件比较差，许多金属零部件长期处于承受重载状态，同时还有严重的腐蚀和磨损现象，导致金属零部件易损害，这就大大降低了零部件的使用寿命。所以金属零部件需要具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种性能，才能长期应用于恶劣的环境。我国在钻采机械方面利用激光熔覆技术并取得了很大的成果。(4)模具和轧辊领域的应用模具激光表面熔覆技术经过近年来的发展，现已逐步走向实用阶段，许多设备的生产率和产品都由模具的使用寿命决定，目前熔覆技术应用在模具的表面强化和修复方面，激光熔覆技术可以改善模具钢的特性，使熔覆层表面硬度高、耐磨性强和抗高温能力强，从各个方面提高模