激光表面熔覆及合金化技術(shù)

一般鋼鐵材料在進(jìn)行激光表面相變硬化時(shí)，其表層是熔化的，為了加深表層硬化層才使表層熔化。表層熔化時(shí)，可使合金元素溶入表層基體材料中，以提高表面耐磨蝕性、耐磨性和抗沖擊強(qiáng)度等。這種表面處理有表面合金化、表面涂覆、非晶化和快速熔凝等。

1 激光表面熔覆

激光表面熔覆（Laser Surface Cladding, LSC）是使金屬或合金粉粒在激光處理時(shí)完全溶化，同時(shí)盡量減少基體熔化，從而在基體表面形成一個(gè)主要由熔化粒子組成的涂覆層。涂覆材料可由水玻璃之類(lèi)的粘合劑調(diào)好后涂上，也可使粉粒同氣體一起從噴嘴出涂在零件表面。自熔式合金粉末有泉基、鈷基、鐵基、銅基、碳化鎢型等。

與傳統(tǒng)的涂層技術(shù)相比，激光熔覆具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）冷卻速度快（高達(dá)106C/S），發(fā)生非平衡凝固，組織細(xì)小，固溶度增大，甚至產(chǎn)生亞穩(wěn)相、超硬彌散相、非晶等。2）熱輸入小，畸變小，涂層稀釋度低，一般小于5%，與基體呈冶金結(jié)合。3）許多金屬和合金能夠熔覆到任何金屬和合金上，特別是能在低熔點(diǎn)金屬上熔覆高熔點(diǎn)合金。4）能進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少。5）激光光束瞄準(zhǔn)，能夠使難以接近的區(qū)域熔覆。6）工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

美國(guó)通用汽車(chē)公司在鋁氣缸蓋氣門(mén)座上用激光熔覆一層較硬的耐磨材料，省去了氣門(mén)座以及相關(guān)的氣門(mén)座壓入工序，氣缸蓋空間尺寸因此也增大，相關(guān)設(shè)計(jì)更合理，成本下降。

日本雅馬哈摩托車(chē)為了提高新鮮混合氣體的填充效率，在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上采用二進(jìn)二排的四氣門(mén)機(jī)構(gòu)后，又采用了三進(jìn)二排的五氣門(mén)機(jī)構(gòu)，結(jié)果功率提高了10%，燃油消耗降低了50%。這種的結(jié)果是省去氣門(mén)座，采用氣門(mén)座激光熔覆技術(shù)。使用該技術(shù)的雅馬達(dá)車(chē)型有TMD850、YZX750、EF750等。

Toyota公司也在鋁合金汽缸蓋上激光熔覆銅基合金復(fù)合材料，耐磨性得到了顯著地提高。Fiat最早開(kāi)始開(kāi)展激光熔覆閥座、閥柄、鋁合金汽缸體工業(yè)應(yīng)用的試驗(yàn)研究。

為減輕摩托車(chē)重量，國(guó)外已成功地使用增強(qiáng)鋁合金取代鐵子減油缸。其方法在鋁合金油缸內(nèi)表面熔覆一層碳化硅陶瓷微粒，使其彌散到油缸內(nèi)表面，形成一層堅(jiān)硬的碳化硅離子增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料層。這種油缸具有極佳的耐溫、耐磨、耐沖擊等性能，能承受摩托車(chē)減振器極苛刻的往復(fù)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷。而且重量減輕了2/3，使用壽命提高了3~5倍。

2 激光表面合金化

激光表面合金化是利用激光束使合金元素與基體金屬表面熔化、混合，在很短的時(shí)間（0.1~10S）內(nèi)形成具有要求深度和化學(xué)成分的表面合金。激光合金化是局部改性處理的新方法，是未來(lái)工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有極大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。常按合金元素的加入方式將其分為三大類(lèi)，即預(yù)置式激光合金化，送粉式激光合金化和氣體激光合金化，激光合金化技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：1）所需激光功率密度高（105W/cm2）。熔化深度由激光功率和照射時(shí)間來(lái)控制，在基體金屬表面可形成深為0.01~2mm的合金屬；2）大多數(shù)材料可在不同的基體上合金化，因此可根據(jù)零件耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等工作要求，配制表面合金成份；3）由于基體受熱影響壓力，所以零件的熱變形極小；4）形成的強(qiáng)化層是由合金化層和基體上受熱影響層組成，界面層為冶金結(jié)合，故結(jié)合力極強(qiáng)。

利用激光合金化技術(shù)可在一些表面性能差、價(jià)格便宜的金屬基本表面制出耐磨、耐蝕、耐高溫的表面合金，用以取代價(jià)格昂貴的整體合金，從而大幅度地降低成本。如在活塞環(huán)基體上用含有WC、TIC質(zhì)點(diǎn)彌散分布在細(xì)小、均勻、致密的共晶FeCB介稅基底上，結(jié)果合金化層平均顯微硬度達(dá)1200HV。臺(tái)架試驗(yàn)表明具有優(yōu)異的耐磨性。