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，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，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完全溶化，同時盡量減少基體熔化，從而在基體表面形成一個主要由熔化粒子組成的涂覆層。涂覆材料可由水玻璃之類的粘合劑調(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：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，特別是能在低熔點金屬上熔覆高熔點合金。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）工藝過程易于實現(xiàn)自動化。

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

日本雅馬哈摩托車為了提高新鮮混合氣體的填充效率，在四沖程發(fā)動機上采用二進(jìn)二排的四氣門機構(gòu)后，又采用了三進(jìn)二排的五氣門機構(gòu)，結(jié)果功率提高了10%，燃油消耗降低了50%。這種的結(jié)果是省去氣門座，采用氣門座激光熔覆技術(shù)。使用該技術(shù)的雅馬達(dá)車型有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最早開始開展激光熔覆閥座、閥柄、鋁合金汽缸體工業(yè)應(yīng)用的試驗研究。

為減輕摩托車重量，國外已成功地使用增強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，形成一層堅硬的碳化硅離子增強鋁合金復(fù)合材料層。這種油缸具有極佳的耐溫、耐磨、耐沖擊等性能，能承受摩托車減振器極苛刻的往復(fù)運動負(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，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：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間來控制，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。

利用激光合金化技術(shù)可在一些表面性能差、價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。臺架試驗表明具有優(yōu)異的耐磨性。