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金属材料表面激光淬火和激光熔覆若干关键技术研究

晁明举

  本文以工业应用为目的,重点从两个方面研究了金属材料表面激光强化和改性的若干关键技术。第一,金属材料激光表面硬化技术研究。以应用需求为目标,研究某些钢铁材料构成的机器设备、零部件的表面强化技术,寻求更有效、更经济、更方便地提高机器设备零部件表面性能的新方法、新工艺,拓宽激光热处理的应用范围,推动激光表面处理技术工业化进程。第二,金属材料激光表面熔覆技术研究。以提高材料表面的耐磨、耐蚀等性能为目的,采用预置和送粉熔覆工艺方式,对常用的镍基合金和镍基碳化钨金属陶瓷合金涂层进行系统研究。针对阻碍激光熔覆技术工业化推广应用进程的主要问题之一的熔覆层裂纹问题,为寻求该问题的有效解决方法,从熔覆材料体系的设计、熔覆工艺的探索和规范以及在工艺规范条件下激光与熔覆材料的相互作用关系、涂层组织和性能到工件表面的最后强化和改性效果,进行了系统实验研究和机理分析。一、金属材料激光表面硬化技术研究。研究了激光表面淬火工艺参数和硬化层性能、强化效果之间的关系,对大面积激光淬火技术的基础理论及搭接方法对组织性能的影响规律进行了探讨。并结合工业应用,对包装机械用模切辊、挤塑机换网器、化工行业用过丝辊和铁路钢轨等的激光表面强化技术进行了系统研究,获得了对这些零部件进行激光表面强化的成熟的工艺,解决了这些零部件激光表面强化过程中的关键技术。实验和研究的结果及主要结论,综合起来有以下几个方面:1.影响金属材料激光表面强化效果的因素有很多,可分为四个方面:(1)激光参数,(2)材料特性,(3)工艺参数,(4)环境条件。但在实际实践中,影响因素主要是激光功率和工艺参数。实验表明,对于任何工件的表面强化,均存在一最佳的工艺参数组合。2.首次成功地实现了模切机模切辊的大面积激光表面强化。该方法克服了常规硬化方法的不足,加工速度快、成本低、操作简便、实用性强。在模切辊激光表面强化中,激光比能密度P/DV是影响相变硬化层深度的主要因素,搭接率的正确选取是模切辊表面强化技术的关键。3.过丝辊激光表面淬火的研究表明,选取恰当的工艺参数对过丝辊表面采用激光淬火替代传统的热喷涂是切实可行的,该方法不但能够克服热喷涂方法中工件变形大的不足,而且工艺简便、成本低廉,实用性强,具有明显的经济效益和推广应用价值。4.首次成功地将激光表面热处理技术应用于塑料挤出机换网器,开创了激光表面硬化的新途径。实际使用表明,激光表面强化的挤塑机换网器运行平稳,无拖伤、卡死现象,抗变形能力强,使用寿命比常规淬火提高一倍以上,使用成本大大降低,生产效率显著提高,具有良好的经济效益和广泛的推广实用价值。5.首次成功地对U74钢轨进行了激光表面淬火处理。经激光处理的铁路道岔道轨郑州大学博士学位论文摘要表面粗糙度很小,一可以直接使用;摩擦磨损试验表明,经激光淬火的U74钢轨的耐磨性能有明显改善;实际铺设路轨对比试验表明,采用激光淬火工艺处理的U74道岔钢轨,使用寿命提高80%。该方法的推广应用,将为铁路行业带来极大的经济效益。二、金属材料激光表面熔覆技术研究。探讨了激光熔覆工艺参数对熔覆层性能的影响的一般规律;对具有高硬、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优良综合性能且使用广泛的高硬度镍基自熔合金粉末、镍基碳化钨金属陶瓷合金粉末的激光熔覆,进行了系统研究。并针对阻碍激光熔覆高硬度镍基合金技术实现工业化应用的主要问题—熔覆层的裂纹问题,进行了深入的研究,寻求解决裂纹的有效方法。该问题的解决,对于激光熔覆技术的研究和应用都有重要的实际意义和理论价值。研究结果和主要结论如下:1.在高硬度镍基或镍基碳化钨金属陶瓷耐磨激光熔覆层中,裂纹形成的基本微观组织原因可归因于涂层中大量存在的多种硬质相以及硬质相的不良分布形态所造成的涂层整体高脆性,难以承受熔覆过程中所产生的较高拉应力所致。首次提出了添加适量的对组织有细化晶粒、晶界强化和变质作用的TioZ、Cao、MgO等氧化物,以及选取合适的激光熔覆工艺参数以获得成形良好、无裂纹的高质量的熔覆层,且使涂层的组织和耐磨性能均得到改善。2.实验表明,TIOZ含量、工艺参数均对高硬度镍基合金复合涂层的质量和性能有明显影响,且存在最佳参数组合。在本文所述实验条件下,当TIO:含量4wt.%、激光功率1.skw、扫描速度2一3mn公S时,可以获得质量良好的熔覆层。3.微观机理分析表明,TIO:对GllZ镍基合金激光熔覆层性能的改善归因于TIOZ对熔覆层组织的均匀细化、对粗大针状脆性硬质相的抑制以及对韧性相成分的提高作用。4.GllZ+4wt%TIO:涂层组织分为两层,即底部的胞状晶区和中部顶部的树枝状晶区。胞状晶区组织为:下州iF’e)固溶体+Cr碳化物+TIC颗粒的伪多元共晶体:而树枝状品区中不再析出粗大的块状脆性相,其组织为:细小的针状或花朵状碳、硼化物多元共晶+细小颗粒相+韧性基体相。5.扫描电镜(S EM)能谱(E DS)分析表明,Ti在熔覆层中的分布是比较均匀的,虽然……