激光熔敷钴基涂层工艺及其性能测试lasercladdingcobaltbasedcoatingprocessandits
大多数金属部件在应用中都会受到不同程度的表面损伤，激光熔敷技术就是通过激光技术，融化金属粉末，从而使金属熔敷在使用部件的表面，从而改变使用部件的表面性能。本文通过激光技术，将stellite21粉末熔敷在碳钢板上，熔敷时使用不同的工艺参数，观察熔敷层的宏观形貌，并研究熔敷层的显微组织、硬度、抗摩擦磨损以及耐腐蚀性。实验发现激光功率为1600W，扫描速度增加，熔敷层宽度逐渐减小，熔敷层高度也逐渐减小，熔敷层深度也逐渐减小；扫描速度为8mm/s，激光功率增大，熔敷层宽度逐渐增大，熔敷层高度变化不大，熔敷层深度逐渐增大。硬度测试发现熔敷层的硬度会随着扫描速度增大而增大，随着激光功率的增大而减小。并且进入热影响区时，硬度会突然增大，然后慢慢降低，直到到达基体时，趋于稳定。摩擦磨损实验发现，激光熔敷能够得到一个致密的熔敷层，熔敷层的耐磨性要比基体好很多。腐蚀性实验发现熔敷层的腐蚀性要比基体好得多，而且电压增大，熔敷层会出现点蚀现象。关键字激光熔敷；熔敷层；激光功率；扫描速度；性能测试与分析
Keywords：Laser cladding; cladding layer; laser power; scanning speed；performance test and analysis 目 录
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.1.1激光熔敷技术简介 2
1.1.2激光熔敷的机理 2
1.1.3激光熔敷的特点 3
1.1.4激光熔敷层材料添加方法简介 4
1.2激光熔敷技术的国内外研究现状 5
1.2.1激光熔敷技术的研究现状 5
1.2.2 我国激光熔敷技术发展存在问题 6
1.2.3激光熔敷技术的应用前景 7
1.3本文主要研究内容与意义 8
1.3.1研究内容 8
1.3.2研究意义 8
第二章 实验材料方法与设备 9
2.1实验材料 9
2.2实验设备 9
2.2.1激光熔敷设备与参数 9
2.2.2 ZEISS金相显微镜 10
2.2.3 MH5显微硬度计 11
2.2.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
VHX900超景深数码显微镜 12
2.2.5 HT1000高温摩擦磨损实验机 13
2.2.6 电化学工作站 14
2.3实验方法 14
第三章 实验数据处理与分析 16
3.1激光熔敷工艺参数对钢表面熔敷宏观形貌的影响 16
3.1.1扫描速度对熔敷层宽度的影响 16
3.1.2扫描速度对熔敷层高度的影响 17
3.1.3扫描速度对熔敷层深度的影响 18
3.1.4功率对熔敷层宽度的影响 18
3.1.5功率对熔敷层高度的影响 20
3.1.6功率对熔敷层深度的影响 20
3.2工艺参数的变化对熔敷层显微组织的影响 21
3.2.1扫描速度对显微组织的影响 21
3.2.2激光功率对显微组织的影响 22
3.3 工艺参数的变化对熔敷层及基体硬度的影响 23
3.3.1扫描速度对熔敷层和基体硬度的影响 23
3.3.2激光功率对熔敷层和基体硬度的影响 25
3.4 激光熔敷stellite21的耐磨性 26
3.5 激光熔敷stellite21的耐腐蚀性 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪 论
1.1引言
随着现代科学技术的发展，对材料的性能要求越来越苛刻，传统材料已不能完全适应现金的生产需要了。因此，新型材料层出不穷, 并向复合化发展。激光熔敷技术在此情况下应运而生, 激光技术是一种新型的高能量技术, 涉及到物理化学冶金以及材料科学等领域, 能够在价格不一的基体材料上熔敷各种性能的合金粉未[1], 从而大大减少了贵重金属的消耗，具有广阔的发展前景，正因为其有很大的发展前景, 经济效益非常可观，所以引起了国内外工业生产商和科学家们的普遍关注, 纷纷投入人力物力财力等进行研究，随着激光技术的发明和普及，越来越多的生产部门纷纷引用激光技术，来提高生产效率以及生产质量。如今，激光技术应用于各个行业，例如：航空航天、汽车制造、动车体制造等等[2]。激光熔敷技术是通过激光束以一定的激光功强母材的表面性能，例如母材表面的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性。激光熔敷技术的很重要一方面因素在于激光表面熔敷材料的选择，激光表面熔敷材料包括铁基合金、钴基合金、镍基合金和复合材料应用比较广泛[3]。当选用铁基合金作为熔敷材料时，铁基合金所拥有的特点是，他的造价低，而且比较耐磨，他的成本只是镍基合金的0.2倍，同是是钴基合金的0.1倍，并且使用铁基合金熔敷得到的熔敷层侵润性很好，在激光熔敷过程不会让熔敷层从集体表面脱落，这很有利于熔敷层工艺控制；当使用用钴基合金作为熔敷材料时[4]，因为钴基合金也具有良好的侵润性，并且碳化物的熔点比钴基合金的熔点高，因此钴基合金在受热后最先熔化其中的钴，当温度冷却下来并凝固时，钴会优先与其他元素结合，并形成合金物相，这种物相对与强化熔敷层的性能极为有利；当使用镍基合金时，镍基合金中的W、Cr、Mo、Fe、Co等元素会发生晶粒长大，形成奥氏体，并发生奥氏体固溶强化[5]，利用Nb、Ta、Al、Ti等元素，同样会使得熔敷层晶粒生成γ相，并且发生沉淀强化，如果含有B、Zr、Co等元素，熔敷层还能实现晶界强化，这种强化，能够使熔敷层具有良好的抗氧化性和耐高温性能；激光熔敷的应用，是为了能够在更加恶劣的环境下（高温高压、强腐蚀、摩擦磨损较强的环境），使得材料本身有较强的抗性来工作，简单的金属熔敷层已经不能够满足大多数的工作环境，因此合金粉末出现，并且加入不同类型的合金粉末，拥有不同性能，对于熔敷层的性能加强有不同的作用，因此合金粉末的研究成为了关注的焦点。本文采用stellite21作为激光熔敷材料，进行激光熔敷实验[6]。
1.1.1激光熔敷技术简介
激光熔覆是近几年在国内外迅速发展起来的一种新兴的技术，它采用能量非常高的激光作为熔敷能量的提供者，高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的一种表面处理技术,正逐步应用于工业生产[7]。它在激光束照射下，用于熔敷的合金粉末被高能激光束熔化，并且有一部分的基体表面也被激光束熔化，这样，用来熔敷的合金粉末和基体表面熔化的部分就会融合在一起，形成熔池，当熔池冷却之后就会凝固，凝固形成的熔敷层厚度在10~1000 μm[8]。激光有快热快冷的作用，因此快速凝固可以达成一些特殊需要的工艺要求，激光熔敷是一门结合了合金元素融合凝固，快速冷却形成熔敷层以及熔池和热影响区热处理加工等多项目结合的一门新型激光技术，这门技术在增强材料表面性能有着重大意义，多国科学家正全力研究激光熔敷技术的发展问题[9]。激光熔覆技术作为一种提高材料表面性能的手段，它能够方便，简易地产生在不同金属基体的表面，无论修复、保养、提高表面性能，都可以用到激光熔敷技术，并且激光熔敷技术的成本相对来说不高，因此，激光熔敷技术在未来工业生产方面[10]，将会有一个很好地市场发挥。激光熔覆技术虽然是在材料本身表面加入不同的合金材料，但是熔敷技术仍然能够保持原来材料的合金成分，稀释率才达到5~8%，对于基体来说，只有很少的一部分与熔敷金属进行了熔合，大多数还保持原来的形貌和性能，并且熔敷层下面的热影响区，也非常小，这部分区域和熔敷层相互影响相互作用，才能够很好地提高材料整体的性能，同时可以根据需要，在基体上熔敷所需性能的熔敷合金粉末，这样就能够获得性能非常良好的熔敷层（耐磨、耐腐蚀、耐热、高强度、高硬度）[11]。
Keywords：Laser cladding; cladding layer; laser power; scanning speed；performance test and analysis 目 录
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.1.1激光熔敷技术简介 2
1.1.2激光熔敷的机理 2
1.1.3激光熔敷的特点 3
1.1.4激光熔敷层材料添加方法简介 4
1.2激光熔敷技术的国内外研究现状 5
1.2.1激光熔敷技术的研究现状 5
1.2.2 我国激光熔敷技术发展存在问题 6
1.2.3激光熔敷技术的应用前景 7
1.3本文主要研究内容与意义 8
1.3.1研究内容 8
1.3.2研究意义 8
第二章 实验材料方法与设备 9
2.1实验材料 9
2.2实验设备 9
2.2.1激光熔敷设备与参数 9
2.2.2 ZEISS金相显微镜 10
2.2.3 MH5显微硬度计 11
2.2.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
VHX900超景深数码显微镜 12
2.2.5 HT1000高温摩擦磨损实验机 13
2.2.6 电化学工作站 14
2.3实验方法 14
第三章 实验数据处理与分析 16
3.1激光熔敷工艺参数对钢表面熔敷宏观形貌的影响 16
3.1.1扫描速度对熔敷层宽度的影响 16
3.1.2扫描速度对熔敷层高度的影响 17
3.1.3扫描速度对熔敷层深度的影响 18
3.1.4功率对熔敷层宽度的影响 18
3.1.5功率对熔敷层高度的影响 20
3.1.6功率对熔敷层深度的影响 20
3.2工艺参数的变化对熔敷层显微组织的影响 21
3.2.1扫描速度对显微组织的影响 21
3.2.2激光功率对显微组织的影响 22
3.3 工艺参数的变化对熔敷层及基体硬度的影响 23
3.3.1扫描速度对熔敷层和基体硬度的影响 23
3.3.2激光功率对熔敷层和基体硬度的影响 25
3.4 激光熔敷stellite21的耐磨性 26
3.5 激光熔敷stellite21的耐腐蚀性 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪 论
1.1引言
随着现代科学技术的发展，对材料的性能要求越来越苛刻，传统材料已不能完全适应现金的生产需要了。因此，新型材料层出不穷, 并向复合化发展。激光熔敷技术在此情况下应运而生, 激光技术是一种新型的高能量技术, 涉及到物理化学冶金以及材料科学等领域, 能够在价格不一的基体材料上熔敷各种性能的合金粉未[1], 从而大大减少了贵重金属的消耗，具有广阔的发展前景，正因为其有很大的发展前景, 经济效益非常可观，所以引起了国内外工业生产商和科学家们的普遍关注, 纷纷投入人力物力财力等进行研究，随着激光技术的发明和普及，越来越多的生产部门纷纷引用激光技术，来提高生产效率以及生产质量。如今，激光技术应用于各个行业，例如：航空航天、汽车制造、动车体制造等等[2]。激光熔敷技术是通过激光束以一定的激光功强母材的表面性能，例如母材表面的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性。激光熔敷技术的很重要一方面因素在于激光表面熔敷材料的选择，激光表面熔敷材料包括铁基合金、钴基合金、镍基合金和复合材料应用比较广泛[3]。当选用铁基合金作为熔敷材料时，铁基合金所拥有的特点是，他的造价低，而且比较耐磨，他的成本只是镍基合金的0.2倍，同是是钴基合金的0.1倍，并且使用铁基合金熔敷得到的熔敷层侵润性很好，在激光熔敷过程不会让熔敷层从集体表面脱落，这很有利于熔敷层工艺控制；当使用用钴基合金作为熔敷材料时[4]，因为钴基合金也具有良好的侵润性，并且碳化物的熔点比钴基合金的熔点高，因此钴基合金在受热后最先熔化其中的钴，当温度冷却下来并凝固时，钴会优先与其他元素结合，并形成合金物相，这种物相对与强化熔敷层的性能极为有利；当使用镍基合金时，镍基合金中的W、Cr、Mo、Fe、Co等元素会发生晶粒长大，形成奥氏体，并发生奥氏体固溶强化[5]，利用Nb、Ta、Al、Ti等元素，同样会使得熔敷层晶粒生成γ相，并且发生沉淀强化，如果含有B、Zr、Co等元素，熔敷层还能实现晶界强化，这种强化，能够使熔敷层具有良好的抗氧化性和耐高温性能；激光熔敷的应用，是为了能够在更加恶劣的环境下（高温高压、强腐蚀、摩擦磨损较强的环境），使得材料本身有较强的抗性来工作，简单的金属熔敷层已经不能够满足大多数的工作环境，因此合金粉末出现，并且加入不同类型的合金粉末，拥有不同性能，对于熔敷层的性能加强有不同的作用，因此合金粉末的研究成为了关注的焦点。本文采用stellite21作为激光熔敷材料，进行激光熔敷实验[6]。
1.1.1激光熔敷技术简介
激光熔覆是近几年在国内外迅速发展起来的一种新兴的技术，它采用能量非常高的激光作为熔敷能量的提供者，高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的一种表面处理技术,正逐步应用于工业生产[7]。它在激光束照射下，用于熔敷的合金粉末被高能激光束熔化，并且有一部分的基体表面也被激光束熔化，这样，用来熔敷的合金粉末和基体表面熔化的部分就会融合在一起，形成熔池，当熔池冷却之后就会凝固，凝固形成的熔敷层厚度在10~1000 μm[8]。激光有快热快冷的作用，因此快速凝固可以达成一些特殊需要的工艺要求，激光熔敷是一门结合了合金元素融合凝固，快速冷却形成熔敷层以及熔池和热影响区热处理加工等多项目结合的一门新型激光技术，这门技术在增强材料表面性能有着重大意义，多国科学家正全力研究激光熔敷技术的发展问题[9]。激光熔覆技术作为一种提高材料表面性能的手段，它能够方便，简易地产生在不同金属基体的表面，无论修复、保养、提高表面性能，都可以用到激光熔敷技术，并且激光熔敷技术的成本相对来说不高，因此，激光熔敷技术在未来工业生产方面[10]，将会有一个很好地市场发挥。激光熔覆技术虽然是在材料本身表面加入不同的合金材料，但是熔敷技术仍然能够保持原来材料的合金成分，稀释率才达到5~8%，对于基体来说，只有很少的一部分与熔敷金属进行了熔合，大多数还保持原来的形貌和性能，并且熔敷层下面的热影响区，也非常小，这部分区域和熔敷层相互影响相互作用，才能够很好地提高材料整体的性能，同时可以根据需要，在基体上熔敷所需性能的熔敷合金粉末，这样就能够获得性能非常良好的熔敷层（耐磨、耐腐蚀、耐热、高强度、高硬度）[11]。
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