高铝青铜激光熔覆工艺研究technologyresearchofthelasercladdingofhighalumin
摘 要摘 要铝青铜合金具有许多优秀的性能，因而得到了飞快的发展，它代替了传统的材料被用以熔覆在其他各种金属的表面来满足各种特殊的条件。因此研究铝青铜的熔覆工艺显得非常有意义。本文采用激光熔覆的方法，在45#钢上熔覆1mm厚的铝青铜。通过改变激光的功率和熔覆的速度来研究熔覆层的组织和力学性能变化（主要是硬度），进而研究分析工艺参数对铝青铜熔覆层的影响。在实验中通过改变工艺参数得到数个试样，再借助金相显微镜、SEM扫描电镜、自动硬度仪等设备对熔覆层的组织和力学性能（主要是硬度）进行了分析。结果表明激光功率不变，随着熔覆速度的增加或者熔覆速度不变，随着激光功率减小，熔覆层受到的热影响会变小导致融化不完全，导致晶粒粗大。激光功率不变，随着熔覆速度的减小或者熔覆速度不变，随着激光功率的增大，由于合金元素的固溶强化，熔覆层的硬度会普遍变大。关键词激光熔覆；铝青铜；组织物相；硬度
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 铝青铜合金的发展现状 2
1.2.1铝青铜合金的概述 2
1.2.2 铝青铜合金中合金元素对合金性能的影响 3
1.2.3 铝青铜合金国内、外研究现状 5
1.3 现代表面工程技术 6
1.3.1 概述 6
1.3.2 表面改性技术 6
1.4 激光表面改性技术 7
1.4.1 激光表面改性技术的含义及特点 7
1.4.2 激光熔覆 8
1.4.3 激光熔覆的原理及特点 8
第二章 实验材料、设备及方法 10
2.1 实验材料以及焊前预处理 10
2.1.1 实验材料 10
2.1.2 焊前预处理 10
2.2 实验仪器设备 11
2.2.1 激光熔覆设备 11
2.2.2组织性能分析设备 12
2.3 实验方法 13
2.3.1 试样熔覆参数 13
2.3.2 实验操作 14
第三章 实验结果与分析 16
3.1 金相显微组织分析 16
3.1.1 试样着色探伤 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
16
3.1.2 金相组织 17
3.1.3金相组织分析 20
3.2 显微硬度分析 22
3.2.1 硬度图 22
3.2.2 硬度分析 25
3.3 SEM扫描电镜分析 27
3.3.1 SEM扫描电镜图 27
3.3.2 SEM扫描电镜结果分析 29
结 论 31
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
二十世纪末人类对铝青铜这种新型的合金开始了不断深入的探索。铝青铜这种合金不单单具有铜合金的优异性能，并且还有良好的耐腐蚀性能，其综合机械性能超过了锡青铜，拥有高耐磨、高强度等特点，因而得到了飞快的发展 [1,2]。现在大量用在循环应力非常高及在重载条件下工作的耐蚀部件，代替了常见的不锈钢、锡青铜等材料，并用以熔覆在各种金属材料的表面。
近几年，各个国家的专家开始对铝青铜合金不断努力钻研，在各种新兴技术和工艺的领导下，越来越多拥有不错性能的新型铝青铜合金被发现。采用激光熔覆这种前沿的方法将铝青铜熔覆在钢表面，观察并分析它的微观组织从而进一步研究其性能变化显得非常具有现实意义。
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图11 铝青铜合金的应用
1叶轮 2螺纹螺母零件 3导航仪表铝青铜带 4冲压模具
铝青铜合金的物理性能和机械性能十分良好等，被广泛用在机械制造、交通运输、航空航天等领域。如：拥有稳定的刚度，导热系数也十分良好，可以用来制作新的模具材料[3]；具有高蠕变极限和良好的弹性性能，常用于制造各类弹性元件；耐腐蚀性能优良，被用于制造各类叶轮、螺旋桨等耐蚀零件；在外力的冲击作用下不会产生火花，被广泛用于制造无火花的工具材料[4]；具有良好的耐磨性能和高的强度，广泛用在制造螺母螺纹、齿轮坯料等零件[5]，图11为铝青铜合金的一些应用。
1.2 铝青铜合金的发展现状
1.2.1铝青铜合金的概述
铝青铜在一般情况下会被分为两种：简单铝青铜和复杂铝青铜，合金中只含有Cu、Al这两种元素的二元合金为简单铝青铜，而含有Cu、Al、Ni、Fe、Mn等合金元素的铜基合金是复杂铝青铜，在铝青铜合金中加入合金元素对其综合力学性能会有比较大的影响，CuAl二元平衡相图如图12所示[6]。
在添加合金元素的复杂铝青铜中，经常会有α、β’、K、γ2相。其中，α相属于铜基置换固溶体，是面心立方结构，拥有良好的塑形，显微硬度HV为200270。β相则是体心立方结构，在温度高于565℃时稳定，拥有良好的高温塑性；β和β’相是同素异构体，β’相是β相由于共析转变受阻形成的亚稳相，它是以Cu3Al为基的固溶体，在温度低于325℃时稳定，显微硬度HV为290407。γ2相是铝青铜合金中的硬脆相，它是以Cu9Al4为基的固溶体，显微硬度HV是360570。K相是Fe、Cu、Ni、Al等
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图12 CuAl二元平衡相图
金属间化合物，属于体心立方结构[7]。图13是含铝量9.6%的铝青铜合金的微观组织[8]。
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图13 铝含量9.6%的铝青铜合金显微组织
根据二元相图和铝的含量可将相图分为三大部分：（1）当合金中的铝含量低于7.4%时，合金中的固态、液态组织全都是α相固溶体，这种铝青铜合金拥有较好的塑性。（2）当合金铝含量在7.4%9.4%之间时，处于高温状态下的合金组织为α相和β相，温度降低到565℃以下后，β相全部转化为α相，合金的组织变成α相固溶体，但是在实际的转化过程中，β相向α相的转化不能完全，其中少量的β相会发生共析转变，生成的（α+γ2）共析硬度会比α相高，但塑性会有所降低，合金的硬度有所增加。（3）当合金的铝含量高于9.4%时，合金的相变过程就会非常复杂。合金温度降低至565℃以下时，β’相发生共析转变生成（α+γ2），生成的共析体在合金中的组织形态和退火钢中的珠光体相类似显层状。在合金的缓慢冷却过程中，（α+γ2）相会析出粗大的γ2相，其脆性增加，成为铝青铜的“缓冷脆性”。在合金冷却速度较快时，β相的共析转变受到抑制，β相会直接转变为亚稳定的类马氏体β’相，其硬度和（α+γ2）相差不大，高于α相，低于γ2相。若对β’相进行回火处理，按照不同的工艺，会得到两种不同的组织。一种是β’相中析出致密的（α+γ2）相，合金的硬度和强度都会增加，另一种结果是β’相中析出大量α相，合金的强度和硬度会降低。所以，铝青铜合金的热处理工艺不同，得到的合金的组织和性能也会不同。
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 铝青铜合金的发展现状 2
1.2.1铝青铜合金的概述 2
1.2.2 铝青铜合金中合金元素对合金性能的影响 3
1.2.3 铝青铜合金国内、外研究现状 5
1.3 现代表面工程技术 6
1.3.1 概述 6
1.3.2 表面改性技术 6
1.4 激光表面改性技术 7
1.4.1 激光表面改性技术的含义及特点 7
1.4.2 激光熔覆 8
1.4.3 激光熔覆的原理及特点 8
第二章 实验材料、设备及方法 10
2.1 实验材料以及焊前预处理 10
2.1.1 实验材料 10
2.1.2 焊前预处理 10
2.2 实验仪器设备 11
2.2.1 激光熔覆设备 11
2.2.2组织性能分析设备 12
2.3 实验方法 13
2.3.1 试样熔覆参数 13
2.3.2 实验操作 14
第三章 实验结果与分析 16
3.1 金相显微组织分析 16
3.1.1 试样着色探伤 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
16
3.1.2 金相组织 17
3.1.3金相组织分析 20
3.2 显微硬度分析 22
3.2.1 硬度图 22
3.2.2 硬度分析 25
3.3 SEM扫描电镜分析 27
3.3.1 SEM扫描电镜图 27
3.3.2 SEM扫描电镜结果分析 29
结 论 31
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
二十世纪末人类对铝青铜这种新型的合金开始了不断深入的探索。铝青铜这种合金不单单具有铜合金的优异性能，并且还有良好的耐腐蚀性能，其综合机械性能超过了锡青铜，拥有高耐磨、高强度等特点，因而得到了飞快的发展 [1,2]。现在大量用在循环应力非常高及在重载条件下工作的耐蚀部件，代替了常见的不锈钢、锡青铜等材料，并用以熔覆在各种金属材料的表面。
近几年，各个国家的专家开始对铝青铜合金不断努力钻研，在各种新兴技术和工艺的领导下，越来越多拥有不错性能的新型铝青铜合金被发现。采用激光熔覆这种前沿的方法将铝青铜熔覆在钢表面，观察并分析它的微观组织从而进一步研究其性能变化显得非常具有现实意义。
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图11 铝青铜合金的应用
1叶轮 2螺纹螺母零件 3导航仪表铝青铜带 4冲压模具
铝青铜合金的物理性能和机械性能十分良好等，被广泛用在机械制造、交通运输、航空航天等领域。如：拥有稳定的刚度，导热系数也十分良好，可以用来制作新的模具材料[3]；具有高蠕变极限和良好的弹性性能，常用于制造各类弹性元件；耐腐蚀性能优良，被用于制造各类叶轮、螺旋桨等耐蚀零件；在外力的冲击作用下不会产生火花，被广泛用于制造无火花的工具材料[4]；具有良好的耐磨性能和高的强度，广泛用在制造螺母螺纹、齿轮坯料等零件[5]，图11为铝青铜合金的一些应用。
1.2 铝青铜合金的发展现状
1.2.1铝青铜合金的概述
铝青铜在一般情况下会被分为两种：简单铝青铜和复杂铝青铜，合金中只含有Cu、Al这两种元素的二元合金为简单铝青铜，而含有Cu、Al、Ni、Fe、Mn等合金元素的铜基合金是复杂铝青铜，在铝青铜合金中加入合金元素对其综合力学性能会有比较大的影响，CuAl二元平衡相图如图12所示[6]。
在添加合金元素的复杂铝青铜中，经常会有α、β’、K、γ2相。其中，α相属于铜基置换固溶体，是面心立方结构，拥有良好的塑形，显微硬度HV为200270。β相则是体心立方结构，在温度高于565℃时稳定，拥有良好的高温塑性；β和β’相是同素异构体，β’相是β相由于共析转变受阻形成的亚稳相，它是以Cu3Al为基的固溶体，在温度低于325℃时稳定，显微硬度HV为290407。γ2相是铝青铜合金中的硬脆相，它是以Cu9Al4为基的固溶体，显微硬度HV是360570。K相是Fe、Cu、Ni、Al等
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图12 CuAl二元平衡相图
金属间化合物，属于体心立方结构[7]。图13是含铝量9.6%的铝青铜合金的微观组织[8]。
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图13 铝含量9.6%的铝青铜合金显微组织
根据二元相图和铝的含量可将相图分为三大部分：（1）当合金中的铝含量低于7.4%时，合金中的固态、液态组织全都是α相固溶体，这种铝青铜合金拥有较好的塑性。（2）当合金铝含量在7.4%9.4%之间时，处于高温状态下的合金组织为α相和β相，温度降低到565℃以下后，β相全部转化为α相，合金的组织变成α相固溶体，但是在实际的转化过程中，β相向α相的转化不能完全，其中少量的β相会发生共析转变，生成的（α+γ2）共析硬度会比α相高，但塑性会有所降低，合金的硬度有所增加。（3）当合金的铝含量高于9.4%时，合金的相变过程就会非常复杂。合金温度降低至565℃以下时，β’相发生共析转变生成（α+γ2），生成的共析体在合金中的组织形态和退火钢中的珠光体相类似显层状。在合金的缓慢冷却过程中，（α+γ2）相会析出粗大的γ2相，其脆性增加，成为铝青铜的“缓冷脆性”。在合金冷却速度较快时，β相的共析转变受到抑制，β相会直接转变为亚稳定的类马氏体β’相，其硬度和（α+γ2）相差不大，高于α相，低于γ2相。若对β’相进行回火处理，按照不同的工艺，会得到两种不同的组织。一种是β’相中析出致密的（α+γ2）相，合金的硬度和强度都会增加，另一种结果是β’相中析出大量α相，合金的强度和硬度会降低。所以，铝青铜合金的热处理工艺不同，得到的合金的组织和性能也会不同。
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