激光表面合金化的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

2024年3月29日發(fā)(作者：爬山作文400字)

激光表面合金化的研究進(jìn)展及應(yīng)用

（袁中濤 20100110）

摘要：激光表面合金化是一種材料表面改性處理的新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文綜述了激光表面合金化的研究現(xiàn)狀，其中包括激光表面合金化工藝制定的基本原理

及工藝分類，合金化涂層的組織特性與性能。介紹了研究的材料類型及方法，國(guó)內(nèi)外研

究重點(diǎn)以及最新研究成果和理論分析，并且簡(jiǎn)要講述了激光表面合金化在實(shí)際工程中的

具體應(yīng)用及研究展望。同時(shí)本文指出了激光合金化當(dāng)前研究存在的有待解決的問題和今

后需要改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：激光表面合金化 合金化涂層 基體材料 冶金結(jié)合

正文：激光表面合金化是一種既改變表層的物理狀態(tài)，有改變其化學(xué)成分的激光表

面處理新技術(shù)。它是利用高能激光束將基體金屬表面熔化，同時(shí)加入合金化元素，在以

基體為溶劑，合金化元素為溶質(zhì)基礎(chǔ)上形成一層濃度相當(dāng)高、且相當(dāng)均勻的合金層，從

而使基體金屬表面具有所要求的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能。激光表面

合金化能夠在一些價(jià)格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的基體材料表面上制出耐磨損、耐腐

蝕、耐高溫抗氧化的表面合金層，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略

材料，使廉價(jià)基體材料得到廣泛應(yīng)用，從而使生產(chǎn)成本大幅下降。

與常規(guī)熱處理相比，激光表面合金化能夠使難以接近的和局部的區(qū)域合金化，在快

速處理的過程中能夠有效的利用能源，利用激光的深聚焦在不規(guī)則的零件上可得到均勻

的合金化深度。而且具有工件變形小、冷卻速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不

需要淬火介質(zhì)、清潔無污染、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。目前。激

光表面合金化研究領(lǐng)域不僅限于低碳鋼、不銹鋼、鑄鐵，而且還涉及到鈦合金、鋁合金

等有色金屬

[1,2]

。

1. 激光表面合金化的基本原理和工藝分類

1.1 激光表面合金化的基本原理

激光是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性

好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長(zhǎng)相近的(微米級(jí)別)小斑點(diǎn)上，加上它本身強(qiáng)度高.

故可以使焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到105～1013 W/cm2.溫度可達(dá)1萬°C以上。在這樣的高

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溫下。任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性

很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合

過程。

激光合金化(1ar Surface Alloying，LSA)是金屬材料表面局部改性處理的一種新方

法。是在高能量激光束的照射下.使基體材料表面的一薄層與根據(jù)需要加入的合金素同

時(shí)快速熔化、混合，形成厚度為10～l 000μm的表面融化層，使材料表面在很短時(shí)間

內(nèi)形成具有要求深度和化學(xué)成分的表面合金化層。這種合金化層由于具有高于基材的某

些性能.所以能達(dá)到表面改性處理的目的。在農(nóng)用汽車工業(yè)方面，激光表面合金化工藝

可以明顯改善工件表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。延長(zhǎng)在各種惡劣工作條件下工作

的農(nóng)用汽車零部件如軸承、軸承保持架、汽缸、襯套等的使用壽命。

1.2 激光表面合金化的工藝分類

激光合金化組織結(jié)構(gòu)的主要特征與激光熔凝處理有相似之處，合金化區(qū)域具有細(xì)密

的組織，成分近于均勻。激光表面合金化所采用的工藝形式有預(yù)置法、硬質(zhì)粒子噴射

法、和氣相合金法。

預(yù)置法是用沉積、電鍍、離子注入、刷涂、滲層重熔，氧-乙炔和等離子噴涂、粘

結(jié)劑涂覆等預(yù)涂覆方法，將所要求的合金粉末事先涂覆在要合金的材料表面，然后有激

光加熱熔化，在表面形成新的合金層。該法在一些鐵基表面進(jìn)行合金化是普遍采用

硬質(zhì)粒子噴射法是在工件表面形成激光熔池的同時(shí)，從一噴嘴中吹入碳化物或者氮

化物等細(xì)粒，使粒子進(jìn)入熔池達(dá)到合金化層。

激光氣體合金化法是一種在適當(dāng)?shù)臍夥罩袘?yīng)用激光加熱熔化基體材料以獲得合金化

的方法，它主要用于軟基材料表面，如鋁、鈦及其合金

[3]

。

2. 合金化涂層的組織特性和性能

2.1激光表面合金化的組織特性

激光表面合金化涂層組織特征與其具體工藝條件及溫度梯度與凝固速度之比有關(guān)。

激光表面合金化過程中，溫度梯度、溶質(zhì)濃度、晶體長(zhǎng)大速度均隨時(shí)間變化，所以激光

表面合金化涂層組織具有復(fù)合性特征，主要組織特征類型有三種：①平面晶一—胞狀晶

一—胞狀樹——枝晶——樹枝晶；②胞狀晶一胞狀樹枝晶一樹枝晶；③胞狀樹枝晶一樹

枝晶。

2.2激光表面合金化的性能

當(dāng)前研究認(rèn)為，激光表面合金化涂層與基體材料呈良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，

能夠顯著提高廉價(jià)基體材料的耐磨性、耐蝕性和耐腐蝕磨損性等性能，獲得了廣泛應(yīng)

用。

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