雷射表面合金化

雷射表面合金化，是利用高能密度的雷射束快速加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。

概述

雷射表面合金化，是雷射束與材料表面互相作用，使材料表面發生物理冶金和化學變化，達到表面強化的方法。該技術的特點是：一能在材料表面進行各種合金元素的合金化，改善材料表面的性能；二能在零件需要強化部部位進行局部處理。所以對節能、節材，提高產品零件的使用壽命具有重大的意義。

近一二十年來，許多國家和地區投入了大量的人力與物力進行了此項目的研究。在基材方面，除研究了多種黑色金屬外，還研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重點有如下四個方面。

1）工藝研究。包括工藝方法、合金元素和工藝參數（雷射光斑形狀與尺寸、功率、掃描速度）的選配等研究工作。

2）理論分析。雷射表面合金化的傳熱、傳熱數學模型計算。

3）合會層的組織與性能研究。重點側重於耐磨性循研究。有的也進行了耐腐蝕及抗氧化的研究。

4）套用研究。如在排氣閥門、閥座、高速鋼刀具及汽車活塞等零件上的套用。

強化機制

1.合金層硬度

以WC/Co為添加粉末合金化後，主要獲得M6C型碳化物，硬度約為1300HV，由於碳化物量很流，呈細格線分布，基體又為馬氏體組織，所以表面硬度達1000HV以上。
Cr3C2合金化以後，組織特徵為基體上分布分布著網狀碳化物，析出的碳化物為M7C3型，這種碳化物硬度高達2100HV，由於合金碳化物在基體中分布較稀。故表層硬度也只有1000HV左右。

在WC/Co中加入Ni粉以後，合金層中碳化物類型並不發生變化，但基體中出現奧氏體。Ni的加入量越多，奧氏體量越高。硬度也隨著下降。雷射表面合金化，可以根據合金化成分構控制，得到高硬度的合金層。

2. 雷射表商合金化的磨損性能

靜載滑動磨損時，在單束斑掃描條件下，以WC/Co合金化時的耐磨性比45鋼（淬火態），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。寬頻掃描時，用WC/Co合金化後，耐磨性提高28倍。

在衝擊磨損條件下，合金化後材料的耐磨性也有很大的提高。WC/Co合金層的耐磨性相當於45鋼（淬火態）的6倍。在C/Co中加入Ti20%(質量分數，下同）和TiC30%後，耐磨性也分別提高3仿與5倍。

雷射表面合金化的強化機制，是相變硬化、固溶強化和碳化物強化的綜合強化結果。WC/Co合金化後基體為馬氏體，M6C型碳化物的硬度為1300HV左右，在磨損時，將首先選擇性磨損馬氏體基體，碳化物漸漸露出磨麵，由於碳化物網的支撐作用，所以合金化展表現出極高的耐磨性。

在Cr3C2/Ni-Cr的合金化層中，基材含有較多奧氏體；硬度較低（600～800HV）。在磨損時，基體磨損很快，但一顯露出網狀碳化物後，因其碳化物M7C3硬度很高（2100HV），就起了很好的支撐作用。呈現了較好的耐磨性。

雷射表面合金化的強化，應是相變硬化、固溶強化和碳化物第二相強化的綜合效果。而合金層能獲得超出基體材料的硬度及大幅度提高耐磨性，主要是碳化物第二相強化的結果，所以在以耐磨性為目的的合金化研究中、碳化物第二相強化是最主要的強化機制。

套用

北京工具機研究所張魁武等人，用複合合金粉末雷射合金化處理的45鋼基無心磨床托板，在生產車間使用，比原來CrWMn鋼淬火的托板壽命提高3～4倍。

重慶大學、北京工業大學等單位採用雷射表面合金化工藝，用於電地沖棒、無縫鋼管穿孔頂頭及泥漿泵葉輪等零件的處理，都取得了很好的效果。北京機電研究所曾對拖拉機換向撥叉、螺母攻絲機料道、軸承擴孔模、沖材模、電廠排粉機葉片及鋁活塞等零件上的套用研究，都取得了很好的效果。撥叉，料道使用壽命提高10倍以上。沖材模、排粉機葉片使用壽命提高2～3倍。雷射表面合金化用於鋁活塞環槽強化，經裝車試驗，運行14.2萬km以後拆檢結果，頭道環槽的側隙僅為0.11mm，如果減去0.04～0.05mm的原始側隙，則環槽最大磨損量僅有0.07mm。所以雷射表面合金化用於鋁合金的強化是十分有效的。