1、浙江工贸职业技术学院材料工程系毕业论文（设计）课题名称：工艺参数对铝合金表面激光强化层组织与性能的影响专 业： 机电一体化（表面工程）班 级： 机电 1204姓 名： 董益凯学 号： 1210201403指导教师： 徐临超完成时间 2014 年 11 月 15 日I目 录第一章 前言 .11.1 激光强化工艺研究的相关概念 .11.2 国内外激光强化工艺研究的现状 .11.3 激光强化技术发展趋势 .21.4 激光强化的应用和前景 .31.5 电镀强化与其他强化的比较 .41.5.1 强化后的产品耐蚀性强 .41.5.2 结合力强 .51.5.3 简化工序提高效率 .51.5.4 环保性 .5
2、1.6 激光强化研究的意义及必要性 .5第二章 实验设备及方法 .62.1 仪器设备 .62.2 实验内容与方法 .6第三章 实验结果及分析 .73.1 激光焦深对激光强化层硬度的影响 .7II3.2 激光电流对激光强化层硬度的影响 .73.3 激光脉宽对激光强化层硬度的影响 .83.4 激光频率对激光强化层硬度的影响 .83.5 激光速度对激光强化层硬度的影响 .9四、 结论 .10致谢 .11参考文献 .12III镀镍层激光强化工艺的研究董益凯浙江工贸职业技术学院材料工程系 班级：机电 1204摘要：激光强化技术可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等。本论文是针对
3、铝合金激光强化展开研究，通过对改变焦深，电流、脉宽、频率，进给得到的强化层，进行维氏硬度测试，得到最佳工艺参数是焦深 103.3mm，电流 160A，脉宽 2.5ms，频率 120Hz，工作台移动速度为标准速度的 50mm /min。关键词：激光强化；铝合金；维氏硬度浙江工贸职业技术学院1第一章 前言1.1 激光强化工艺研究的相关概念激光强化是指以不同的添料方式在被强化基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了
4、对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光强化具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合强化材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光强化技术应用前景十分广阔。从当前激光强化的应用情况来看，其主要应用于两个方面：1、对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；2、对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的 90%以上，其修复费用不到重置价格的 1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光强化超耐磨抗蚀合金，可以在零部件
5、表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光强化处理，不仅提高模具强度，还可以降低 2/3 的制造成本，缩短 4/5 的制造周期。强化材料：目前应用广泛的激光强化材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。1.2 国内外激光强化工艺研究的现状1.2.1 国外研究现状激光强化技术于上世纪 60 年代提出，在 1976 年诞生了第一项论述高能激光强化的专利。国外在激光强化成形技术的研究方面，美国的 Los Alamos 国家实验室、Sandia 国家实验室、密执安（Michigan ）大学和 AeroMet 公司等的工
6、作较具代表性。20 世纪 90 年代中期，美国 Sandia 国家实验室在美国能源部资助下与 United 镀镍层激光熔覆工艺的研究2Technologies Pratt &Whitney（UTPW）公司的合作研发项日中，开发了激光近形制造技术（LENSTM） 。LENS 系统主要由四部分构成：高功率 Nd：YAG 固体激光器、可控气氛手套箱、二轴数控工作台和送粉系统。他们对多种材料的激光强化成形工艺进行了研究，制造了镍基超合金、H13 工具钢、不锈钢以及钛合金等零件，成形件性能相对于锻造件在强度和塑性方面均有显著提高。Los Alamos 国家实验室开发的 DLF 系统采用 2 kW Nd:
7、YAG 激光器和五轴数控工作台，在充满氩气的不锈钢乎套箱中进行，氧气和水的质量分数小于 0.005。AeroMet 公司开发了 LasformSM 工艺，进行航空钦合金的激光强化成形制造和零件修复。该系统内装有自动反馈控制传感器，工作台定位精度为0.007 62cm（3/1000 in） ，可加工长度 243.84 cm（8ft） 、质量为 272.154 kg（600 b）的飞机原型。AeroMet 公司在 2000 年 3 月为波音飞机公司（Boeing Company）制造了 F/A-18 E/F 机翼零件。这种加工方法使得零件成本降低 20%40%，生产周 4 期缩短 80%。1.2.
8、2 国内研究现状国内对激光强化技术的研究较晚，直到进入本世纪之后才陆续有文献报道。其中，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、长春光机所、中国有色金属研究总院、清华大学、北京航空航天大学以及上海交通大学等开展这方面的研究较早，内容涉及了快速成形组织、理论、工艺、设备、软件和材料等各方面，并取得了阶段性的成果。如清华大学开发出了应用于激光强化成形的同轴送粉系统，并研究了加工过程的闭环控制；西北工业大学在快速成形工艺、快速成形组织的定向凝固及力学性能方面作了大量的研究工作等。近几年，激光强化技术在国内发展较快，更多的企业、高校和研究机构都已开始在成形技术的工艺和应用方面开展了研究工作，现在的研究多数
9、是针对各行各业的特殊用途，针对不锈钢、低中碳钢、可锻铸铁、铝合金及特殊合金上用钻基、镍基或铁基等自熔合金粉末及陶瓷进行激光强化，增加其耐磨及耐腐蚀性能。 1.3 激光强化技术发展趋势经过十几年来各国研究者的不懈努力，激光强化成形技术己经获得了长足的进步，积累了很多成功的经验。但是，要使该技术真正在工业上获得广泛应用，还须对以下几个方面进行深入研究。1.3.1 激光强化的基础理论研究。浙江工贸职业技术学院3现有的激光强化理论模型多是借助于激光强化表面强化，而对于三维同步送粉激光强化成形这样的复杂过程，模型通常做了大量的简化，影响了计算的准确性。并且该技术所涉及的快速凝固方面的理论还不够完善，激光
10、强化成形组织形成规律及组织性能控制等还没有完善的理论做指导，这方面的研究还须进一步深化和系统化。1.3.2 强化材料的设计与开发。目前激光强化成形加工所使用的材料大都是热喷涂用的自熔性合金粉末和实用工程材料，这些粉末的成分是针对具体的工艺设计的，目每一层强化后上浮的熔渣有可能夹杂在强化层中间而成为裂纹源，并不一定适合于激光强化成形。因此，有必要寻求和开发适合于激光强化成形的合金粉末。1.3.3 加强激光强化成形在零件修复领域的研究和应用。激光强化成形技术可以用来对破损零部件进行形状修复、尺寸修复、功能修复和增强功能修复，提高易损易耗件的使用寿命，推进企业和资源的可持续发展。1.3.4 对激光强
11、化设备进行改进，以适应日后规模化生产与加工。近年来，对于使用连续 CO2 气体激光器进行强化，国内外学者都已经做出了大量的研究工作，而研制出主要应用于有色金属合金表面改性方面的高功率 YAG 激光器迫在眉睫。虽然目前激光强化技术还未规模化，但是随着激光强化的进一步发展和科技进步的日新月异，应尽早致力于大功率、小型化激光器的研制与开发工作。另外，激光强化用配套设备，如送粉器等，应进一步改进控制系统，使其更为精确，并朝着自动化、智能化、人性化的方向迈进。1.4 激光强化的应用和前景激光强化技术是种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪 60 年代提出，并于
12、 1976 年诞生了第一项论述高能激光强化的专利。进入 80 年代，激光强化技术得到了迅速的发展，结合 CAD 技术兴起的快速原型加工技术，为激光强化技术又添了新的活力。已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光强化。激光强化铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局镀镍层激光熔覆工艺的研究4部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。
13、在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光强化金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光强化多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。激光强化的应用主要在两个方面，即耐腐蚀（包括耐高温腐蚀）和耐磨损，应用的范围很广泛，例如内燃机的阀门和阀座的密封面，水、气或蒸汽分离器的激光强化等。同时提高材料的耐磨和耐腐蚀性，可以采用 Co 基合金（如 Co-Cr-Mo-Si 系）进行激光强化。基体中物相成份范围中 Co3Mo2SI 硬质金属间相的存在可保证耐磨性能，而 Cr 则提供了耐腐蚀性。进入 20
14、世纪 80 年代以来，激光强化技术得到了迅速的发展，已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。激光强化技术已经取得一定的成果，正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面：1 激光强化的基础理论研究。2 强化材料的设计与开发。3 激光强化设备的改进与研制。4 理论模型的建立。5 激光强化的快速成型技术。6 强化过程控制的自动化。1.5 电镀强化与其他强化的比较这是一种新型的修复技术，与传统的修复技术相比有着多的优势。1.5.1 强化后的产品耐蚀性强镀铬因其硬度较高具有较强的耐磨性，但只有当镀层致密无孔隙时才能有保护作
