激光表面合金化

激光表面合金化，是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。

激光表面合金化，是激光束与材料表面互相作用，使材料表面发生物理冶金和化学变化，达到表面强化的方法。该技术的特点是:一能在材料表面进行各种合金元素的合金化，改善材料表面的性能;二能在零件需要强化部部位进行局部处理。所以对节能、节材，提高产品零件的使用寿命具有重大的意义。

近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了此项目的研究。在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了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。研究重点有如下四个方面。

1)工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数(激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度)的选配等研究工作。

2)理论分析。激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。

3)合会层的组织与性能研究。重点侧重于耐磨性循研究。有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。

4)应用研究。如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。

1.合金层硬度

以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV，由于碳化物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV以上。

Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布分布着网状碳化物，析出的碳化物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较稀。故表层硬度也只有1000HV左右。

在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。Ni的加入量越多，奥氏体量越高。硬度也随着下降。激光表面合金化，可以根据合金化成分构控制，得到高硬度的合金层。

2. 激光表商合金化的磨损性能

静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢(淬火态)，提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。

在冲击磨损条件下，合金化后材料的耐磨性也有很大的提高。WC/Co合金层的耐磨性相当于45钢(淬火态)的6倍。在C/Co中加入Ti20%(质量分数，下同)和TiC30%后，耐磨性也分别提高3仿与5倍。

激光表面合金化的强化机制，是相变硬化、固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。WC/Co合金化后基体为马氏体，M6C型碳化物的硬度为1300HV左右，在磨损时，将首先选择性磨损马氏体基体，碳化物渐渐露出磨面，由于碳化物网的支撑作用，所以合金化展表现出极高的耐磨性。

在Cr3C2/Ni-Cr的合金化层中，基材含有较多奥氏体;硬度较低(600~800HV)。在磨损时，基体磨损很快，但一显露出网状碳化物后，因其碳化物M7C3硬度很高(2100HV)，就起了很好的支撑作用。呈现了较好的耐磨性。

激光表面合金化的强化，应是相变硬化、固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果。而合金层能获得超出基体材料的硬度及大幅度提高耐磨性，主要是碳化物第二相强化的结果，所以在以耐磨性为目的的合金化研究中、碳化物第二相强化是最主要的强化机制。

北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3~4倍。

重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2~3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.04~0.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。