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镀后激光处理
发布日期:7/17/2012 11:03:40 AM 浏览次数:1099次

  镀后激光处理就是用激光扫描镀层,对镀层和基体快速加热。其目的是强化镀层和镀层与基体之间的界面,减少镀层的微裂纹,加强镀层与基体的结合力。

 

激光合金化

 

  激光表面合金化是用激光束作热源进行表面加热,使钢材表面的合金化层迅速熔化,使表面的成分得以调整,达到改善表层组织与性能的目的。可以采用电镀、涂敷粉末,填加粉末等各种方法把所需要的合金元素加到基材表面上去。

 

  激光合金化层就其完整性和与基体金属的结合强度而言是有其特殊性的。合金化层与基体之间可以形成纯粹的冶金结合,因而保证了极强的结合力。

 

  激光合金化处理仅在熔化区的薄层内有成分的改变及组织性能的变化。对基体的影响甚小,由于热效应也只发生在1~2mm的范围内,因此,工件不会发生很大的变形[12]。

 

  姜伟等在45钢和30CrMnSi表面电镀镍,然后激光扫描镀层。镀层被激光完全熔化后与基体表面组织完全融合形成了新的Fe-Ni合金组织。镍基合金熔化区的显微组织为胞状-树枝状结晶组织,由于快速结晶,使树枝状的主干组织优先生长,其方向垂直于激光扫描的方向。同时微细的偏析获得很大的发展,在横截面的柱状晶体呈现出一些等轴晶状的外貌。熔化层组织细小、均匀,组织为胞枝晶,枝晶间为各种碳化物等多元共晶化合物。这些多元复杂共晶化合物对合金层的硬度和其他力学性能非常有利。合金化层的硬度分别达到642HV和620HV,基材的硬度分别为200HV和227HV。合金化层的硬度大大超过基体[13-14]。

 

  Gholam Reza Gordani等用Nd∶YAG激光扫描Al基体上的化学镀Ni-P合金镀层。制得表面比较光滑、无裂纹的覆层。结果表明,镀层与基体完全融合,由于Ni-Al金属间化合物的强化作用,使得表面的硬度提高。相对于没有经过激光处理的Ni-P镀层,其耐腐蚀性有所提高。

 

  因为电镀的金属或合金的种类比化学镀多,所以电镀可以为激光表面合金化提供更多选择。表面合金化的工艺过程简单、效率高,可以节约大量稀有和贵重的元素。但由于电镀和化学镀带来的环境污染问题日益突出,人们越来越倾向于采用冶金方法制备的合金材料。

 

激光熔覆

 

  激光熔覆常见的预置工艺有热喷涂和有机物粘结。与热喷涂相比,镀层的致密度比较高,空隙率较低,可以在复杂表面形成厚度均匀的涂层,没有元素的烧损,消耗的能量较少。与有机物粘结相比,镀层几乎没有有机物的元素污染。

 

  姚建华等研究了激光熔覆对镍-纳米氧化铝纳米复合镀层组织、硬度以及耐磨性能的影响。结果表明,激光处理后,强化层表面平整光滑,与基体形成冶金结合,成分均匀,组织细密。纳米Al2O3颗粒均匀分布在强化层表面,强化层显微硬度为原沉积层的1.5~1.8倍,强化层摩擦系数约为原沉积层的1/2,基体的1/3。强化层和基体的表面主要以磨粒磨损为主,而纳米复合镀层则是磨粒磨损和黏着磨损综合作用的结果[15-16]。

 

  要想获得同样厚度的涂层,电镀和化学镀所需要的时间要远远超过热喷涂或有机物胶合粉末。对于加入强化颗粒的复合镀,因为颗粒分布的密度和数量难以控制,所以这方面不如热喷涂和有机物胶合的粉末。对于纳米颗粒的复合镀层,在沉积过程中纳米颗粒很容易团聚,难以发挥纳米颗粒的特殊性能。

 

激光热处理

 

  20世纪70年代末,美国的Montgomery首先对激光束表面处理镀铬层进行了研究,其目的是通过实现镀铬与基体间冶金结合以提高镀铬层结合力。结果表明,界面处钢基体重熔,镀层Cr原子向基体扩散,与基体形成Fe-Cr合金扩散层。基体为回火马氏体组织。镀Cr层发生再结晶,微裂纹减少,但是镀层的硬度下降,且变脆,易开裂。实际综合应用效果不好。

 

  对Ni-P镀层进行热处理可显著地提高硬度。以含2.5%P的Ni-P镀层为例,在开始阶段硬度随热处理温度升高而上升,400℃左右达最高值,以后便随温度升高反而降低,400~800℃硬度几乎呈线性下降。热处理过程中,镀层由非晶态转为晶态组织。热处理后镀层硬度增加的原因是弥散Ni3P硬粒子的析出,开始是连续地分布在镍固溶体中,形成一种两相合金。但热处理温度过高(>400℃)或时间延长,弥散分布的Ni3P颗粒聚集长大,原来均匀分散的大量弥散小颗粒逐渐被数量少、间距大的粗颗粒代替,从而造成镀层硬度下降。

 

  王兰等比较了化学镀Ni-P合金复合镀层经过传统热处理和激光热处理后组织、硬度和耐磨性的差异。当激光功率较小时,表面与镀态一样;当激光功率较大时,表面会鼓起,并有黑色的Ni3P聚集。XRD的结果表明:镀层由非晶态向晶态转变。硬度上的变化规律与传统热处理基本相同,即随着热处理温度(激光比能量)的升高,硬度先上升后下降。由于SiC硬质相的存在使得最高硬度比传统热处理的大。随硬度的上升耐磨性也增强[17]。

 

  孔德军等研究了Ni-P镀层激光热处理后的应力变化。实验结果表明,化学沉积Ni2P合金薄膜/硅基体的残余应力均表现为拉应力,经过激光热处理后残余应力发生了变化,由高值的拉应力变为低值的拉应力或压应力;薄膜残余应力对其磨损性能有明显影响,其磨损量随残余应力的减小而减小;薄膜与基体结合强度随残余应力的增大而减小,合理地选择激光热处理参数可以精确地控制薄膜残余应力,提高其结合强度[18]。
 

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