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光學工程
激光熔覆應用
激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷,是一種新的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法,在基材表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。
由于激光束的高能密度所產生的近似絕熱的快速加熱過程,激光熔覆對基材的熱影響較小,引起的變形也小。控制激光的輸入能量,還可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%~8%),從而又保持了原熔覆材料的優異性能。
激光熔覆可將高熔點的材料熔覆在低熔點的基材表面,且材料的成分亦不受通常的冶金熱力學條件限制,因此所采用的熔覆材料的范圍是相當廣泛的,包括鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復合合金材料以及陶瓷材料等,其中合金材
料和碳化物復合材料的激光熔覆較為成熟,并已獲得實際應用。1、常用激光熔覆材料。
目前,激光熔覆常用的材料主要是熱噴焊或熱噴涂類材料,其類型包括自熔性合金材料、碳化物彌散或復合材料、陶瓷材料等。
這類材料具有優異的耐磨、耐蝕等性能,通常以粉末的形式使用,并采用火焰噴焊等方法熔覆,可獲得表面光滑且與基材結合較好的覆層,已被廣泛用于機械、冶金、水電、航空、造紙和玻璃等工業。將其用作激光熔覆材料亦可獲得較滿意的效果,尤其是自熔合金粉末、自熔性碳化物彌散或復合粉末等。
(1)自熔性合金粉末。
自熔性合金粉末可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金、鐵基自熔合金,其主要特點是含有硼和硅,因而具有自我脫氧和造渣的性能,即所謂自熔性。
這類合金在重熔時,合金中的硼和硅被氧化,在覆層表面形成薄膜。這種薄膜既能防止合金中的元素被氧化,又能與這些元素的氧化物形成硼硅酸鹽熔渣,從而獲得氧化物含量低、氣孔率少的噴焊層。硼與硅還降低合金的熔點,增加合金的浸潤作用,對合金的流動性及表面張力產生有利影響。自熔合金的硬度與合金的含硼量與含碳量有關,隨硼、碳含量的增加而提高,這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數量增加所致。
由于基材含有較高的鉻等元素,所以合金還具有優異的耐蝕和抗氧化性。
為提高自熔合金的硬度及耐磨性,也可在其中加入較多的WC,形成自熔合金與WC的混合物。
(2)碳化物復合粉末。
碳化物復合粉末系由碳化物硬質相與金屬或合金作為粘結相所組成的粉末體系。這類粉末中的粘結相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解,特別是經預合金化的碳化物復合粉末,能獲得具有硬質合金性能的涂層。
(3)自粘結復合粉末。
自粘結復合粉末是指在熱噴涂過程中,由于粉末產生的放熱反應能使涂層與基材表面形成良好結合的一類熱噴涂材料,其最大的特點是具有工作粉和打底粉的雙重功能。
(4)氧化物陶瓷粉末。
氧化物陶瓷粉末具有優良的抗高溫氧化能力,還有隔熱、耐磨、耐蝕等性能,是一類重要的熱噴涂材料,也是目前極受重視的激光熔覆材料。此類陶瓷粉末主要分為氧化鋁、氧化鋯兩個系列,其中氧化鋯系陶瓷粉末比氧化鋁系陶瓷粉末具有更低的熱導率和更好的抗熱震性能,因而主要被用作熱障層材料。2、激光熔覆的工藝流程。
預置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位,然后采用激光束輻照掃描熔化,熔覆材料以粉、絲、板的形式加入,其中以粉末的形式最為常用。
同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中,使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入,有的也采用線材或板材進行同步送料。
預置式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---預置熔覆材料---預熱---激光熔化---后熱處理。
同步式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---送料激光熔化---后熱處理。按工藝流程,與激光熔覆相關的工藝主要是基材表面預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和后熱處理。

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