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1、-工艺参数对铝合金表面激光强化层组织与性能的影响毕业论文-第 9 页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1 1.3 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
2、序提高效率51.5.4 环保性51.6 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73.2 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12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。本论文是针对铝合金激光强化展开研究，通过对
3、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、
4、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：一、 对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二、 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
5、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Unit
6、ed Technologies 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: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
7、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%。1.2.2 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
8、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
9、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。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
10、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
11、。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
12、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。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
13、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
14、发展前景主要有以下几个方面： 激光强化的基础理论研究。 强化材料的设计与开发。 激光强化设备的改进与研制。 理论模型的建立。 激光强化的快速成型技术。 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用。强度是铬镀的致命点，因此由于工艺的原因存在孔隙和裂纹，那么铬层因为硬度高所以脆性较大，当局部受到压缩或冲击时，铬层极易发生裂纹。但是激光强化技术的修复之后，在基体表面形成均匀致密的金属涂层，完全避免了孔隙裂纹的产生，从而彻底阻
15、隔了水分与基体的接触。1.5.2 结合力强传统的电镀铬技术是利用电解工艺，将铬沉积在基体表面，形成铬镀层的表面处理技术，镀层与基体之间为物理结合，但是这种结合的密度不高，容易发生气泡、龟裂、脱落。但是通过了激光强化技术利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密覆层。同时焊接的强化层非常的紧致，热影响区非常的小，焊接之后不会出现变形的情况，从根本上杜绝了由于结合力不强造成的剥落现象。1.5.3 简化工序提高效率传统的电镀的修复工序非常的复杂，但是在激光强化技术的使用之后修复效果能达到很快。在加工前
16、只需对加工件表面进行除油、除锈处理，局部微小凹坑不影响加工，且强化还可在一定程度上弥补这些缺陷，加工的难度和费用也相应较低。1.5.4 环保性电镀对环境的影响是非常的大，会造成很多的废水，但是激光强化激光则不会，这种技术是一种环保、高效的修复技术，不会产生任何废气、废液，对环境无任何影响。 1.6 激光强化研究的意义及必要性设备在运行过程中不可避免地出现磨损、腐蚀等失效现象，从而造成不同程度的危害。对于一些造价低廉或精度不高的机件只需换新品即可，但对于那些价格高昂的高精度的机件，若更换新品势必会带来巨大的经济损失。因此在激光强化工艺上研究其原因，探索出最佳的激光强化工艺方法和工艺参数，对拓宽激
17、光强化的应用范围，推广激光强化技术具有重大的经济意义。第二章 实验设备及方法2.1 仪器设备表2-1 试验仪器与设备序号设备名称规格生产厂商1HV-1000A显微维氏硬度计5300HV莱州华银试验仪器有限公司3激光强化、焊接设备JIL-YW400温州市嘉泰激光科技有限公司2.2 实验内容与方法 激光强化实验利用激光强化设备，在改变距离，电流，脉宽，频率，速度这5个变量条件下各做一组实验，每组做了若干个试样，图片如下。 表2-3激光强化后实物图表12345工艺流程硬度测试的方法正交优化计算第三章 实验结果及分析3.1 激光焦深对激光强化层硬度的影响在保持电流100A，脉宽0.1ms，频率50Hz
18、，速度500mm/min不变的情况下，改变焦深共做8次激光强化，实验数据如下图所示。图3-1 强化点距离对强化层硬度的影响由图3-1看出，随着焦深变小，其硬度是下降的趋势，在103.3-97.3mm时会达到最大值，在89.3mm时，强化效果最差，硬度在初值103.3mm时最高。所以得到结论：焦深在103.3mm时，硬度最大，为51.2HV。重复试验后得出为43.7HV。3.2 激光电流对激光强化层硬度的影响在保持焦深103.3mm，脉宽0.1ms，频率50Hz，速度500mm/min不变的情况下，改变电流做了几次次激光强化，实验数据如下。图3-2 强化电流对强化层的硬度影响由图3-2看出，随着
19、电流变大，其硬度是先上升再下降再升的趋势，在电流160A时强化效果最佳，硬度达到了最大，由于本次实验达到的最大电流为600A，所以还需进一步实验。所以得到结论：电流在160A时，硬度最大为70.2HV。重复试验后得出为45.3HV。重复试验后得出为64.6HV。3.3 激光脉宽对激光强化层硬度的影响在保持焦深103.3mm，电流60A，频率50Hz，速度500mm/min不变的情况下，改变脉宽做10次激光强化，实验数据如下。图3-3 强化脉宽对强化层硬度的影响由图3-3看出，随着脉宽变大，其硬度几乎是呈上升的趋势，在脉宽为2.1-30ms时，其硬度呈下降趋势，之后又呈上升趋势，在2.5ms时达
20、到最大，由于本次实验能达到的最大脉宽为3.0ms，所以还需要进一步研究。可以得到结论：脉宽在2.5ms时，硬度最大，为192.3HV。重复试验后得出为150.4HV。3.4 激光频率对激光强化层硬度的影响在保持焦深103.3mm，电流60A，脉宽0.1ms，速度500mm/min不变的情况下，改变频率做7次激光强化，实验数据如下。图3-4 强化频率对强化层硬度的影响由图3-4可以看出，随频率上升，硬度没有一直上升或一直下降的趋势，只有2个高的点，在频率70Hz和120Hz时都相对较高。可以得到结论：频率在120Hz的时候，硬度最高，为104.3HV。重复试验后得出为106.1HV。3.5 激光
21、速度对激光强化层硬度的影响在保持焦深103.3mm，电流60A，脉宽0.1ms，频率50Hz不变的情况下，改变速度做20次激光强化，实验数据如下。图3-5 强化速度对强化层硬度的影响 由图3-5可以看出，随速度上升，其硬度先下降后上升再下降的趋势，可以知道速度越小强化效果越好，速度快了可能导致强化效果变差。可以得到结论：在速度50mm/min的时候，硬度最大，为44.4HV。重复试验后得出为45.3HV。 四、 结论本实验使用镀镍铁片通过改变激光强化的焦深，电流，脉宽，频率，速度5个工艺条件来找出硬度最高的强化层和在各种变量下的最佳金像图。得到一下结论：（1）通过改变焦深实验后观察，发现激光强
22、化后在焦深103.3mm时，硬度最大，为51.2HV。（2）通过改变电流的大小实验后，发现激光强化后在电流为160A时，硬度最大，为70.2HV。（3）通过改变脉宽的大小实验后，发现激光强化后在脉宽为2.5ms时，硬度最大，为192.3HV。（4）通过改变频率的大小实验后，发现激光强化后在频率为120Hz时，硬度最大，为104.3HV。（5）通过改变速度的大小实验后，发现激光强化后在速度为50mm/min的时，硬度最大，为44.4HV。注：因为在电流、激光速度、焦深试验时，材料表面经压力挤压后有坍塌现象，测得数据为模糊值，数值不够有精确，但规律性同样可靠。致谢本文是在徐临超老师的精心指导下完成
23、的，从论文的选题，研究方案的设计，到整个实验过程的进行和最后的论文撰写及修改，都得到徐老师严格的要求和热情的指导帮助。徐老师对我学习和生活上的关心使我感受至深，而徐老师渊博的学识，严谨扎实的工作作风，一丝不苟的科研态度更使我受益非浅。在整个课题研究中，徐老师一直悉心关注，在研究方法及实验方案上给予许多有益的启示和指导，在实验过程中也给予热情的帮助。本论文的完成凝聚着徐老师的心血，在此向徐老师表示衷心的感谢。最后，诚挚的向参加论文评阅和论文答辩的各位老师表示感谢!由于作者水平有限，论文中难免存在错误和漏洞，敬请各位老师给我提出宝贵的意见和建议。参考文献1李晓薇，张春华，张松，等激光强化技术的研究
24、进展J激光杂志，2007，28（2）：1-22 孙佛晓，激光强化技术研究J激光杂志，2010，31（4）：49-503袁庆龙，冯旭东，曹晶晶，等激光强化技术研究进展J材料导报，2010，24（2）：112-1164 周笑薇，王小珍. 激光强化技术在工业中的应用J. 中州大学学报, 2005，22（4）: 110111. 5 邱小林. 激光强化TiC金属基陶瓷涂层的研究J. 热加工工艺，2006，35（10）:19-22.6 唐英，杨杰. 激光强化镍基粉末涂层的研究J. 热加工工艺，2004，（2）:16-17，22. 7 刘其斌，朱维东，邹龙江，等. 宽带激光强化工艺参数对梯度生物陶瓷复合涂层
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