降低零部件磨耗的方法有兩大類,一類是采用硬質材料,提高耐磨性;另外一類是采用減摩材料,降低摩擦系數(shù)。華工科技開發(fā)的一個項目,通過激光非平衡合成技術,在材料表面添加納米超硬質耐磨
相(TiB2、TiC、 WC)和減摩相(h-BN, h-WS2, h-MoS2),快速合成金屬基耐磨減摩復合材料層,利用納米耐磨相和減摩相的小尺寸效應,將耐磨和減摩有機結合起來,這是表面工程領域的一大突破。
鋁合金模具缺陷的激光修復
鑄造鋁合金易產生縮孔等缺陷,而這些缺陷往往是模具型腔尺寸加工到位以后才發(fā)現(xiàn),輕者影響模具質量和使用壽命,重則導致模具報廢。
模具激光焊接是以激光高熱能集中定點的精確焊接技術,有效處理模具的一些微小破損部分的焊接及修補工作,如:各種模具裂痕、砂眼、崩角、模具飛邊、密封邊等微小部位的修補,有傳統(tǒng)焊接不可替代的優(yōu)勢,準確率高、速度快、深度大、變形小、強度高,加工后不會發(fā)生氣孔,焊接過后可磨削加工成光亮表面,特別適合有拋光要求模具修補。
采用脈沖激光修復鋁合金鑄造缺陷,利用能量密度高的特點,對鋁合金缺陷部位進行加熱,并加入同質鋁合金粉末,能實現(xiàn)模具的快速修復。激光修復層具有如下特點:1)修復區(qū)與基材成分相近,2)界面呈冶金結合,3)對基材的熱影響區(qū)小、無形變,4)修復層性能與模具基材相當、易加工。
激光修復所需設備:1)激光器,2)加工機床,3)數(shù)控系統(tǒng),4)送粉裝置,5)光學系統(tǒng)。
鎂合金鑄造缺陷的激光修復
鎂合金鑄件常存在氣孔、夾雜等缺陷,而這些缺陷通常是零件加工到要求的尺寸后才被發(fā)現(xiàn),因此導致鎂合金鑄件成品率很低。在鎂合金缺陷的修復過程中,面臨以下幾方面的問題:
(1) 粗晶問題:鎂的熔點低(651℃),但因為鎂導熱快,所以必須采用較大功率的熱源,這使得鎂合金易產生過熱和晶粒長大。
(2) 氧化和蒸發(fā):鎂的活潑性極高,在高溫下易被氧化形成氧化鎂,其熔點高(2500℃),密度大(3.2g/cm3),在熔池中易形成細小片狀的固態(tài)夾渣。而且,鎂合金在沒有隔絕氧的情況下,還容易燃燒。在高溫下鎂還容易和空氣中的氮化合生成鎂的氮化物,使熔區(qū)性能在冷卻后變壞。鎂的沸點不高(1100℃),高溫下,鎂很容易蒸發(fā)。所以鎂合金在熔化時需要嚴格加以保護。
(3) 熱應力:鎂及其合金熱膨脹系數(shù)較大,約為鋼的2倍,鋁的1. 2倍,所以,易引起較大的熱應力,加劇裂紋的產生和引起工件變形。
(4) 裂紋:鎂容易與一些合金元素(如Cu、Al、Ni等)形成低熔點共晶,所以脆性溫度區(qū)間較寬,易形成熱裂紋。
(5) 氣孔:容易產生氫氣孔,氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而急劇減少,當氫的來源較多時,出現(xiàn)氣孔的傾向是較大的。
(6) 熱源的控制:采用的熱源必須有足夠的能率,否則在加熱時,熱量會迅速向基體傳導,輕則熔化層過深,重則整個基體熔化。
這使得鎂合金的修復較之普通材料實現(xiàn)起來更為困難。
本公司采用波長為1.06μm的YAG激光,在專用氣簾的保護下,有效避免了激光加工過程中,鎂合金的氧化,成功實現(xiàn)了鎂合金的激光修復。下圖分別為單道和多道激光修復的形貌照片。從橫斷面分析來看,與修復層無氣孔和裂紋、與基材呈良好的冶金結合,且對基材的熱影響極小。
應用領域:鎂合金鑄件缺陷的修復,如筆記本外殼、鎂合金儀表盤、鎂合金汽車零部件等。
銅合金的激光熔覆
銅具有很好的傳導性以及較好的機械性能,因而銅合金是工業(yè)中不可缺少的金屬材料,在電力電器、機械制造、航空航天等行業(yè)得到了廣泛的應用。近幾年來,銅價的大幅度攀升進一步提高了銅合金零部件的成本,隨著科學技術日新月異的發(fā)展,迫切需要改進銅合金材料的性能,要求在保證高導熱性能或者高導電性的條件下,提高其硬度、耐磨性和抗電弧燒蝕性等。因此表面改性是延長銅合金零部件使用壽命、降低其使用成本的有效途徑。
目前,已有多種表面強化方法(電鍍、化學鍍、陶瓷強化、復合強化等),但是其又存在著各自的優(yōu)點、缺點,如:鍍層較厚、容易脫落、對環(huán)境有污染等,所以表面強化的技術需要進一步的改善和提高。激光表面技術為克服這些技術的難點提供了新的能量源和解決思路。
但是銅合金表面激光熔覆技術仍然存在著自身的問題:
1)銅合金的導熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅硬的氧化膜,對光斑的反射率較大,這就使得激光產生的熱量在其表面不易停留,直接熔覆功能涂層難以實現(xiàn);
2)銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大,使用過程中的界面失效問題要得到一定的重視,在中間要有相應的過渡層連接;
3)涂層內韌性不足,熱裂和應力等缺陷存在于涂層內部。
本公司采用了脈沖YAG激光成功地實現(xiàn)了銅合金表面改性,為提高銅合金的耐磨性提供了有效途徑。
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