激光表面合金化技术在钢铁材料方面的应用分析

   激光表面合金化(LSA)作为一种材料表面改性技术，具有广阔的应用前景。激光表面合金化是利用激光辐照来加热工件，并使之熔化至所需深度，添加适当的合金元素改变基材表面的化学成分、组织和性能，利用快速冷却形成新的非平衡微观结构，从而提高材料的耐磨损、耐疲劳和耐腐蚀性能。利用激光表面合金化能在一些廉价的母材表面制备出耐磨、耐蚀、耐高温的合金化层，从而大幅度降低材料成本。近些年来，随着激光器性能的不断完善和大功率激光器的开发，激光表面合金化技术得到了迅速发展，特别是在钢铁材料方面的应用取得很大进展。可进行激光表面合金化的主要铁基合金有：工业纯铁、普通碳钢、合金钢、工具钢和铸铁等。

    一、提高钢铁材料的耐磨性

    通过添加碳化物、硼化物等硬质粒子或C，N，B，W，Ti 及 Cr 等元素，原位生成碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物可提高基体的硬度和耐磨性。例如，在球墨铸铁轧辊表面进行B4C，WC，TiC 及 Cr2C3混合粉末的激光合金化。结果表明，合金化层中形成了固溶体、马氏体、残余奥氏体和大量的碳化物，显微硬度由基体的500 HV提高到1201 HV，耐磨性达到基体的1.6倍。另外，在球墨铸铁表面进行超细TiC 和 Cr2C3混合粉末的激光合金化，合金化层中形成先共晶奥氏体、莱氏体、TiC、Cr7C3和Cr23C6等相，使基体的硬度和耐磨性能显著提高。另外，很多研究人员也选择了碳化物硬质相加金属或合金组成的混合粉末进行激光表面合金化来提高基体的耐磨性。例如，在70MnV 轧辊钢表面进行NiCr-Cr3C2混合粉末的激光合金化，合金化层中形成Cr7C3、Fe3C 等相，耐磨性比基体提高7.8倍左右。又如，在304不锈钢表面进行WC+Ni+NiCr混合粉末的激光合金化，合金化层中包含了未分解的WC，W2C，M23C6及M6C 等相，硬度达到了1350 VHN，比基材的硬度(220 VHN)提高了5倍多。另有报道，加入稀土氧化物也能提高基体表面的耐磨性。如在40Cr钢表面进行Mo+Y2O3混合粉末激光合金化，可以提高40Cr钢的硬度和耐磨性。

    二。 提高钢铁材料的耐蚀性

    通过激光处理在碳钢表面加入Cr，Mo及Ni等元素可提高其耐蚀性。例如，在45钢表面进行铬钼硼合金化，可获得高耐蚀性的合金复合涂层，合金化层在盐酸中的抗腐蚀性能得到显著提高。又如，把低碳钢热浸在熔融的铝池中，然后对热浸铝化低碳钢进行激光表面合金化处理，生成的抗腐蚀性FeAl和Fe3Al 等相，使低碳钢的耐蚀性提高了5倍。

    三.提高钢铁材料的耐高温和抗疲劳性能

    利用激光合金化对基材表面添加Co，Cr及Mo等元素可提高合金化层的耐高温和抗疲劳性能。例如，用预涂Cr粉的方法对灰铸铁进行激光表面合金化，可以提高灰铸铁的抗热疲劳性。合金化层中的Cr含量随预置涂层厚度的增加而增加，其抗热疲劳性能也随之得到提高。