铝合金表面激光金属间铝化物复合强化

摘要

本文利用激光强化技术，采用高功率连续波的YAG固体激光器对预置了Ni、Ti等粉末的2024铝合金基体表面进行激光强化处理，以期原位反应生成铝的金属间化合物，从而提高铝合金表面的硬度、耐磨损及耐高温抗氧化性能。
　　 在氩气保护的条件下，采用适宜的激光强化工艺参数和粉末组合，可在基体表面制得厚度为1～2mm，组织致密，且与基体里现良好冶金接合的合金强化层。对强化层的微观组织结构分析结果表明，强化层主要由NiAl、Ni3Al、NiAl3、Al3Ti、AlTi等金属间化合物与分布在它们之间的α-Al固溶体组成，并形成了多层次的组织结构。表层主要由细小胞状晶枝组织构成，并出现了大量纳米级组织颗粒；内层组织呈多样性分布，组织生长具有很强的方向性；接合部则是由垂直于界面生长的柱状晶组织构成，从而提高了强化层与基体的接合性能。
　　 强化层性能受激光参数影响很大，激光功率密度影响熔池的对流强度，扫描速度影响熔池的冷却速度。在一定的激光功率密度下，扫描速度越大，得到的组织颗粒越细小，强化层硬度越高，同时其厚度会变薄，但扫描速度过大时会导致层内出现裂纹。在预涂粉末厚度0.3mm，激光功率密度为700～800W/mm2，扫描速度12～14mm/s，搭接率30％，保护氩气的流量为20L/min处理条件下能得到质量较好的强化层。
　　 几种合金粉末的激光强化层硬度均比基体有了显著提高，强化层平均硬度值可达350HV，较基材2024铝合金硬度提高了近2倍，而耐磨性能提高4倍以上，且具有较强的高温抗氧化性能，强化层在连续24小时，400℃的环境中层内未出现开裂现象。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 前言

1.1 激光表面处理技术

1.1.1 金属对激光的吸收率及提高方法

1.1.2 熔池对流机制

1.1.3 合金层稀释率问题

1.1.4 合金强化层的凝固过程机理分析

1.2 铝合金激光表面强化方法

1.2.1 合金材料的基本要求及添加方法

1.2.2 铝合金表面预处理

1.2.3 铝合金激光表面重熔

1.2.4 铝合金激光表面合金化

1.2.5 铝合金激光表面熔覆

1.2.6 铝合金表面激光强化存在的问题

1.3 本文研究的目的和主要内容

1.3.1 研究的目的

1.3.2 主要研究内容

第二章 实验方法与步骤

2.1 铝合金基体材料及预置粉末方式

2.2 激光扫描参数设计

2.3 组织性能测试设备及方法

2.3.1 试样制备方法

2.3.2 微观组织观察与分析

2.3.3 硬度、耐磨性、高温抗氧化性能测试

第三章 实验结果与理论分析

3.1 Ni合金强化层的形貌与组织分析

3.1.1 激光功率密度对Ni强化层的相貌影响

3.1.2 强化层形成的Ni-Al金属间化合物

3.2 Ti合金强化层的形貌与组织分析

3.2.1 扫描速度对Ti强化层的形貌与组织性能的影响

3.2.2 Ti合金强化层的组织形貌微观分析

3.2.3 强化层形成的TiAl金属间化合物

3.3 Ni-Ti合金强化层的形貌与组织分析

3.3.1 不同配比的Ni-Ti含金强化层组织形貌分析

3.3.2 强化层生成的金属间化合物

3.4 铝合金激光表面强化常见缺陷及改善措施

3.4.1 气孔缺陷

3.4.2 开裂缺陷

3.4.3 能量叠加与过热缺陷

3.5 本章小结

第四章 强化层性能测试

4.1 激光强化层的硬度

4.1.1 Ni强化层的硬度分析

4.1.2 Ti强化层的硬度分析

4.1.3 Ni-Ti强化层的硬度分析

4.2 试样的磨损测试与机理分析

4.2.1 磨损性能测试

4.2.2 磨损机理

4.3 强化层的高温性能测试

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

学位论文评阅及答辩情况表