凯发官网地址 激光表面強化及智能涂層進展

摘 要:介紹了激光淬火,激光熔凝,激光表面合金化等材料表面改性技術及其組織和性能;綜述了智能涂層的特點及研究進展。本文由 吊鉤式拋丸機 生產廠家青島淳九整理
關鍵詞:激光淬火,激光熔凝,表面合金化,智能涂層中圖分類號: TG156.99 TG174.44 文獻標識碼:A 文章編號:1673-4971(2007)03-0004-07

0 前言
隨著現代工業的發展,人們對機械產品零件表面功能的要求越來越高。激光表面工程不僅可實現表面強化,同時也可根據設計要求進行表面合金化改性。同樣,表面智能涂層也不僅僅限于提高材料防腐性,還能感知周圍的環境和自身的變化,對所處環境或自身的改變作出迅速的響應。總之,改善材料表面性能,可有效延長使用壽命、強化使用功能、節約資源。對表面高性能的追求也推動著表面技術的不斷發展。下面分別介紹激光表面強化及智能涂層的進展情況。
1 激光表面淬火
激光表面淬火是激光表面強化領域中較成熟的技術。它是用高能激光束照射到工件表面,使表層溫度迅速升高至相變點之上(低于熔點),由于金屬良好的導熱性,當激光束移開后,通過工件快速的自激冷卻,實現材料的相變硬化。圖1為5kWCO2橫流激光加工系統。圖2為對工件進行激光表面淬火。

圖1 5kWCO2橫流加工系統

1.1 激光表面淬火的主要特點:激光表面淬火時,材料被高速加熱和高速冷卻,加熱速度可達104～109℃/s;冷卻速度大于104℃/s;激光表面淬火件的硬度高,通常比常規淬火高5%～10%,淬火組織細小,硬化層深度約為0.2～0.5mm;由于加熱和冷卻速度快,熱影響區小,
對基材的性能及尺寸影響小;易于實現局部、非接觸式處理,特別適于復雜精密零件的硬化加工;生產效率高,易實現自動化操作,無需冷卻介質,對環境無污染。

圖2 激光表面淬火

1.2 激光表面淬火后的組織:
硬化區:板條馬氏體(細小板條馬氏體、針狀馬氏體+殘余奧氏體、隱針馬氏體)過渡區:馬氏體+細珠光體〔馬氏體+屈氏體(調質態)、隱針馬氏體+屈氏體+鐵素體(退火態)、馬氏體+屈氏體+滲碳體、馬氏體+回火索氏體+珠光體、隱針馬氏體+回火屈氏體+回火索氏體+合金碳化物〕基體:珠光體+鐵素體(珠光體+滲碳體、回火馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體)鑄鐵材料:還有未溶的石墨帶、球狀石墨

1.3 幾種材料的相對耐磨性


幾種材料經過激光淬火和其它方法處理后,激光淬火件的耐磨性明顯提高,見表1。

表1 幾種材料的相對耐磨性

1.4 激光表面淬火的技術應用


激光表面淬火可用于汽車轉向器殼體、精密異形導軌面、錠桿、內燃機車彈性聯軸節主彈簧、模具、汽車凸輪軸、曲軸、活塞環、發動機缸體和缸套、齒輪、礦石磨輥等。
2 激光熔凝


激光熔凝又稱激光上釉。它是利用高能激光束在金屬表面連續掃描,使表面薄層快速熔化,并在很高的溫度梯度作用下,以105～107℃/s的速度快速冷卻、凝固,從而使材料表面產生特殊的微觀組織結構。

2.1 激光熔凝的特點

較之于激光表面淬火,激光熔凝所需激光能量更高,冷速更快;熔凝層組織非常細小,從而提高了材料的綜合機械性能;熔凝層中馬氏體轉變產生的壓應力更大,提高了工件的抗疲勞、耐磨等性能;表面的裂紋和缺陷可以通過熔化過程焊合,表層成份偏析減少,形成高度過飽和固溶體等亞穩相乃至非晶相;熔凝層下為相變強化層,使強化層的總深度增加。
2.2 激光熔凝層組織特征
柱狀-樹枝狀結構。熔化區的組織為細馬氏體和殘余奧氏體,馬氏體形態由原始組織和含碳量決定,硬度在500～1000HV的范圍內變化。
2.3 激光熔凝技術的應用

鑄鐵是應用激光熔凝較多的材料之一,能有效地提高和改善材料表面的組織和性能。另外,激光熔凝技術還應用于許多鑄造合金。如含粗顆粒初生硅(約60μm)的鑄造鋁硅合金,其基體為AL-Si共晶,在適當的激光熔凝處理后,得到均勻分布在基體上的細硅粒(1～4μm),材料硬度更高。
激光熔凝處理能使材料表面的碳化物熔解,組織細化,硬度提高,進而顯著提高材料的耐磨性能。激光熔凝處理后晶粒細化,硬度提高,消除了微裂紋,提高了裂紋形成阻力,減少了裂紋擴展通道,提高了疲勞壽命。

2.4 HT300試樣磨損對比試驗
從表2可看出,在經過幾種方式處理后的磨損試驗中,激光熔凝后的絕對磨損量較小。

表2 不同工藝處理后的磨損量

3 激光表面合金化


激光表面合金化是利用高能激光束加熱并熔化基體表層及添加元素,使之混合后迅速凝固,從而形成以原基材為基的新的表面合金層。激光合金化時能量密度達到104～108W/cm2,作用時間為0.1～10ms,熔池深度可達0.5～2.0mm,相應的凝固速度達20m/s。
3.1 激光表面合金化的特點

能進行非接觸式的局部處理,易于實現不規則的零件加工;能量利用率高;合金體系范圍寬,性能調節幅度大;能準確控制各工藝參數,實現表面合金化層深度可控;熱影響區小,工件變形小;通過獲得表面高性能的合金化層實現整體性能的提高,經濟效益顯著。


3.2 激光表面合金化的工藝方式

3.2.1 預置法:即先將合金化材料預涂覆于需強化部位,然后進行激光掃描熔化,以實現合金化。預涂覆可采用熱噴涂、氣相沉積粘結、電鍍等多種工藝進行。

3.2.2 硬質粒子噴射法:采用惰性氣體將合金化細粉直接噴射至激光掃描所形成的熔池,凝固后硬質相鑲嵌在基材中,形成合金化層。

3.2.3 激光氣相合金化:將能與基材金屬反應形成
強化相的氣體(如氮氣、滲碳氣氛等)注入金屬熔池中,并與基材元素反應,形成化合物合金層。如Ti及Ti合金進行激光氣體合金化,可形成TiN、TiC或Ti(C,N)化合物。
3.3 硬度及耐磨性
低碳鋼表面加SiC進行激光合金化,硬度可達1200HV。20鋼表面加Ni基合金粉末進行激光表面合金化,硬度雖然不及CrWMn鋼淬火,但耐磨性提高2.4倍;而在加入Ni基粉末的同時加入WC,耐磨性可提高5倍以上。
對Al-Si合金,采用Ni粉末進行激光表面合金化,生成Al3Ni硬化相,硬度達300HV,而加入碳化物粒子,耐磨性可提高1倍。見表3


Ti26Al24V合金加Si粉進行激光表面合金化,生成Ti5Si3/Ti耐磨復合材料涂層,硬度達800HV以上,耐磨性大幅度提高;對離子滲氮的Ti26Al24V試樣重新激光表面合金化,硬度從1050HV提高到1200HV。見圖3,圖4。

4 智能涂層的種類和主要特點
智能涂層是指以涂層的形式覆蓋于目標物體上的具有智能材料特征的涂層。智能涂層是具有自選擇或自適應功能的涂層,它具有自修復、自清潔、自潤滑、抗菌、耐腐蝕、以及能夠對酸堿度、溫度或光線強度之類的變化作出反應等特性。因此,智能涂層可以定義為:是一種人造的、能對某一外部刺激,如溫度、應力、應變或環境,有選擇地提供(作出)較佳反應的涂層系統。
4.1 主要特點

1)具有“智能”的功能。即能對環境產生自適應的、選擇性的、特殊的作用,或對環境變化作出較快的響應并實時改變自身以適應環境或避免自身失效以延長使用壽命。
2)以涂層的形式覆蓋于目標物體表面,智能涂層的厚度大多在幾納米到幾厘米之間。
3)以固體薄膜的形式穩定地存在于自身周圍環境中,較難或不能被周圍存在的水、油或其它液體溶解。
4)與周圍環境接觸的表面積比較大,能快速地對環境產生作用或者響應環境的改變。
5)智能涂層是一個新的學科交叉和集成。
4.2 智能涂層包括的研究內容

1)生物活性涂層(Bioactivecoatings)抗菌聚合物涂層,顏料和添加劑、生物排污/探測涂層,光催化涂層和生物催化涂層,防污涂層。
2)基于納米技術的涂層(Nanotechnology2basedcoatings)自組裝聚合物和涂層,光學涂層,超絕緣涂層,分子電子學涂層,導電聚合物及涂層。
3)刺激和響應涂層(Stimulusandresponse)傳感器功能涂層,熱觸發涂層,腐蝕、降解、缺陷傳感涂層,變色涂層,光傳感器涂層。
4)自組裝智能涂層(Self2assembledintelligentlayers)自修復和復原涂層,超疏水涂層,自潤滑涂層,分子刷,有機/無機混合涂層,光學活性涂層。

5 自潤滑減流阻表面涂層

大多數水生脊椎動物具有微脊骨和微生長物(微小突起物)表面,具有這種表面紋路的動物在高雷諾數介質中游動時,邊界層摩擦會減小。鯊魚表皮溝槽狀鱗片就是這種系統的一個例子,其尺寸范圍在200μm至500μm之間。鱗片表面由幾乎平行于鯊魚軸線方向的平行溝槽組成,溝槽的外圍是所謂小棱條。當用光滑體的模型和布滿與鯊魚表皮鱗片尺寸相似的溝槽模型來進行流阻試驗,測量出在雷諾數為1.5×106時,溝槽模型上的流阻比光滑體模型上的流阻低5%～10%。高雷諾數流體中減小摩擦的結構海豚表皮示意性圖CG為真皮凹槽(阻尼層)CP為真皮乳突(減流阻層)人造的類似海豚表皮的覆蓋層Cl為覆蓋層;rl為軟橡膠層;df為阻尼流體;il為內層;Bd為身體內堅硬底層・7・

圖11 仿荷葉表面的SEM照片及其疏水效果

6 抗菌除污涂層


生物初一免疫系統給了人類相關的啟示。生物種類的多樣性,其生活周期的階段性以及它們生活范圍與生活環境的廣泛性與多樣性,決定了生物要面對種類繁多的微生物的挑戰。許多生物在長期的進化過程中,發展出可分泌多樣的抗菌肽以抵御各種微生物的侵襲。例如非洲爪蟾皮膚顆粒中就能分泌十多種抗菌肽以抵御外界環境中的微生物。
將銀添加到無機或高分子涂層中,可以使涂層產生抗菌的功能,涂層表面可以釋放Ag+來殺死細菌。這種方法的一個缺點是涂層表面的銀離子不斷被水帶走后,涂層釋放Ag+的能力降低,導致其抗菌效果漸趨下降。TiO2具有特殊的光電化學性質,在光子的作用下,可以將Ag+還原成Ag,達到對Ag+
進行緩釋的目的。研究發現,包裹TiO2的銀顆粒,其抗菌效果優于單純使用金屬銀者,與可溶性的AgNO3顆粒效果相當。這種Ag+緩釋方法對于我們制造功能持久的智能型抗菌涂層具有重要的借鑒意義。
利用納米氧化鈦(TiO2)在陽光或紫外燈照射下產生游離電子及空穴電子,從而產生有極強氧化作用的氫氧自由基的原理(光催化技術又稱光觸媒技術),將納米氧化鈦催化劑復合到涂層中,可以制造出可吸收廢氣的涂層。氫氧自由基能氧化分解各種有機化合物和部分有機物,能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質。利用這一原理可以分解和去除空氣中的甲醛、苯及NH3、SOX、H2S及NOX等各種污染物,并可以殺死空氣中的細菌、病毒、真菌及植物花粉等。納米氧化鈦納米涂層技術已經在汽車、空氣清新機、健康空調、洗手間的抗菌陶瓷制品、內外墻涂料、建筑裝飾板材等方面獲得應用。

7 自修復表面涂層

材料往往會由于自身老化或環境應力的作用發生開裂而失效,也會由于磨損過于嚴重而失效。特別是由于涂層往往是處于材料表面,與環境或外界接觸較頻繁,因而也就較容易受到物理性傷害。生物體的皮膚或表皮層也經常受到傷害,然而生物體具有強大的自修復功能,動植物受到一些物理性的創傷可通過修養達到痊愈。自修復涂層能夠模擬生命體自修復的功能,釋放材料中隱含的修復物質或者吸收環境中的物質,從而達到自修復的目的。

圖12 含Ca(OH)2微膠囊涂層

圖13 Ca(OH)2與空氣中CO2反應

  含微膠囊的自修復表面涂層將雙環戊二烯(DCPD)、卡賓型Ru催化劑分別以微膠囊的形式分散于聚合物體系中。當聚合物受到損傷出現開裂時,由于應力的作用,微膠囊發生破裂,修補劑雙環戊二烯被釋放出來滲入裂紋中,通過與催化劑相接觸,雙環戊二烯在開裂的地方發生開環歧化聚合固化,從而達到對材料進行修復的功能。這種具有自修復功能的涂層的力學強度超過了原來不添加修復劑的高分子本體的強度,修復后裂紋處材料的強度也可以達到修復前材料強度的90%。另一種具有自修復功能的涂層,是向原有材料中添加內含Ca(OH)2的微膠囊實現的。當涂層表面被磨傷或劃傷后,微膠囊里面的Ca(OH)2被釋放出來。釋放出來的Ca(OH)2立即和空氣中的CO2反應生成一薄層CaCO3,CaCO3就起了涂層修補劑的作用。該體系可以完全將底漆和空氣隔絕開來,因而這個體系被應用在一些含重金屬底漆的中層漆或面漆上。測試后發現,鉛的粉塵濃度可以降低50%。
8 變色涂層

一些物質具有電致變色、光致變色、熱致變色、受壓變色或響應pH值變色的性質,這些材料在受到電流、可見或紫外光強度、溫度、壓力或pH值改變的刺激時,在可見光區會出現可逆的色彩變化。與體型材料相比較,涂層具有更大的與外界接觸的表面積。因而當以涂層的形式實現這些物質的功能時,其反應更加靈敏。

8.1 光致變色(Photochromic)涂層

光致變色現象是指在受到照射的光由一定波長向另外一定波長轉變時,一些有機物或無機物能夠發生可逆的顏色(或光密度)的變化。光致變色現象的本質是當光致變色物質在一定波長的光照射下,形成結構不同的另一化合物;如果用另一特定波長段的光照射或加熱時,又恢復到原來的結構。伴隨這一過程的是顏色(或光密度)可逆的變化。成色和消色過程的可逆性是光致變色反應區別于其它光化學反應的較大特點。
無機變色介質主要是有金屬的鹵化物(如AgI、HgI2等)和金屬離子變價型(如Mo(CO)6、W(CO)6等);主要的有機變色介質有螺吡喃、偶氮苯類、萘氧基類以及俘精酐類等。

8.2 電致變色(Electrochromic)涂層
電致變色的本質是物質在電流的作用下發生了電化學誘導氧化-還原反應,導致其發生可逆的顏色變化。電致變色需要的能量較低。
電致變色涂層種類很多,就成分而言可分為金屬系、金屬氧化物系以及復合系。金屬系的有Au、Ag、In、Al、Ca、Rh、Cr、Ti等等;金屬氧化物系有WO3、MoO3、SnO2等;復合系的有TiO2/Ag/TiO2等。
8.3 熱致變色(Thermochromic)涂層

熱致變色涂層是將可逆熱致變色介質通過各種方法制作成涂層或復合其它材料制作成涂層,從而使涂層具有熱致變色的功能。
現已發現一大批無機物、有機物和聚合物可以隨著溫度的改變,其可見、紫外或紅外光吸收光譜表現出明顯的變化。導致這種變化的機理有很多,大致有晶型改變、化學結構轉化、分子間化學反應、配位數變化、氧化或分解等。按其熱變色的可逆性,熱致變色介質又可分為可逆熱致變色介質和不可逆熱致變色介質。相對不可逆變色介質,可逆熱致變色介質更有實際應用價值。由于晶型改變、化學結構轉化、分子間化學反應、配位數變化等原因而出現的顏色變化大多是可逆的。
國外研究機構開發了一種光致變色顏料,可以在-35℃到+125℃范圍內可逆地改變顏色,并且在大于200℃條件下仍可正常使用,無毒,可直接添加。該顏料按0.1%～1%重量比添加于涂料中,通過刷涂、滾涂、噴涂等方法制作成熱致變色涂層,即可達到可逆熱致變色效果。

9 結束語

表面是材料較重要的部分。對大部分結構材料而言,它們的性能基本上都與表面狀態有關。因此,包括激光表面強化技術在內的表面工程技術受到人們的極大關注,發展迅速,對各類構件之性能的貢獻度越來越高。可以預見,隨著環境保護和可持續發展意識的加強、零部件性能要求的提高,表面強化技術必將得到更大的發展。
智能涂層的概念和理念源于生命現象,成長于人類對生物現象理解的深化。未來智能涂層的研究也將越來越緊密地與生命科學和材料科學聯系在一起,其研究領域將越來越廣泛,智能化的程度也將不斷提高。

參考文獻

[1] 潘鄰主編.表面改性熱處理技術與應用[M].北京:機械工業出版社,20061
[2] 曾曉雁,吳懿平主編.表面工程學[M].北京:機械工業出版社,20011
[3] 潘鄰,陶錫麒,夏春懷等.密封面激光表面淬火工藝的應用研究[J].金屬熱處理,2002,27(1):18-20