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激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展

激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展
激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展

激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展

摘要:本文论述了激光表面改性的发展现状及趋势,激光表面改性的主要影响因素,以及国内外熔池温度的检测与控制的进展等问题。

1、激光表面改性简介

激光表面改性是采用大功率密度的激光束,以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却,来实现其表面改性的工艺方法。虽然激光加工技术始于20世纪60年代,但激光表面处理在大功率激光器的研制之后才获得了实际应用,并在近几年得到了迅速发展。激光表面改性[1]是当前材料工程学科的重要方向之一,同时被誉为光加工时代的一个标志性技术,各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。其高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染的特点,符合材料加工的发展需要。经过多年研究和实际应用表明,和其它传统表面处理技术相比,激光表面工程技术具有以下一些优点:

(1)可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介于稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀。

(2)强化层与零件本体形成最佳的冶金结合,解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。

(3)激光束能量密度高,对非激光照射部位几乎没有影响,即热影响区小,工件热变形可由加工工艺控制到较小的程度,后续加工余量小。有些加工件经激光处理后,甚至可直接投入使用。

(4)易于实现信息化、智能化, 可以引入近代计算机、机器人等高技术装备, 使激光束的产生及操纵信息化、智能化。

根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式,激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光相变硬化、激光熔覆、激光表面熔凝、激光冲击强化、激光表面合金化等。

2、激光相变硬化工艺及其影响因素

激光相变硬化(又称激光淬火)是激光热处理的一种,它是以激光为热源,通过高能量的激光束扫描工件,使工件表面极薄一层的小区域内快速吸收热量而温度急剧上升,工件材料表面内的温度在材料的熔点和奥氏体转变临界温度之问的部分发生固态相变,随后发生自淬火,得到马氏体组织,实现工件表面相变硬化。激光相变硬化后,工件表面硬度显著提高,淬硬层深达0.1-2.Omm,疲劳强度增大,且加工后变形小,因此得到广泛应用[2].

由于激光相变硬化过程错综复杂,需要考虑影响硬化层的主要参数及其相互关系。激光硬化层的尺寸参数(硬化层宽度,硬化层深度,表面粗糙度,显微硬度,耐磨性,组织变化)

取决于激光功率密度(激光功率,光斑尺寸),扫描速度,材料的性质(成分,原始状态)和表面预处理特性等,也与被处理零件的几何形状,尺寸和激光作用区的热力学性质有关。在其他工艺因素不变的条件下,主要工艺参数有激光器输出功率,扫描速度和作用在材料表面上的光斑尺寸。三者的综合作用直接反映了激光淬火过程的温度及其保温时间,三者可互相补偿,经适当的选择和调整可获得相近的硬化效果。另外还应考虑各参数值的选择范围,不能过大或过小,以免冷速过低,不能实现马氏体转变。反之,激光功率过大,容易造成表面熔化,影响表面的几何形状。奥氏体的临界转变温度与材料的熔点之比值越小,允许产生相变的温度范围越大,硬化层深度就越深。除此之外,硬化带的扫描花样(图形)和硬化面积的比例,硬化带的宽窄,在激光作用区吹送气体的状况,光路系统以及光束焦距等均对激光表面淬火质量有一定的影响[3]。

3、激光熔覆工艺及其影响因素

激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆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,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。其参数主要有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度等,它们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大的影响,而这些影响都可以从熔池的温度变化中体现出来。

激光功率对熔池的温度有重要的影响。功率越大,熔化的粉末越多,产生气孔的机率也越大,基材升温也越大,熔覆层变形和开裂倾向也越大,严重时表面层会陷入基体中,形成较深的沟槽;功率小,粉末不能完全熔化,熔液与基材的润湿性降低,表面张力过高,致使熔液凝聚,也可能产生泪珠状的结果。功率的升高和温度的升高成近似的线性关系(如图3-1),说明随着功率的增大,熔池得到的激光能量也越大,温度自然升高[4]。

图3-1 温度随功率的变化

随着扫描速度的增大,熔池吸收的激光能量有所降低,熔池表面温度随之下降(如图3-2)。另外,在功率一定的情况下,扫描速度过慢,粉末吸收能量大,会导致熔池变大,溶液也易发生气化,从而影响熔覆质量;扫描速度快,容易使粉末不完全熔化,使粉末产生飞溅现象,影响熔覆品质。随着扫描速度的增加,熔池中液态金属的冷却也增大,使得在随后的凝固过程中晶核没有充分时间长大,因而随着扫描速度的增加,熔覆层中的晶粒明显减小,如图3-3,硬度也相应增大。

图3-2 不同的扫描速度对温度的变化的影响

图3-3 不同扫描速度下的熔覆层组织

在相同工艺条件下,送粉速率增大,透光率随之下降,从而使基体吸收透光

能量线密度减小,熔覆材料加热温度降低,熔覆层组织细化,界面区域减小,界面初生柱状

晶生长能力减弱,此现象在扫描速度较低时较显著。在给定扫描速度下都存在一个临界送粉速率,临界送粉速率随扫描速度增大而减小,即透光率随送粉速率增大而减小到一定程度,以至于不能使基体表面熔化,此时熔覆层与基体不能达到冶金结合,熔覆便不能实现。对应的送粉速率被称为临界送粉速率。在此种情况下,熔覆材料加热温度一般较低,熔覆材料颗粒不能完全被熔化而形成类似烧结的组织,如图3-4

图3-4 送粉率过大造成烧结现象

光斑直径是指从激光器出来的光束经光学系统聚焦后照射到扫描线上的圆形光斑大小。研究表明比能量(E=P/ DV)减小有利于降低稀释率。因此在激光功率一定的条件下,熔覆层稀释率随光斑宽度增大而减小;当扫描速度和光斑宽度一定时,熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。只有把熔覆比能量控制在一定范围内,才能获得品质优良的涂层。

预热是防止熔覆层产生开裂现象的一种有效方法。先用低功率激光束在不送粉的情况下沿轨迹对基材加热,然后用2. OKw的激光功率,3mm的光斑直径,6. 5g/s的送粉速度和8mm/s 的扫描速度研究预热温度对熔池平均温度的影响。结果如下图4-20所示,随着预热温度的增加,熔池温度呈线性上升。

图3-5 预热温度对熔池温度的影响

在相同工艺条件下,基体预热将导致熔覆层组织粗化,熔覆层与基体结合界面附近柱状晶生长能力增强,界面附近出现条状马氏体,如图4-21,界面区域加宽,这是由于预

热使基体熔化量增多且温度提高,降低熔覆层结晶时的冷却速度,减小界面非自发形核率,界面附近原子互扩散能力加强所致。测试硬度发现,随着预热温度的升高,硬度有所降低。这是因为熔覆层的冷却速率取决于熔覆层与基体的温度差,而预热能够改变这种温度差,所以熔点处的温度下降速度小于不预热的情况,因此可以推断出预热温度越高,冷却速率越小,虽然降低了硬度,但是减小了应力,降低了熔覆层的开裂倾向。

而且预热温度低,对熔覆层硬度影响不大,预热温度越高,熔覆层的硬度明显降低。这是因为预热后基体的温度更接近熔覆的温度,从而散热相对缓慢,降低了熔覆层的温度梯度。

4、激光表面改性的国内外研究及应用现状

目前,众多学者对半导体激光加工的应用做了大量的实践。在国外的早期研究成果中,德国夫琅和费研究所的F.Kiocke博士等使用650W半导体激光器对42CrMn4进行表面相变硬化,处理后合金钢的表面硬度达到HV700以上,硬化层宽度4. 0mm,深度约为0.5mm[5]。英国诺丁汉大学的LR.Pashby等人研究了半导体激光器硬化080M40和817M40钢时激光器功率、扫描速度对硬化效果的影响,对不同功率下的最高速度进行了分析,以及功率对硬化层的硬度和深度的影响[6]。日本名古屋大学联合其它公司使用半导体激光器与C02激光器和Nd: YAG激光器在双相不锈钢表面熔覆钻基合金的效果进行了对比,半导体激光器在熔熔覆层宽度、稀释率、基体热畸变方面要优于后两者[7]。分布均匀的功率密度不会给材料基体造成较大的局部热畸变,光束的短波长提高了熔覆材料和基体的吸收率,熔覆层的稀释率和气孔率较低,且表面较为平滑,减少了后续加工。通过对功率的调节和送粉、送丝速度的调节可以实现对熔覆层厚度的控制,通过对激光功率和熔覆材料的控制实现熔覆层的结构和几何形状的精确控制,这给模具以及发动机部件的维修再利用带来便利。芬兰拉普兰工业大学使用半导体激光器对AISI304不锈钢进行焊接,板材厚度为1,2, 3, 4mm,讨论了光束入射角度、保护气体、焊接速度在对接和搭接焊时的影响。半导体激光器在使用较长焦距的聚焦镜时,可以允许较大的装配间隙,同时也可以更加有效的保护镜片。同时指出光束入射角度对焊接速度没有直接的影响,可以安装在机械手上实现高效加工[8]。在对铝合金的焊接是半导体激光器的优势所在,其中心波长位于金属铝的吸收峰附近,吸收率有很大提高。日本大阪焊接研究所和名古屋光加工研发中心使用4kW的大功率半导体激光器对AA5083-0.8mmt (Al-4.5Mg-Mn)、AA5022-0.lmmt(Al-4.6Mg-O.35Cu)、AA6016-T4-lmmt (Al-lSi-0.45Mg)三个牌号铝合金焊接[9],后两个牌号的铝合金可用于车体制造。通过半导体激光器对钛合金表面重熔处理可以提高钛合金的表面硬度,波兰西里西亚工业大学研究了半导体激光器在不同的气氛环境中处理钛合金的表层硬度和厚度,其中在氮气的氛围中,重熔层的厚度达到了

0.7mm,硬度由基体的200HV升高到3100HV[10]。英国曼彻斯特大学宇航材料与工程学院和北爱尔兰洛夫大学研究了半导体激光器在对医用钛合金表面处理[11],处理后合金的表面浸润特性得到改进,使得其表面与生物体细胞及组织液有更好的兼容特性。分析对比了半导体激光器处理前后,人体造骨细胞对钛合金(Ti-6A1-4V)的生物反应以及附着程度,处理后的钛合金要明显优于处理前和其他机械手段处理的结果。半导体激光器可以很好的控制材料的去除深度,残渣也更容易被清除,其较高的电光转换效率、坚固性和便携性是其广泛应用的优势所在。英国开发了一种用于核工业建筑物的污染物去除的便携式设备[12-13]。大功率半导体激光器还可以用于对陶瓷、硬质合金材料切削加工前的预热[14],以及对铝合金板、钢板的弯折成型[15]方面。

与国外相比,国内对大功率半导体激光器的研究较少,而且大都使用国外的

半导体激光器,主要有以下方面: 华南理工大学的杨永强博士发表了一篇有关大功率半导体激光熔覆高速钢的文章[16],该实验完成于德国夫琅和费研究所。文章中使用2KW半导体激光器在工具钢表面熔覆高速钢粉末,研究了随激光器功率增加,熔覆层厚度、粉末利用率和基体对熔覆层稀释率的影响,获得了硬度值为800HV (基体硬度值为200HV.)的熔覆层。南京航空航天大学材料科学与技术学院薛松柏教授使用德国LIOM公司的90W半导体激光系统研究了半导体激光对微电子工业钎焊材料Sn96Ag3.5Cu0.5和Sn63Pb37的浸润特性的影响规律[17]。北京工业大学激光工程研究院王智勇教授自主研制成功高光束质量1000W大功率半导体激光器,并将其应用于对U74钢轨的表面淬火实验中。实验分别采用278W的功率以6mm/s的速度沿快轴方向和313W的功率、16. 5mm/s的速度沿漫轴方向对U74钢轨表面进行相变硬化。结果分析表明,硬化层硬度值可以达到800HV-900HV,比基体硬度提高3-4倍。

5、熔池温度检测的方法

影响激光表面改性技术质量的因素很多,比如激光功率、扫描速度、送粉率、光斑质量及尺寸和被加工零件都会在不同程度上影响改性质量。在影响激光加工质量的因素中,加工温度是一个比较关键的因素,激光加工过程温度的控制可以有效提高激光加工质量[18]。在激光相变硬化过程中,如果淬火温度低于其完全奥氏体化温度,则因为零件未能完全奥氏体化,而导致其淬火组织不能得到100%马氏体组织,及所谓亚温淬火,这时硬度会比正常情况偏低。如果淬火加热温度过高,会导致奥氏体晶粒粗大,导致淬火马氏体级别粗大,虽然硬度值没有问题,但其性能会变差,脆性大,甚至会在内应力作用下自行开裂。在激光熔覆、激光再制造等加工过程中,激光加工温度直接影响着工件的表面形貌、裂纹和气孔的产生。温

度在很大程度上决定了激光熔池的尺寸和稀释率,如果温度过低,熔池的稀释率就会太小,熔池中的金属粉末就不能完全熔化,基体与熔覆层之间不能形成很好的冶金结合,结合强度不够,易脱落,熔覆层表面易形成气孔、裂纹。如果温度过高,熔覆层的稀释率过高,基体材料熔化过多,降低了熔覆层的性能,不能形成高硬度、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能的熔覆层,同时,由于温度过高,熔覆材料就会造成烧损,增加了裂纹产生的几率[19-21]。因此,合理控制激光加工温度对提高激光加工质量具有重大意义。

鉴于上述分析的温度对于激光表面改性质量的影响,有必要对熔池的温度进行检

测,进而进行反馈控制。常用的高温测量方法主要分为接触式测温和非接触式测温。在

激光表面处理过程中,由于激光的高能密度和聚焦的尺度小等特点,这一过程都是在极

短的时间内完成,使得激光熔池温度场检测变得比较困难。在激光加工过程中一般采用

非接触测温方法,其优点是寿命相对较长,精度相对较高,易于实现自动化控制。

5.1 温度检测方法

温度测量与长度、质量、压力等参数的测量有所不同,它是利用某些物质的物理性

能如线膨胀率、电阻率、电势率、热噪声、热(光)辐射等与温度的关系,做成各式各样

的感温器件—温度传感器的,并通过它们随温度的变化量间接获得温度值[22]。常用测温

一般分为两大类即:接触式测量法和非接触测量法,如图5-1所示。

图5-1 常用测温方法

5.1.1 接触测温方法

接触测温是按照热力学第零定律测量的,当放在被测温场时中时,不易受被测物体的黑度、热物性参数等因素影响,其有测量精度高、使用方便的优点,但是接触测温大多在热平衡状态下才能正确测温,测量过程会受被测对象特性及传热方式的影响,使所测定温度与真实温度不可能一致,在高温检测中其材料一般为贵重金属,特别是介质具有腐蚀性时,温度仪的使用寿命会相对减少,测量精度也会相应降低。根据测温原理的不同可分为以下几类:

(1)电阻温度计。利用物体的电阻随温度变化而变化的原理制成,如铜、镍及铂电阻温度计、半导体温度计等,高温铂电阻及高温半导体能够用于高温测量。

(2)膨胀是温度计。利用物体受热后体积发生膨胀的原理制成,一般的水银或酒精温度计、双金属温度计及气体温度计等都是属于这一类。

(3)热电温度计。利用两种不同导体组成的回路,当两个接点的温度不同时而产生电动势的原理制成的,如镍铬-镍硅、铂铭-铂、钨抹-钨等热电偶,均可以用于高温测量。

(4)其他温度计。如声学温度计、热噪声温度计、晶体温度计等。

5.1.2 非接触测温方法

非接触测温可以分为两大类,一类是通过测量对象的热力学性质参数,求解温度,如声学法测温;另一类是利用被测对象的辐射特性,通过光学法来测量温度场。与接触式相比非接触式测温方法不会破坏被测介质的温度场和流场,其测量上限不受材料性质的影响,且感温元件传热惯性小,可用于工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合。在激光熔池温度测量方面大多是根据被测物体的热辐射,根据物体在辐射波段内所发射的能量与温度间的对应关系进行测温。主要分类有:

(1)亮度测温。根据物体光谱辐射亮度随温度升高而增加的原理,采用亮度平衡的方法进行测温。物体辐射的单色辐射强度在可见光范围内,在人眼看来为辐射光的亮度变化,此变化与温度的关系是确定的,亮度温度计就是按照此原理测量温度的,如光学高温计、亮度光电高温计等。

(2)辐射温度计。该温度计是根据物体辐射的部分能量或全波辐射的总能量与温度呈四次方关系来测定温度的。根据前者可制成部分辐射温度计,根据后者可以制成全辐射温度计。

(3)比色温度计。两个不同波长的物体在可见光范围内,看起来颜色不同。利用两个波长的辐射强度比可以测定温度,如比色高温计与光电比色高温计。

在激光加工过程中一般采用非接触测温方法,其优点是寿命相对较长,精度相对较高,易于实现自动化控制,同时采用单片机进行数据处理,开发成本相对较低,具有广阔的应用前景。

另外一种发展很快的熔池温度检测的方法是CCD测温。CCD作为一种新型半导体集成

光电器件,自20世纪70年代初诞生以来,己经得到了很快的发展,特别是在图像传感和

非接触测量领域的发展更为迅速。CCD相机具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低

和抗烧毁等优点,而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越

性,是其它摄像器件无法比拟的。CCD器件的光谱响应一般在0.2-1.1um的波长范围内,

利用CCD的输出电流信号与CCD器件光敏面上的照度及取样时间间隔有关的关系,便可以

对物体在CCD光谱响应波段的辐射进行检测。

20世纪90年代末开始,CCD测温的应用越来越受到研究者的关注,但计算机数字图

像技术还在发展阶段,还不能很好的与CCD测温图像相结合,因此还处于实验室阶段,

但随着进几年的快速发展,彩色CCD测温得到了快速发展。CCD测温不能直接读出被测物

体的温度,因此对测温系统的温度标定是CCD测温监测系统的关键环节,过去的CCD测温

温度标定中,用热电偶、热模拟实验朴L、自制黑体炉(温度一般小于1000℃)等进行标

定,而实际上温度标定需要选择标准黑体进行标定,而且CCD检测的是温度场分布,其

选择温度标定也必须是采用面黑体辐射源,这样更有利于评价测温系统的面温度检测均

匀性及温度精度。

6、温度控制及其原理

根据调节原理的不同,主要有位式、PID、模糊控制、PID加模糊控制等,其具体原

理如下所述:

(1)位式控制

位式控制器是最早出现的最简单的一种控制器,它的结构简单、成本低、使用维修

方便。当控制量低于设定值时,开关接通,当被测量高于设定值时,开关断电,如此周

而复始,保持温度在波动范围之内。由于通断的时间间隔产生,故精度较低,灵敏度不

够。

(2)时间比例控制

随着被控量接近设定值的程度自动调整开关接通时间,有可能提高双位控制器的控

制精度,具有这种自动改变通断时间功能的控制器,称为带时间比例的控制器。即在温

度相当低时,开关接通电源时间长些,温度较高时接通时间相应缩短些。

(3)PID控制

比例积分微分控制,简称PID控制,是由比例控制、积分控制和微分控制三种控制组合而成的组合控制方式。比例控制能尽快克服被控量的偏差,但存在静差,被控量回不到设定值,积分控制能消除静差,但容易产生过调,甚至产生振荡;微分控制作用比较强烈,有利于克服动态偏差,但控制规律作用短暂即消失。综合使用比例积分控制作用,能使被控量较快的趋向稳定,存在的静差被积分控制作用逐渐消除,得到无差调节效果。比例积分控制,对于容量大和滞后大的被控对象无能为力,它的动作总是落在实际过程的后面,失去控制作用。比例微分控制规律能有效地抑制被控量的动态偏差,从而防止产生振荡。但控制结果存在静差。综合使用上述的三种控制动作,得到更为满意的控制效果,这就是比例积分微分控制。PID控制是一种负反馈调节,控制精度比较高,原理简单,使用方便,适应性强,可以广泛用于各种控制场合。

(4)模糊控制

许多被控对象的动态特性非常复杂,不能建立起精确的数学模型,使用常规的控制器往往得不到理想的控制效果;而具有丰富经验的操作人员却可以凭借积累的实践经验对过程进行有效的控制。模糊控制器是模拟操作人员的操作经验而设计的具有人工智能的控制器。根据其是否通用分为初级模糊控制和高级模糊控制,初级模糊控制只能适用于某些特定过程,而不能通用。高级模糊控制可以实现在线修改控制规则,通用性较强。

模糊控制系统由模糊控制器、A/D转换器、D/A转换器、执行器、被控对象和检测变换等几部分组成,其核心是模糊控制器,原理如下图5-1。

图6-1 模糊控制原理图

随着控制技术的发展,模糊PID控制成为了研究的热点,它可以解决PID控制的缺点和模糊控制的不精确性。PID调节规律较成熟,具有超前、及时有力且可消除余差等作用,但在大偏差时,容易出现积分饱和,控制时间过长参数整定也很困难,对象工况不同时PID参数应作相应调整才可获得较高质量指标。模糊控制的优点是能够得到较好的动态响应特性,并且无需知道被控对象的数学模型,适应性强,鲁棒性好。单纯的模糊

控制对系统的动态品质不利,系统稳定性差。而且在恒温段的温度波动仍较大,且随着

系统的物性参数的逐渐改变,会出现波动现象,难以控制在要求的精度范围内,所以常

规的模糊控制所存在的主要问题是如何提高稳态精度。因此模糊PID控制具有二者的优点,具有较好的控制能力。

7、温度控制的国内外发展现状

国外对激光加工温度控制装备的研究较早,部分系统已经商品化,早在1973年Swift-Hook、Gick[23]便开始对激光焊接熔池温度进行研究。近年来,各国对激光熔覆、激光再制造、激光直接成形等激光加工过程的温度监测与控制系统研究报导较多[24-27]。上世纪90年代初期,国外对激光加工过程的控制研究已经取得了较大的进展,主要包括直接对激光功率的控制、加工工件运动速度的控制、激光加工过程温度的控制,而在激光加工温度控制方面的研究较多。B.Grnenwald[28]等人采用高温计对激光加工过程温度进行检测并实现了闭环反馈控制,通过对熔覆过程的激光功率适时调整,保证了激光加工过程温度的稳定。该系统的控制原理是通过高温计对激光加工过程进行检测,通过PID算法适时调整激光器功率控制器,进而保证加工温度的稳定性。同年,英国L.Li和Steen 等人[29]采用CCD对激光熔池动态过程进行了图像采集,并实时调节放电电流来控制激光器的输出功率,进而达到加工温度的稳定。D.P.Hand[30]等采用双色高温计对激光成形薄板试验时熔池的温度进行了测量,Jehnming Lin[31]等采用光纤传输的红外测温仪对熔覆层表面正下方0.5mm距离处的温度进行了实时测量,并采用反馈法对输入熔池的热量进行计算。M. Doubenskaia[32]等采用单色/双色红外测温仪测量激光表面处理熔池的温度,指出双色测温可以更精确的测量熔池的温度,减少粉末在加工过程中的分解。P.Fischer[33]等用红外照相机测量了激光选择性烧结成形熔池温度,并与数值模拟进行了对比,其优点可以应用于脉冲激光烧结,增加工件的表面光洁度。美国密西根大学J.Mazumder[34]研究小组开发了DMD技术,并加入了DMD反馈控制系统,该系统已进入了商品化生产阶段,其反馈控制主要包括两个方面的控制,一方面是对熔覆高度进行控制,另外一个关键控制因素是对熔池进行闭环控制,它包括熔池的尺寸、温度等,温度闭环反馈控制,在激光加工温度检测过程中采用棱镜来减少噪声信号,并通过双色红外测温仪对加工温度进行检测,把采样信号传送到DMD控制中心,DMD控制系统通过调节激光实时功率,进而使温度保持稳定。

英国诺丁汉大学Guijun Bi[35]等研究小组通过对不同测温系统的研究,开发了一套基于CCD红外温度信号检测技术的同轴温度信号控制系统,实验结果表明该系统可以很好的控制加工温度的稳定性。Vilimpoc.V[36].等采用细丝高温计结合CCD相机检测喷射火焰温度分

布。随着CCD技术的发展,CCD测温的应用更加广泛,其检测波段可分为近红外波段、紫外和可见光波段。1994年,基于Plank辐射定律和光波长越短则温度随光谱辐射的影响越明显的特点,Ohji Takayoshi[37]等提出采用CCD相机结合UV(紫外)滤光片检测钢板焊接温度辐射图像,得到温度分布,该方法有比较高的测温精度,几乎不受物体发射率变化的影响。Takeuchi Mitsuru[38-39]等采用分光镜建立了一套彩色CCD检测弧柱轴向两个波长的光谱辐射强度系统,通过检测得到的光谱强度计算出弧柱的温度,并试验检测了弧柱轴向的分布强度,对弧柱的轴向温度分布进行了分析。

我国对激光加工技术上的研究较晚,控制装备的研究还不成熟,对激光加工过程温

度的控制大都以数值模拟为基础,进而指导实验加工过程。与国外激光加工温度控制系

统相比,国内总体研究水平相对较低,控制策略和控制手段还不完善,但部分研究单位

在激光加工温度控制系统的研究上已经取得了巨大进步。曾大文、谢长生[40-41]等对激光

熔覆温度场进行了数值分析,魏学勤,郑启光[42]等介绍了激光熔覆过程中的温度分布和

涨落特性,并分析了该特性对熔覆工艺的影响。黄延禄、邹德宁[43]等对送粉激光熔覆过

程中的温度场进行了数值模拟。周广才[44]等采用改进的温度传感器对加工温度进行了

测量,并开发了温度反馈控制系统,经改进的温度传感器检测熔池温度,并与工艺要求

最佳温度相比较,其差值经信号处理控制数控系统实时调节工艺参数,进而保证加工温

度的稳定性。该系统的优点在于采用改进的温度传感器对加工温度进行采集,提高了温

度采样的精度。姜淑娟,刘伟军[45]采用CCD摄像机完成熔池图像的采集,然后经计算

机计算出加工温度,经PID-模糊控制实现加工过程温度的稳定性,实验表明该系统可以

实现激光加工的实时控制,有效提高了产品的质量。王飞、薛飞、卫成业[46]等通过实验

和理论的分析,提出了一种直接用彩色CCD的双色亮度进行温度场计算的方法,对试验

炉的计算结果表明,此方法具有较高精度。郑辉、苏兰海[47]等理论分析了彩色面阵CCD

测温原理,并编制了测温程序,采用马费炉加热钢板,进行了初步探索性试验研究。周

怀春[48-50]等在1995年通过在CCD前面加装单色滤色片获取火焰单色图像的方法,借助

于辐射定律开发了基于参考点的单色图像温度场计算方法,通过所获得的单色图像与其

中某一参考点的辐射强度的比较来获得温度场。沈治[51]采用高温热像仪对激光加工温

度进行监测,并基于模糊控制理论建立了温度闭环控制系统,其反馈控制原理是传感器

采集的温度高于设定温度时通过模糊控制器提高扫描温度,采集温度低于设定温度时降

低扫描速度。实验表明,该加工系统可以有效提高激光加工质量。

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炉温度均匀性检测报告 富华重工 2020

炉温度均匀性检测报告富华重工 2020 北京赛维美高科技有限公司测试日期:xx年8月4日报告日期:xx年8月5日 一、前言北京赛维美高科技有限公司于xx年8月4日,对富华机械双推盘渗碳直淬、压淬生产线1#热处理炉炉温均匀性进行检测。 检测期间炉子工况正常。炉号:1#炉工作尺寸: 600mm600mm700(mm) (长宽高)能源种类:电热电偶名称:铠装K型热电偶热电偶等级: I级热电偶温度范围:0~1000℃ 记录仪名称:耐高温智能温度测试仪,9点耐高温智能温度测试仪型号:SMT-12-256-1000-K 0~1000℃耐高温智能温度测试仪准确度: 0、2级耐高温智能温度测试仪编号:91448,91449二 测试依据及引用标准本测试依据GB/T9452-2003《热处理炉有效加热区测定方法》来进行。 三 检测点位分布图按照GB/T94524。各段炉温的设定值见图2。渗碳炉一区温度920℃,二区920℃,三区920℃, 低温扩散区840℃;实际测试的温度曲线见图3。图2 热处理炉的炉温设定值和实际值表1 渗碳一区炉温均匀性测试数据测试日期:xx-8-4 设

定温度920,实际温度920单位:(℃)时间项目 T1T2T3T4T5T6T7T8T9TmaxTminΔT1xx/8/411:19测试结果9 12、79 10、59 10、09 16、89 17、09 13、39 14、79 19、59 11、89 19、59 10、09、5全文结束》》/8/411:24测试结果9 19、19 12、49 19、19 23、59 19、49 14、59 18、39 23、19 13、49

步进式加热炉温度均匀性研究

步进式加热炉温度均匀性研究 摘要温度均匀性是步进式加热炉综合性能评定中最关键的一个要素,也是确定加热炉是否符合工艺要求的基本标准。钛合金棒材在锻造前要通过步进式加热炉进行加热,步进式加热炉温度均匀性的好坏直接影响着钛合金棒材的组织性能和产品质量。本文从步进式加热炉工作方式、温度控制系统、温度测试系统和测试结果分析等几个方面对温度均匀性进行了研究。 关键词步进式加热炉;温度控制系统;温度测试系统;温度均匀性 0 引言 钛合金棒材步进式加热炉的最大优点在于采用了步进式结构,由于此结构设计合理,棒料从入炉口进,经加热后从后炉口滚落到输送辊道进入到下一工序,实现了连续式作业。与传统箱式炉相比,提高了生产效率,节约了能源,缩短了产品加工周期。目前西部超导公司钛合金加热炉的加热方式全采用电阻式加热,此加热方式的优点在于无粉尘污染,温度控制系统技术成熟,温度均匀性易于控制。目前在温度控制系统中,利用控制热电偶、二次仪表和三相电力调整器的合理优化控制,以此来控制电阻炉的发热功率,最终实现温度均匀性的合理控制,从而达到稳定产品质量的目的。 1 钛合金步进式加热炉 1.1 工作方式及分区 钛合金步进式加热炉的工作方式:将摆放整齐的钛合金棒料置于上料台架上,PLC棒材控制系统根据程序指令,驱动液压翻转机构实现一根根进料,并自动落进固定梁上用耐火材料制作的V型槽内,依靠水冷金属梁的上升、前进、下降、后退,将钛合金棒料向前运送并滚落进入静止梁等一系列连贯的操作,来实现钛合金棒料连续性的运送,在棒材连续送进过程中逐渐将棒料加热,直至完成加热。 钛合金步进式加热炉沿炉膛长度方向分为四个独立加热区,分为预热段和均热段。钛合金棒料首先进入步进式加热炉第一区,即预热段进行预热,由于进入预热段的棒料,都是从常温下进入开始预热的,为快速弥补被棒料吸收的热量,避免第一区温度持续下降,一般在第一区的功率设计时,就稍微加大了发热功率,这样才能保证棒料预热后达到一定的温度,以此来提高炉子的效率。均热段是主要的加热段,这里炉子温度高,可以将预热过的棒料快速提高温度,以达到工艺要求的目标温度。均热段位于第二、三、四区,在这里炉子的温度和棒料的温度相近,从而确保经步进炉加热后的棒料温度满足工艺要求。 1.2 温度控制系统

激光束表面改性技术

激光束表面改性技术 摘要:激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高,随着研究的深入和技术的逐渐成熟,表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛,目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化,本文就其工艺方法进行了综述。 一、引言 激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代,但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后,激光表面处理技术才获得实际的应用。它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术,用激光的高辐射亮度,高方向性,高单色性特点,以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却,来实现其表面改性的工艺方法。 二、激光相变硬化 激光表面相变硬化又称激光淬火,它是以104~105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面,以105~106℃/s的加热速度,使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上,形成奥氏体,并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导,一旦激光停止照射,则以105℃/s的速度冷却,实现自冷淬火,形成表面相变硬化层。 三、激光熔覆 激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面,使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。激光熔覆技术示意图见图1 1.短型光束或高斯型光束 2.气动送粉 3.测量孔 4.振动器 5.粉末漏斗箱 6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动 8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层 图1激光熔覆技术示意图

铝合金表面改性技术的发展现状

铝合金具有密度小,机械加工效率高,易于加工成型等优点,是轻合金中应用最广、用量最多的合金[1-2]。铝合金的化学性质活泼,在干燥空气中铝的表面立即形成一层薄而致密的氧化膜。但铝合金的表面硬度低、耐磨性差,腐蚀电位较负,表层氧化膜易受强酸和强碱的腐蚀[3],这些缺点严重限制了铝合金的应用。 为了克服铝合金表面性能方面的缺点,扩大其应用范围,延长使用寿命,表面改性技术是非常重要的环节。目前,随科学技术的不断进步,用于铝合金表面处理的工艺和技术得到广泛的研究,本文综述了国内外在铝合金表面改性技术方面的发展情况,涉及铝合金阳极氧化处理、化学镀、电镀、电弧喷涂、高能束(激光、离子束、电子束)表面改性技术等多种方法,介绍基于强流脉冲电子束的新型和复合表面处理技术。 1常用的铝合金表面改性技术 1.1阳极氧化技术 铝合金表面改性技术中阳极氧化是应用最广与最成功的技术,也是研究和开发最深入与最全面的技术。用铝合金制品作阳极,通电氧化,使铝合金制品表面形成一层较厚而致密的硬质氧化物保护膜,该膜具有双层结构,表面为多孔蜂窝状,较之铝合金的天然氧化膜,其耐蚀性、耐磨性均显著提高。 在氧化成膜形成过程中,同时发生两个过程:一是在铝合金表面生成Al2O3氧化膜的过程;二是在氧化膜生成的过程中伴随着氧化膜溶解的过程。只有当氧化膜的生成速度超过其溶解速度,方可得到一定厚度的氧化膜。 随着铝合金阳极氧化电解液的种类不同,可以得到阻挡型氧化物薄膜和多孔型氧化物薄膜。阻挡型氧化膜结构并不是均匀层,而是多层结构,刘磊等[4]使用透射电镜(TEM)观察了铝合金阳极氧化膜的微观结构,可清楚地看到膜孔的胞壁结构,单胞尺寸在60nm左右,孔径20nm。构成氧化膜的各胞状结构心密排的方式排列,每一个单胞有6个邻近的单胞,它们之间排列紧密,胞与胞之间有明显的胞壁带。 1.2电镀技术 电镀就是阴极沉积所需金属元素的工艺,被沉积的金属在工件表面形成结合牢固的致密镀层。为提高铝合金镀层的耐蚀性和强度,抑制铝合金镀层的枝晶生长,常需要在电镀纯铝的基础上进行铝合金的电镀。但由于铝合金本身的化学物理特性,使得 铝合金表面改性技术的发展现状 初鑫1,任鑫1,郝胜智2,徐洋3 (1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;2.大连理工大学三束材料改性实验室,辽宁大连 116024;3.大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024) 摘要:对近年来国内外铝合金表面改性技术的研究与应用情况进行综述,讨论了电子束表面改性技术的特点和基于强流脉冲电子束的复合表面处理技术的发展前景。 关键词:铝合金;表面改性;强流脉冲电子束;复合表面处理 中图分类号:TG178文献标识码:A文章编号:1001-3814(2010)20-0123-05 Progress State of Surface Modification Technology for Al Alloy CHU Xin1,REN Xin1,HAO Shengzhi2,XU Yang3 (1.College of Material Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin123000,China;https://www.docsj.com/doc/b717228053.html,boratory of Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian University of Technology,Dalian116024,China;3.College of Material Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China) Abstract:The research and application of surface modification technologies for aluminum alloy in recent years were summarized.The features of surface modification technology and prospect of high current pulsed electron beam combined treatment technology were discussed. Key words:aluminum alloy;surface modification;high current pulsed electron beam;surface combined treatment 收稿日期:2010-09-09 作者简介:初鑫(1985-),男,辽宁盘锦人,硕士研究生,主要研究方向为 强流脉冲电子束材料表面改性;电话:189********; E-mail:chuxin406@https://www.docsj.com/doc/b717228053.html,

和温度相关的生活小知识

每一种食物都在一个特定的温度时口味最佳,其实,很多食品的温度不仅与安全有关,吃未加热的剩菜并不仅仅是口感差的问题,而太烫的汤也不仅仅是需要等待或者说可能会烫到口腔的问题——食物的温度和其口感、营养都是息息相关的。 1、煮牛奶 牛奶不宜高温久煮,一般60~70℃时,即可达到杀菌消毒之目的,且味道鲜美。这是因为牛奶中富含的蛋白质在加热的情况下会发生较大的变化:在60~62℃时,呈胶体状态的蛋白质微粒出现脱水,由溶液变为凝胶状,随之会出现沉淀;当温度升高到100℃时,牛奶中的乳糖开始焦化,使牛奶呈现褐色,并逐渐分解形成乳酸,产生少量中酸,使其带有酸味,营养价值下降,还不易消化吸收。 2、冲蜂蜜 冲蜂蜜的水,最佳温度为50~60℃。如果用沸水来冲蜂蜜,不仅改变了蜂蜜的甜美味道,使之变酸,还会使蜂蜜中的酶类物质变性,产生过量羟基甲糖醛,使营养成分被破坏。 3、喝咖啡 热咖啡的温度在70℃左右时才香甜可口,味道最佳。冷咖啡则在6℃时最适宜。 4、炸海鲜 炸海鲜的出锅温度应在90℃左右,食用温度应为70℃,这样既不太烫,味道又最鲜美。煎炸海鲜的油温过低时,未熟的海鲜不卫生,易引起腹泻。但温度过高时,既会凝固海鲜类所含的蛋白质,使其变得不易消化,也会有损于海鲜的美味。 5、饮水 平时饮水、饮食、漱口的水,最佳温度是35~38℃,这时候水对口腔、牙齿刺激最小。开水在冷却到12~17℃时,喝起来最爽口。 6、放味精 炒菜时不宜过早放味精,一般应在菜肴快熟时或者刚出锅时加入,因为这时菜温在70~90℃左右,是味精溶解最好的温度,鲜味也最浓。相反,当温度超过1 20℃时,味精中的谷胺酸钠就会焦化,而焦化的谷胺酸钠既没有鲜味,还具有一定的毒性。 7、煮蔬菜 通常蔬菜在60~80℃时易引起部分维生素破坏,而煲汤使食物温度长时间维持在85~100℃。故在汤中加蔬菜不宜烫得太久,以减少维生素C的破坏。 8、品酒 红葡萄酒最适合的饮用温度是18℃左右,当然依季节的变换,适合饮用的温度也会改变。但是差别应在2℃左右。大致上红葡萄酒以室温最佳,即含在口中不会感觉到葡萄酒和口腔有温差。不甜的白酒适合饮用的温度是7~10℃,甜味白酒是4℃左右,玫瑰红酒的适饮温度和白酒一样,气泡酒则约在6~7℃最好喝。如果要放入冰箱冷却,不甜的白酒约一个小时,气泡酒约需两个小时左右才会刚好。 啤酒在夏天饮用以6~8℃最为清口宜人,冬天则在10~12℃时最醇美。 9、喝汤 汤类在60~65℃时味道最好。这时,汤内的“实料”和水分才能交融,调料也能充分发挥其中的味道,口感比较好。如果是有汤的剩菜或冷菜,至少要加热到74℃,等汤汁沸腾了才好吃。10、吃西瓜 西瓜以8~10℃左右为宜,低于此温度,就尝不出甜润清馨的味道;高于这个温度,不仅容易坏掉,还达不到解渴的目的。 11、煮肉类 肉类食品在70~75℃时最为香美鲜嫩。煮排骨时,想要汤鲜就加凉水,想要肉鲜就加热水。鸡胸需烤到77℃才最安全、最美味,而整只家禽要达到82℃,最厚的肉才会熟透。碎肉在处理的

炉温均匀性测试作业指导书

有限公司 热处理炉均匀性测试作业指导书 编制: 审核: 批准: 实施时间:

1、目的: 生产中使用的热处理炉TUS(温度均匀性)和使用仪表及热电偶满足公司生产需要以及符合客户需求特制定本作业指导书。 2、范围: 本作业指导书适用于公司热处理炉产品所使用的热处理炉温度均匀性测试。 3、职责 4.1 公司热处理工程师根据客户要求负责热处理工艺编制和最终确认。4.2 技术部与生产部门按照产品热处理工艺选择需要的热处理设备,设备的仪表类型也必须经过国家法定检定机构校检并符合客户要求。 4.3由公司热处理工程师主持相关技术人员对热处理炉进行TUS测试。4、热处理温度均匀性 热处理炉内工作区温度达到稳定化后相对于设定点温度的变化,工作区内任两点的温度偏差不应超过热处理工艺对温均匀性的要求(一般情况下用于正火的热处理炉温度均匀性:±14℃,回火热处理炉温度均匀性±8℃)。 热处理炉等级与温度均匀性范围要求: 5、温度均匀性测试(TUS) 进行TUS时,如果客户没有特别指出热处理炉的装载状态,一般情况下在满载情况下进行测试,装载的产品必须是依据公司工艺文件进行热处理的产品。当下一次进行TUS时也必须是和前一次测试时的装载状态且产

品与上一次相同。 5.2 温度均匀性测试(TUS)步骤 5.2.1通常情况下,在进行TUS时热处理炉必须是室温状态下;如果热处理炉刚进行过生产有一定温度(例如:此时炉内温度是500℃),则下一次进行TUS测试也必须和此次情况相同(500℃)。 5.2.2 热电偶(传感器)的处理。 TUS测试进行之前,热电偶测量端必须用直径不超过13mm(0.5英寸)并且不超过待热处理产品的最薄处、与产品材料一致的长60mm,内部加工出与热电偶直径一样大小深40mm圆孔的圆棒,置于热电偶测量端进行保护。 5.2.3 测量点的选择与位置图 5.2.3.1测量点及热电偶的选择 本公司热处理炉温度均匀性测试,采用10点进行测量,9 TUS+1控温热电偶。如下图所附。

激光加工技术题目及答案

1、从激光束的特性分析,为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用? 答:(1)方向性好:发散角小、聚焦光斑小,聚焦能量密度高。 (2)单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 (3)亮度极高:能量密度高。 (4)相关性好:获得高的相关光强,从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播,可以用透镜把它们会聚到一点上,把能量高度集中起来。 总之,激光能量不仅在空间上高度集中,同时在时间上也可高度集中,因而可以在一瞬间产生出巨大的光热,可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。 2、什么是焦深,焦深的计算及影响因素? 答:光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时,该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比,与w12成反比,因此要获得较大的聚焦深度,就要选长聚焦透镜,例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中,要减少锥度,均需要较大的聚焦深度。 3、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些?在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理,为什么? 答:波长、温度、材料表面状态 波长越短,金属对激光的吸收率就越高 温度越高,金属对激光的吸收率就越高 材料表面越粗糙,反射率越低,吸收率越大。 提高材料对激光的吸收率 4、简述激光模式对激光加工的影响,并举出2个它们的应用领域? 答:基模光束的优点是发散角小,能量集中,缺点是功率不大,且能量分布不均。 应用:激光切割、打孔、焊接等。 高阶模的优点是输出功率大,能量分布较为均匀,缺点是发散厉害。应用:激光淬火(相变硬化)、金属表面处理等。 5、试叙述激光相变硬化的主要机制。 答:当采用激光扫描零件表面,其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度,此时工件内部仍处于冷态,随着激光束离开零件表面,由于热传导作用,表面能量迅速向内部传递,使表层以极高的冷却速度冷却,故可进行自身淬火,实现工件表面相变硬化。 6、激光淬火区横截面为什么是月牙形?在此月牙形区相变硬化有什么特点? 特点:A,B部位硬化,C部位硬化不够 原因:A,B部位接近材料内部,热传导速率大,可以高于临界冷却速度的速度冷却,因此可充分硬化,而C部位热传导速率小,不能以高于临界冷却速度的速度冷却,因此硬化不够。

炉温均匀性测试作业指导书

炉温均匀性测试作 业指导书

有限公司 热处理炉均匀性测试作业指导书 编制: 审核: 批准: 实施时间:

1、目的: 生产中使用的热处理炉TUS(温度均匀性)和使用仪表及热电偶满足公司生产需要以及符合客户需求特制定本作业指导书。 2、范围: 本作业指导书适用于公司热处理炉产品所使用的热处理炉温度均匀性测试。 3、职责 4.1 公司热处理工程师根据客户要求负责热处理工艺编制和最终确认。 4.2 技术部与生产部门按照产品热处理工艺选择需要的热处理设备,设备的仪表类型也必须经过国家法定检定机构校检并符合客户要求。 4.3由公司热处理工程师主持相关技术人员对热处理炉进行TUS测试。 4、热处理温度均匀性 热处理炉内工作区温度达到稳定化后相对于设定点温度的变化,工作区内任两点的温度偏差不应超过热处理工艺对温均匀性的要求(一般情况下用于正火的热处理炉温度均匀性:±14℃,回火热处理炉温度均匀性±8℃)。 热处理炉等级与温度均匀性范围要求: 5、温度均匀性测试(TUS)

进行TUS时,如果客户没有特别指出热处理炉的装载状态,一般情况下在满载情况下进行测试,装载的产品必须是依据公司工艺文件进行热处理的产品。当下一次进行TUS时也必须是和前一次测试时的装载状态且产品与上一次相同。 5.1 温度均匀性测试的设备: 5.2 温度均匀性测试(TUS)步骤 5.2.1一般情况下,在进行TUS时热处理炉必须是室温状态下;如果热处理炉刚进行过生产有一定温度(例如:此时炉内温度是500℃),则下一次进行TUS测试也必须和此次情况相同(500℃)。 5.2.2 热电偶(传感器)的处理。 TUS测试进行之前,热电偶测量端必须用直径不超过13mm(0.5英寸)而且不超过待热处理产品的最薄处、与产品材料一致的长60mm,内部加工出与热电偶直径一样大小深40mm圆孔的圆棒,置于热电偶测量端进行保护。 5.2.3 测量点的选择与位置图 5.2.3.1测量点及热电偶的选择 本公司热处理炉温度均匀性测试,采用10点进行测量,9 TUS+1控

现代表面改性技术的国内外最新研究进展

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 现代表面改性技术的国内外最新研 究进展 学院名称: 专业班级: 姓名、学号: 指导教师: 时间:

摘要:金属材料表面改性技术是一门新兴的技术,主要包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等,简述了该4种技术的研究和发展现状,对各种技术的原理和应用状况分别加以描述,最后总结了材料表面改性技术的发展前景。 关键词:激光表面改性离子注入物理气相沉积。 工业技术的发展使得制造工业产品所需的材料品种日益繁多,为了适应高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同要求,通常采用各种表面处理技术对普通金属材料表面进行加工,使其适用各种复杂的工作环境。金属材料表面改性技术很多,除传统的热处理、电镀堆焊外,还包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等。 随着现代工业的发展, 对机械产品零件表面的性能要求越来越高。对其研究已经成为材料科学研究的一个重要领域。表面改性研究的重要性在于在不改变原材料基本性能的基础上采用各种技术改善或提高材料的表面性能, 金属材料表 面改性可以提高零件的寿命、减少磨损, 提高经济效益。铜合金具有很高的导电、导热性能及良好的塑性; 电极电位是正值, 具有很好的耐蚀性能; 铜合金还是优良的耐磨材料, 这些特点是其它材料所不能同时具有的。铜合金在机械、电子等各行各业的广泛应用, 特别是在耐磨、耐热、耐蚀零件中。如要求表面高性能的铜材零部件有连铸结晶器, 氧枪喷头, 高炉风口, 滑块, 轴承等, 高炉风口是典 型的耐磨耐热零部件, 通过表面改性, 不仅保持其传导性而且达到表面高硬度、高耐磨性等使用要求。目前, 铜合金的表面改性技术主要有: 热处理多元共渗、表面渗硫、等离子喷涂以及铸渗法等。 1 激光表面改性 由于激光特有的优良属性, 自从20世纪中期激光器的研制成功以来, 激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面改性是激光在表面技术领域中的新的应用, 虽然在激光应用领域中只占大约15%的比重, 但由于激光表面处理同其他表面处理技术相比具有很多独特的优点, 如激光熔化后形成的组织, 化学均匀性很高, 而且晶粒非常细小, 因而强化了合金,使耐磨性大大提高; 由于热输入小, 工件变形小, 对基体产生的热影响很小等等。因此在表面处理领域内, 针对激光表面改性的研究和开发活动相当活跃。根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式, 激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光熔覆、激光表面熔凝、激光相变硬化、激光冲击强化、激光表面合金化等。这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能, 从而实现既节约了成本, 又满足工作要求的目的。本文综述了激光表面改性技术的研究和应用状况, 展望了激光表面改性技术的发展趋势。 1.1 激光相变硬化 在各种激光表面改性的方法中激光相变硬化是当前研究最多的, 进展最快 的一种表面改性方法。激光相变硬化又称激光淬火, 就是利用激光将金属材料加热到相变点以上, 金属熔化以前, 依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变

不锈钢物理性能与温度的相关性

不锈钢物理性能与温度的相关性 和其他材料一样,物理性能主要包括以下3个方面:熔点、比热容、导热系数和线膨胀系数等热力学性能,电阻率、电导率和磁导率等电磁学性能,以及杨氏弹性模量、刚性系数等力学性能。这些性能一般都被认为是不锈钢材料的蚓有特性,但是也会受到诸如温度、加工稃度和磁场强度等的影响。通常情况下不锈钢与纯铁相比导热系数低、电阻大,而线膨胀系数和导磁率等性能则依不锈钢本身的结晶结构而异。 比热容 随着温度的变化比热容会发生变化,但在温度变化的过程中金属组织中一旦发生相变或沉淀,那么比热容将发生最著的变化。 导热系数 在600℃以下,各种不锈钢的导热系数基本在10~30W/(m·℃)范围内,随着温度的提高导热系数有增加趋势。在100℃时,不锈钢导热系数山大军小的顺序为1Crl7、OCr12、2Cr25N、OCr18Ni11Ti、OCr18Ni9、Ocr17Ni12M02、2Cr25Ni20。500℃时导热系数由大至小的顺序为1Cr13、lCr17、2Cr25N、0Cr17N11 2M02、OCr18Ni9Ti和2Cr25Ni20。奥氏体型小锈钢的导热系数较其他不锈钢略低,与普通碳素钢相比100℃时奥氏体型不锈钢的导热系数约为其1/4。线膨胀系数 在100~900℃范围内,各类不锈钢主要睥号的线膨胀系数基本在10-6~20-6 C-1,且随着温度的升高呈增加的趋势。对于沉淀硬化型不锈钢,线膨胀系数的大小由时效处理温度来决定。 电阻率 在0~900℃,各类不锈钢主要牌号的比电阻的大小基本在70×10-6~130×10-6Ω.m,且随着温度的增加有增加的趋势。当作为发热材料时,应选用电阻率低的材料。 磁导率 奥氏体型不锈钢的礞导率极小,因此也被称为非磁性材料。具有稳定奥氏体组织的钢,如OCr20Nil0、OCr25Ni20等,即使对其进行大于80%的大变形量加工也小会带磁性。另外高碳、高氮、高锰奥氏体型不锈钢,如lCr17Mn6Ni5N、lCr18Mn8Ni5N系列以及高锰奥氏体型不锈钢等,在人压下量加工条件下会发生E相相变,因此保持非磁性6在居里点以上的高温下,即使是强磁性材料也会丧失磁性。但有些奥氏体型不锈钢如1Cr17Ni7、OCrl8Ni9,因为其组织为亚稳定奥氏体组织,因而在进行大压下量冷加工或进行低温加工时会发牛马氏体相变,本身将具有磁性且磁导率也会提高。 弹性模量 室温下铁素体型不锈钢的纵向弹性模量为200kN/mm2,奥氏体型不锈钢的纵向弹性模量为193kN/ mm2,略低于碳紊结构钢。随着温度的升高纵向弹性模量减小,泊松比增加,横向弹性模量(刚度)则显著下降。纵向弹性模量将对加工硬化和组织集合产生影响。 密度 含铬量高的铁索体型不锈钢密度小,含镍量高和含锰量高的奥氏体型不锈钢的密度大,在高温下由于品格间距的加大密度变小。 低温下的物理性能: 导热系数 各类不锈钢在极低温度下的导热系数的大小略有差异,1r黾总的来说是室温下导热系数的1/5O左右争在低温下随着磁通(磁通密度)的增加导热系数增加。 比热容

表面改性技术综述

表面改性技术综述 表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后,既能发挥材料基体的力学性能,又能使材料表面获得各种特殊性能,如耐磨,耐腐蚀,耐高温,合适的射线吸收等。 金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。 传统的表面改性技术有:表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。 1、喷丸强化 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011~018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。 早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属; 涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。 2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等) 是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。 ○1表面淬火 表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2 -6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能; 淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。 ○2化学热处理 化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入

激光发展与现状

2018届机械工程及自动化专业毕业生论文(设计) 课题名称:激光表面处理技术现状及发展 学生姓名:张成名 指导教师:孙明 江南大学网络教育学院 2018年1月

摘要: 激光具有巨大的技术潜力,在冶金和材料加工中发展迅速,应用广泛。激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献,已成为飞速成长的重要加工技术领域。另外,应用激光对材料表面实施处理也是一门新技术。论文简述了激光表面改性的研究和发展现状,特别是激光表面淬火、激光熔凝、激光表面合金化合、激光熔覆等四种技术,以及对各项技术的原理、特点和国内外研究现状分别加以描述。最后,还简述了激光表面改性技术存在问题和发展前景。 关键字:激光;表面处理;应用; Abstract: laser has great technological potential and has been developing rapidly in metallurgy and material https://www.docsj.com/doc/b717228053.html,ser surface treatment has become an important area of rapidly growing processing technology due to its great contribution to industry and production.In addition, the application of laser to material surface is also a new technology.Paper briefly describes the present situation of research and development of laser surface modification, especially the laser surface hardening, laser fused, laser surface alloying combined, four kinds of technologies such as laser cladding, and the principle of the technology, characteristics and research status at home and abroad are described respectively.Finally, the problems and prospect of laser surface modification are also introduced. Key words: laser;Surfacetreatment;Application;

库房温湿度均匀性验证方案

. 确认方案编号: 项目负责人: 验证类别:厂房设施验证 确认领导小组审查汇签:

1.主题容 本方案规定了我公司库房温湿度均匀性验证的围、方法及标准。 2.适用围 本方案适用于我公司库房温湿度均匀性的验证。 3.实施确认人员及职责 4.简介 4.1.概述:我公司库房包括有原辅料常温库、原辅料阴凉库、成品常温库、成品阴凉库、包材库、外 包材库、液体药品库、特殊药品库等,根据GMP要求结合产品自身对温湿度的要求公司对相应库房安装辅助设施,以便能控制并维持该库房的环境温湿度以达到规定要求(各库房具体温湿度要求见下表)。为保证温湿度计在该房间记录的温湿度值是最具有代表性的,拟对该房间进行温湿度均匀性验证。 4.2.验证依据 5.验证依据《确认与验证管理规程》 通过本次验证确定我公司库房温湿度分布均匀性,以确定温湿度计的最佳摆放位置。 6.变更和偏差处理 确认过程中如果出现偏差和变更,应立即通知确认与验证小组并对偏差和变更进行详细记录(参见偏差处理单,变更处理单),分析偏差产生的根本原因并提出解决方法。所有偏差和变更得到有效处理后,确

认方可进入下一步骤。偏差处理单和变更处理单经过批准后其原件必须附在验证报告中。 变更和偏差处理记录 □本次确认无变更和偏差情况□本次确认发生变更和偏差差情况

检查人/日期:复核人/日期: 7.验证容 7.1.验证前准备 7.1.1.文件准备 7.1.2.现场备《留样管理规程》、《稳定性试验管理规程》、《库房温湿度均匀性验证方案》及相关的验证记录,并填写验证文件准备确认表。 验证文件准备确认表 检查人/日期:复核人/日期: 7.1.3.验证用主要仪器准备 7.1.3.1.准备经校验合格并处于校验有效期的温湿度计,并在每个阶段或验证周期开始前对仪器确认,要求经过校验,并在校验有校期,填写《验证主要仪器确认表》,见下表。 验证主要仪器确认表

恒温恒湿箱的温度均匀度需达到的标准及测试范围

恒温恒湿箱的温度均匀度需达到的标准及测试范围 恒温恒湿箱测试LED,化工,塑料,仪器仪表,元器件等产品,在温湿度的条件下,其产品的性能,以检测产品的可靠性和使用性能。适合电子、塑胶制品、电器、仪表、食品、车辆、金属、化学、建材、医疗等制品检测质量之用。本机专门测试各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿的性能。本机可选择中文或英文液晶显示触控式屏幕画面,操作简单,程序编辑容易。可显示完整的系统操作状况相关数据、执行及设定程序曲线。运转中发生异常状况,屏幕即刻自动显示故障原因及提供排除故障方。 恒温恒湿箱的温度均匀度是该设备的重要技术指标,该指标直接影响试验的结果,该指标是恒温恒湿箱的主要性能指标,宝元通生产的恒温恒湿箱完全符合国家相关标准。 恒温恒湿箱技术参数及试验标准: 技术参数: 2. 性能指標 2.1.測試環境條件环境温度:+5℃~+35℃相对湿度≤85%RH 2.2.測試方法GB/T5170.2-2008 温度试验设备 GB/T5170.5-2008 湿热试验设备 2.3溫度範圍-40℃~+150℃ 2.4温度波动度≤0.5℃(注:如按GB/T5170.2-1996表示,波动度为≤±0.25℃)2.5温度偏差优于± 2℃ 2.6温度均匀度±2℃ 2.7升降温速率升温时间:+20℃~+150℃ ≤45min(带载) 降温时间:+20℃~- 40℃ ≤70min(带载) 试验标准: 1.GB11158 高温试验箱技术条件 2. GB10589-89 低温试验箱技术条件 3. GB10592-89 高低温试验箱技术条件 4. GB/T10586-89 湿热试验箱技术条件 5. GB/T2423.1-2001 低温试验箱试验方法 6. GB/T2423.2-2001 高温试验箱试验方法 7. GB/T2423.3-93 湿热试验箱试验方法 恒温恒湿箱相关试验测试记录(该记录仅供参考)

合金改性

激光表面改性工艺及性能研究 摘要:钛及钛合金密度小,比强度高,具有良好的耐蚀性、疲劳抗力,广泛应用于航天、航空、国防、汽车、医疗等领域。然而,钛合金摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点,制约了它的应用。在保持钛合金固有性能优点的条件下,激光表面改性是从根本上解决钛合金表面性能较差这一缺陷的有效、经济、灵活且具有较强可设计性的方法之一。 本文运用CO2激光,在Ti6A14V钛合金表面进行激光表面改性,直接在Ti6A14V钛合金表面制得了具有优异耐磨性能和抗高温氧化性能,并与Ti6A14V钛合金基体之间呈现牢固冶金结合的复合材料涂层。 首先,为确保激光表面改性的顺利进行,研制了激光表面改性专用的同轴保护送粉装置,并探索了适合该同轴保护送粉装置的工艺参数,获得较高的粉末利用率和较好的保护效果。 其次,设计了激光表面改性材料体系。根据Ti6A14 V钛合金和激光表面改性的特点,设计出激光熔覆Ni-Ni基合金梯度涂层、激光熔覆Mo-Ni基合金梯度涂层、激光表面原位生成TiC涂层和激光表面原位生成TiC+TiB:涂层四类材料体系。 再次,研制了激光表面改性工艺。分别研制出各种材料体系对应的激光工艺参数,制得激光表面改性层,着重研究了不同工艺参数对激光熔覆Ni-Ni基合金梯度涂层的影响,探索最佳工艺参数。对激光表面改性涂层进行了微观分析,从表面至基体测试了显微硬度,发现涂层组织呈快速凝固特征,硬度梯度明显,有效地改善了涂层的应力分布状况。 最后,研究了激光表面改性涂层的摩擦学性能和抗高温氧化性能。研究发现,激光表面改性能够大大地提高了Ti6A14V钛合金的耐磨性能和抗高温氧化性能。 关键词:Ti6A14V钛合金,激光表面改性,微观组织,硬度梯度,耐磨性,抗高温氧化性 Abstract Titanium alloys are used widely in aviation, national defence, automobile, medicine and other fields because of their advantages in lower density, excellent corrosion resistance, and good fatigue resistance etc. However, their high friction coefficient, high sensitivity to adhesive wear and fretting wear, as well as their weak resistance to wear and bad resistance to high temperature oxidation restricts the application of titanium alloys. Laser surface modification technique can change these surface defects of titanium alloys under the condition of keeping the virtues of titanium alloy substrate. For the reason, laser surface modification is one of effective, economic, appropriate and designable methods. In this paper, surfaces of Ti6A14V alloy were modified by CO2 laser. Special composite metallurgy coatings, which have excellent wear resistance and high temperature oxidation resistance, were obtained directly on the surfaces of Ti6A14V alloy. Furthermore, the coatings showed good metallic combination with the substrate of titanium alloy. In order to carry out the laser surface modification process successfully, a coaxial powder feed nozzle with gas protection was designed at first. Through investigations of suitable technical parameters of the coaxial powder feed nozzle with gas protection, a higher duty factor of powder and better protection effect was obtained.

课程作业激光表面改性

激光束表面改性 摘要:利用激光束进行表面热改性处理是材料表面处理中的一种重要的技术。本文对激光束表面改性技术原理、特点与分类进行了介绍,并以高速钢轧辊材料的激光束表面改性为例说明。 关键词:激光束;表面改性;高速钢 Laser Surface Modification Abstract:Laser surface modification is employed in surface modification of materials as an important method. This paper describes mechanism, Characteristics and Categories of surface modification by laser beam. The surface modification of high speed steel with laser beam processing was illustrated hereunder. Keywords:laser Beam,Surface Modification,high speed steel 材料表面处理有许多种方法, 应用激光对材料表面实施处理则是一门新技术。激光表面处理技术的研究始于20 世纪60 年代, 但是直到20 世纪70 年代初研制出大功率激光器之后, 激光表面处理技术才获得实际的应用, 并在近十年内得到迅速的发展[1]。激光表面处理技术, 是在材料表面形成一定厚度的处理层, 可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能, 从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能,以满足各种不同的使用要求。实践证明, 激光表面处理已因其本身固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面处理方法。 1、激光束表面改性的主要原理 激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波,激光束由一系列反射镜和透镜来控制,可以聚焦成直径很小的光( 直径只有0. 1 mm),从而可以获得极高的功率密度( 104~ 109 W/ cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段: 吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器出现,以及激光束调制、瞄准等技术的发展,激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域,并在近年得到迅速发展。激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却,来实现其表面改性的工艺方法[2]。 2、激光束表面改性的特点 2.1激光束表面改性处理的优点[3] 通过激光表面改性处理,可以使材料表面性质改变,满足结构特殊用途的需要,达到提高金属材料零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及强度和高温性能的目的,较其它表面处理工艺具有以下显著优点: (1)激光束具有很高的功率密度,材料被加热和自冷却速度很快,激光硬化

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