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镀层激光处理的研究现状

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-19  浏览次数:664

 何新天,刘建雄,吴正宇,詹肇麟

  (昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明650093)

摘要:综述了激光技术与电镀和化学镀两种表面工程技术结合而产生的新领域的研究现状。根据激光处理介入沉积过程的阶段不同,可分为镀前、镀中和镀后激光处理。其中镀后处理又根据镀层与基材结合的情况不同分成激光合金化、激光熔覆和激光热处理。

关键词:激光镀;激光诱导沉积;激光表面合金化;激光熔覆;激光热处理

中图分类号:TG156.99;TQ 153文献标识码:A文章编号:1001-3814(2011)10-0143-04

激光是能量密度很高的热源,而且具有很好的方向性、单色性和相干性。利用这些特性,对金属或零件表面进行强化处理(包括激光相变硬化、激光合金化和激光熔覆等)可以改变金属或零件表面的微观结构,改善零部件的抗磨损、耐腐蚀和抗疲劳性能。激光加工的精度高,能量集中,对零件的热影响小。

电镀和化学镀作为传统的表面技术经过了长期的发展,工艺已经非常成熟。研究人员将激光和传统的表面技术结合,对这个交叉领域进行了许多研究。

激光对基体表面进行照射可以发生在电镀或化学镀过程中,也可以在这之前或之后。因此可以依据激光处理介入的阶段不同分为镀前、镀中和镀后激光处理。其中,对于镀后激光处理可以根据镀层与基体的结合情况分成三类:第一类,如果镀层和基体被激光熔化,并且镀层完全被基体稀释,则是激光表面合金化;第二类,如果镀层和基体部分熔化,镀层被基体部分稀释,镀层与基体界面为冶金结合,则是预置式的激光熔覆;第三类,如果镀层和基体没有熔化,没有冶金结合,则是激光热处理。第一类和第二类情况镀层是激光加工的预置层,是激光加工工艺的一部分。第三类是为了提高镀层的使用性能,是电镀或化学镀工艺的一部分。影响镀层与基体的结合情况的因素主要有基体与镀层的材料、镀层的厚度和激光的比能量Es=P/DV(P为激光功率,D为激光光斑面积,V为激光扫描速度)。作为激光表面合金化、激光熔覆,激光梯度熔覆前的预置涂层,镀层可以由一层或数层不同的具有一定厚度的材料组成。

1·镀前激光处理

镀前激光处理是在镀前用激光预处理基体,通过改变基体表层的组织结构及性能实现调整镀铬层界面处组织结构及性能。

1999年,陈光南提出在激光表面淬火的基体上镀铬,成功地解决了我国某型号武器镀铬身管的寿命长期不达标的关键技术难题[1]。预先激光相变硬化基体表层,然后再电镀硬铬,可以显着提高镀层的抗剥落能力,提高镀层与基体的结合性能,延长零部件使用寿命。

徐向阳等采用激光相变硬化的方法在电镀前对30CrNiMo钢基体表层预先进行处理[2]。结果表明,基体经激光相变硬化处理后,既可以促进镀层外延生长,又可以在镀层和基体之间实现硬度的梯度过渡,从而可以改善结合,缓解应力,提高承载能力,镀层的抗剥落能力和使用寿命得到显着提高。激光相变硬化得到细小的淬火马氏体,位错密度显着增加,表面活性增强,是促进镀层外延生长的主要原因。

周重光等采用特殊声光调制的高中频激光技术对PCrNi3MoVA钢基体强化处理,使基体表面形成按一定几何规律排列的微米量级的微坑,使得基体的表面形貌、微观组织、铬层与基体的结合等特征均发生了本质变化。它有效地增加了基体的表面积,有利于电沉积初期铬原子沿基体原有晶格的外延生长;有效地改善了铬层与基体的结合效果,提高了铬层抵抗复杂应力破坏的能力[3]。

Li Huaixue等研究了激光淬火基体对镀铬层抵抗接触变形的影响[4-5]。结果表明,激光淬火能够提高镀铬层抵抗接触变形能力。激光淬火基体不但通过提高基体的硬度增强电镀铬层抵抗接触变形能力,而且也提高了铬层自身的抵抗接触变形能力。

杨班权等研究了拉伸载荷作用下基体表层激光离散预处理对铬镀层/45钢基开裂行为的影响[6]。结果表明,有激光离散预处理钢基体试样的承载能力要高于无激光预处理钢基体试样的承载能力,且有激光处理的试样开裂区域在两个激光带之间(无激光处理区),主裂纹呈现明显的周期性特征。激光预处理钢基体不仅改善了基体表层的应力状态和力学性能,而且还改善了后续铬镀层的力学性能。

一般认为,由于基体淬火,硬度提高,对镀铬层起到支撑的作用,提高镀铬层的抗疲劳和抗剥落的能力。但当温度升高后,基体软化,基体对镀层的支撑作用消失,在此情况下炮管寿命仍然能够延长50%以上。所以此理论解释镀铬身管寿命提高证据不充分,其机理有待进一步研究。

2·镀中激光处理

2.1激光增强电镀

激光增强电镀是以高密度激光束辐照液/固分界面,造成局部温升和微区搅拌,从而诱发或增强辐照区的化学反应,引起液体物质的分解,并在固体表面沉积出反应生成物。

1978年,IBM公司首次研究了Ar+激光增强Ni、Au、Cu的电沉积过程,此后这项研究不断引起人们的兴趣和重视,美、德和日本等国相继进行了研究,发表了不少专利,部分甚至已转化为实用生产技术。

激光电镀发展多年,进行了大量的研究,发展出普通激光电镀、激光喷射电镀,技术较为成熟,应用领域越来越广泛,作用机理研究日渐明了。对此已有文献详述。现在研究人员在原有技术的基础上进一步拓展新的研究领域。

梁志杰等在45钢基体上激光强化电刷镀Ni[7]。结果表明:激光强化电刷镀Ni镀层与普通电刷Ni镀层相比,显微硬度提高了200HV,耐磨性是普通电刷镀层的1.5倍,表面残余应力降低了200MPa,与基体结合强度高且可靠。

2.2激光诱导液相化学镀

激光诱导化学镀就是利用激光的光效应来激发化学镀过程,从而实现金属的微区镀敷。它无需外加电源,可以在多种基体上、在常温溶液中一步沉积出金属,工艺简单,易于实施。相对于激光诱导气相化学沉积,激光诱导液相化学沉积不需要真空设备,成本较低。因为无需电源,而没有阴阳极。激光可直接照射在待沉积的基体材料上,通过控制X-Y载物操作台或激光束的移动进行沉积。

激光诱导化学镀的作用机理已有文献详述。现在的研究方向主要是实验各种激光器、基体材料、工艺、镀液配方来制取镀层,提高其综合性能。

Wang在聚酰亚胺表面用Nd∶YAG激光诱导化学沉积铜,获得了附着良好的镀层[8]。Pan采用KrF准分子激光在聚酰亚胺基体上激光诱导化学沉积铜,获得了理想的铜线构成的图案(图1)[9]。Xu等用飞秒激光在玻璃的银镍涂层上化学沉积铜。结果表明,在激光烧蚀的凹槽内,银对于后续的化学镀铜起到了催化核心的作用[10]。Kordás等用Ar+激光在聚苯乙烯上化学沉积镍,得到了厚40~250nm、宽2~3μm的沉积镍线[11]。

3·镀后激光处理

镀后激光处理就是用激光扫描镀层,对镀层和基体快速加热。其目的是强化镀层和镀层与基体之间的界面,减少镀层的微裂纹,加强镀层与基体的结合力。

3.1激光合金化

激光表面合金化是用激光束作热源进行表面加热,使钢材表面的合金化层迅速熔化,使表面的成分得以调整,达到改善表层组织与性能的目的。可以采用电镀、涂敷粉末,填加粉末等各种方法把所需要的合金元素加到基材表面上去。

激光合金化层就其完整性和与基体金属的结合强度而言是有其特殊性的。合金化层与基体之间可以形成纯粹的冶金结合,因而保证了极强的结合力。

激光合金化处理仅在熔化区的薄层内有成分的改变及组织性能的变化。对基体的影响甚小,由于热效应也只发生在1~2mm的范围内,因此,工件不会发生很大的变形[12]。

姜伟等在45钢和30CrMnSi表面电镀镍,然后激光扫描镀层。镀层被激光完全熔化后与基体表面组织完全融合形成了新的Fe-Ni合金组织。镍基合金熔化区的显微组织为胞状-树枝状结晶组织,由于快速结晶,使树枝状的主干组织优先生长,其方向垂直于激光扫描的方向。同时微细的偏析获得很大的发展,在横截面的柱状晶体呈现出一些等轴晶状的外貌。熔化层组织细小、均匀,组织为胞枝晶,枝晶间为各种碳化物等多元共晶化合物。这些多元复杂共晶化合物对合金层的硬度和其他力学性能非常有利。合金化层的硬度分别达到642HV和620HV,基材的硬度分别为200HV和227HV。合金化层的硬度大大超过基体[13-14]。

Gholam Reza Gordani等用Nd∶YAG激光扫描Al基体上的化学镀Ni-P合金镀层。制得表面比较光滑、无裂纹的覆层。结果表明,镀层与基体完全融合,由于Ni-Al金属间化合物的强化作用,使得表面的硬度提高。相对于没有经过激光处理的Ni-P镀层,其耐腐蚀性有所提高。

因为电镀的金属或合金的种类比化学镀多,所以电镀可以为激光表面合金化提供更多选择。表面合金化的工艺过程简单、效率高,可以节约大量稀有和贵重的元素。但由于电镀和化学镀带来的环境污染问题日益突出,人们越来越倾向于采用冶金方法制备的合金材料。

3.2激光熔覆

激光熔覆常见的预置工艺有热喷涂和有机物粘结。与热喷涂相比,镀层的致密度比较高,空隙率较低,可以在复杂表面形成厚度均匀的涂层,没有元素的烧损,消耗的能量较少。与有机物粘结相比,镀层几乎没有有机物的元素污染。

姚建华等研究了激光熔覆对镍-纳米氧化铝纳米复合镀层组织、硬度以及耐磨性能的影响。结果表明,激光处理后,强化层表面平整光滑,与基体形成冶金结合,成分均匀,组织细密。纳米Al2O3颗粒均匀分布在强化层表面,强化层显微硬度为原沉积层的1.5~1.8倍,强化层摩擦系数约为原沉积层的1/2,基体的1/3。强化层和基体的表面主要以磨粒磨损为主,而纳米复合镀层则是磨粒磨损和黏着磨损综合作用的结果[15-16]。

要想获得同样厚度的涂层,电镀和化学镀所需要的时间要远远超过热喷涂或有机物胶合粉末。对于加入强化颗粒的复合镀,因为颗粒分布的密度和数量难以控制,所以这方面不如热喷涂和有机物胶合的粉末。对于纳米颗粒的复合镀层,在沉积过程中纳米颗粒很容易团聚,难以发挥纳米颗粒的特殊性能。

3.3激光热处理

20世纪70年代末,美国的Montgomery首先对激光束表面处理镀铬层进行了研究,其目的是通过实现镀铬与基体间冶金结合以提高镀铬层结合力。结果表明,界面处钢基体重熔,镀层Cr原子向基体扩散,与基体形成Fe-Cr合金扩散层。基体为回火马氏体组织。镀Cr层发生再结晶,微裂纹减少,但是镀层的硬度下降,且变脆,易开裂。实际综合应用效果不好。

对Ni-P镀层进行热处理可显着地提高硬度。以含2.5%P的Ni-P镀层为例,在开始阶段硬度随热处理温度升高而上升,400℃左右达最高值,以后便随温度升高反而降低,400~800℃硬度几乎呈线性下降。热处理过程中,镀层由非晶态转为晶态组织。热处理后镀层硬度增加的原因是弥散Ni3P硬粒子的析出,开始是连续地分布在镍固溶体中,形成一种两相合金。但热处理温度过高(>400℃)或时间延长,弥散分布的Ni3P颗粒聚集长大,原来均匀分散的大量弥散小颗粒逐渐被数量少、间距大的粗颗粒代替,从而造成镀层硬度下降。

王兰等比较了化学镀Ni-P合金复合镀层经过传统热处理和激光热处理后组织、硬度和耐磨性的差异。当激光功率较小时,表面与镀态一样;当激光功率较大时,表面会鼓起,并有黑色的Ni3P聚集。XRD的结果表明:镀层由非晶态向晶态转变。硬度上的变化规律与传统热处理基本相同,即随着热处理温度(激光比能量)的升高,硬度先上升后下降。由于SiC硬质相的存在使得最高硬度比传统热处理的大。随硬度的上升耐磨性也增强[17]。

孔德军等研究了Ni-P镀层激光热处理后的应力变化。实验结果表明,化学沉积Ni2P合金薄膜/硅基体的残余应力均表现为拉应力,经过激光热处理后残余应力发生了变化,由高值的拉应力变为低值的拉应力或压应力;薄膜残余应力对其磨损性能有明显影响,其磨损量随残余应力的减小而减小;薄膜与基体结合强度随残余应力的增大而减小,合理地选择激光热处理参数可以精确地控制薄膜残余应力,提高其结合强度[18]。

4·结束语

(1)尽管在这个交叉领域已研究开发了多种表面复合方法,这些表面复合方法显着地提高了材料的综合使用性能,但这些方法很多还停留在实验室研究阶段,要实现大规模的工业应用还有待科研人员的进一步努力。

(2)激光加工虽然用途广泛,但是激光设备需要大量的投资,运行和维护的费用较高。而且,由于电镀和化学镀带来的环境污染问题,需要投入资金采购污水处理设备,间接提高了产品的成本。因此这些表面复合方法的应用范围受到一定的限制。

(3)大多数激光加工的参数都要通过实验或经验数据取得,对于大批量的重复加工,这种方法的实验成本还可以接受,但是对于单件不重复的加工情况(比如模具),实验方法的风险较大,可靠性较低。因此发展激光加工的数值模拟是未来的研究方向之一。

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