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激光表面工程过程的发展以及空蚀的保护
摘要
随着经济，科技的发展，耐用的液压和气动系统的需求不断增加，当系统处理空化和腐蚀性流体时，减少空蚀破坏的材料是必要的。空蚀对很多部件都是一种破坏，如船用螺旋桨和舵、汽轮机、柴油机、缸套、水泵叶轮叶片、控制阀、水轮机轴承，管道，超声波清洗机和机械心脏瓣膜等。本文回顾了激光表面改性的应用程序实现的基本原理，以及流体处理组件的抗表面。通过提高基础材料的表面性能，可以解决空蚀的问题，用不同的激光表面改性技术包括激光相变硬化（LTH），激光表面重熔（LSM），激光表面合金化（LSA），激光熔覆（LC）、激光散射（LD）和激光等离子体混合喷涂（技术）。在这篇综述中讨论了各种激光表面改性层/涂层的空蚀性能。特别是硬面合金涂层，形状记忆合金，表面金属或金属间化合物基复合材料和金属陶瓷的黑色金属和有色合金。并讨论了提高抗空蚀性能的机理。
- 概述
1.1空蚀
空蚀是指在液体中由于局部压力降低而形成的气泡或空穴。当液体的流动速度增大时，其压力会减小，这是伯努利方程的结果所得。当局部压力下降低于临界值，气泡将形成。当这些气泡遇到高的局部压力，他们会崩溃，产生微射流和冲击波。当泡沫在固体表面附近破裂时，这些微射流和冲击波对固体表面传递压力，这样的事件的重复，在表面区域的攻击下，将进行疲劳和破裂，从而导致表面的材料损失。这就是空蚀（气蚀）。空蚀因此造成的流体在坍塌过程中流体的局部循环冲击腔。通常在金属材料中积累加工硬化和裂纹可以观察到其形成。在某些情况下，这是一个强烈的空化坑，密度是足够高的多孔矩阵，最后破坏的组件。图1显示了叶轮叶片的汽蚀损坏。这种损害将导致损失泵的泵送能力和最终的灾难性故障。另一方面，硬脆材料，如陶瓷不太可能形成深坑，但是开裂与剥落是主要的失效模式。
有许多的机械性能的金属材料都尝试过相关的空蚀的侵蚀这些机械性能包括延展性，
硬度，极限抗拉强度，屈服强度，极限韧性，工程应变能，延伸率和产品疲劳强度系数和循环应变硬化指数。然而，在实际中，只提供预测—对一个狭窄的材料组有一定程度的困难。由于应力脉冲的重复性、动态性、随机性和局部性由空蚀产生，有一种材料应被视为在相关的材料性能对其自身并不能从别人。此外，当空化流体具有腐蚀性，物质损失也不是纯粹的机械性质，因为腐蚀也进入工作中。在腐蚀性介质发生空化时，侵蚀引起的腐蚀或腐蚀引起的侵蚀会加剧损伤亲—应称为“空蚀–腐蚀”。空蚀—腐蚀常发生协同作用和物质损失，并且明显高于单独作用的总和。
用蒸馏水和3.5%的氯化钠溶液可以发现空蚀的不同的差异。除了腐蚀的影响，由于侵蚀磨损，它也可以加快协同效应。同样，如果空化流体含有侵蚀性粒子，然后折叠腔使颗粒高速的撞击表面，也会造成同样的作用。
为了减轻空蚀，可以采取三种方法，包括
（i）改进设计，以最大限度地减少压力；（ii）改变环境，例如，温度和腐蚀性的液体（iii）选择更耐的材料，或采用保护层对空蚀。改变设计和控制环境，同时使用第三种方法更可行，当然，这是不容易的。一般而言，空蚀的选择标准材料包括硬度、淬透性的工作，马氏体可变换性（低层错能）吸收的空化能量，和耐腐蚀性。
1.2激光表面改性
因为空蚀是一种表面现象，一种材料的研发与表面性质，但不是堆积性质。因此，表面改性是一种用于提高工程组的R E的一种方式。表面改性有2个独特的功能。首先，它只使用少量的昂贵的涂层材料，与一些便宜的材料。其次，它允许大量的组合表面和体积性质，从而为设计工程师提供更多的灵活性，工程合金表面改性。空蚀已经尝试了各种传统的技术，如电镀、化学镀、电火花沉积方法，微弧氧化，阴极电弧法，等离子渗氮，摩擦堆焊，超音速火焰喷涂，等离子喷涂，离子注入。然而，这些都有局限性在基片上制备保护层或涂层的工艺合金，包括基体弱粘结，高消费的时间和精力，环境友好，困难的自动化，热处理程序等激光能量一种具有独特的性能，如单色性、相干性、方向性和高强度。它允许广泛的表面处理，通过加热的表面熔化通过吸收激光能量在基板上的涂层材料。通用术语“激光表面改性”包括激光相变硬化（LTH），激光表面重熔熔/（LSM），激光表面合金化（LSA），激光熔覆（LC）、激光散射（LD），激光上釉（LG）和激光喷丸（LSP）。它是一种在不改变材料的性质的情况下对材料的近表面区域进行改性的技术。激光表面改性与其它表面处理方法相比，已得到了比较明显的优点和优越性：
它是一种简单、经济、高效的材料表面处理方法，能够导致合金体系的扩展固溶，亚稳相的形成，微观结构的均匀化和细化析出物或夹杂物的溶解/再分布属性可以保留。
LSA，LC和LD，形成激光制备层与基体结合良好所获得的最终表面具有良好的化学清洁度和无化学物质或淬火介质是必需的。热影响区（HAZ）形成小，离开整体性质不变的情况下，以最小的失真。激光处理工艺是清洁和环境友好的。这是比较容易控制的加工参数，并自动，和小或没有机械加工是必需的。另一方面，激光表面改性的局限性是有限波束尺寸。这降低了处理一个大的表面的效率。但大面积覆盖的半导体激光器与矩形点，宽为一英寸。与金属表面相互作用的激光吸收率低。它是一种线的视线的过程，因此它是不适合用于处理非常复杂的几何形状的零件。
如上所述，激光表面改性的限制之一是有限的激光束的大小。目前，激光束与点像一英寸可以生产半导体激光器和/或自适应光学。它非常适合用于表面处理的局部区域，再制造裂痕，矮小，磨损，腐蚀和空化工程部件。
2激光表面改性处理
当金属材料表面用激光照射，能量被吸收在一个薄的表面层，从而导致快速表面层温度上升。散装的基板下面的表面几乎不受影响，因此作为一个热下沉，导致表面层快速冷却或淬火激光束经过。根据不同的基板材料和添加材料的存在或不存在，快速加热和随后表面层的冷却可能会导致相变，熔化和再凝固，合金或覆盖。适当的选择一种金属的激光处理工艺及工艺参数材料可以显着增强。
它提出，空蚀应被视为一种独特的类型的材料损坏。虽然没有一般的材料和它的常规力学性能之间的相关性，但是一个适当的硬度和韧性结合在一起，可能会导致在一个较高的R E。所有这些不同的治疗方法的一般观察方法为，新的层面具有更精细，更均匀的微观结构，这是一个有利的因素。在这种情况下，额外的材料被引入到的表面层，与扩展的溶解度和亚稳相的合金相结合，导致进一步改善RE。一个是有密切关系的R E，但总是完全确定的；另一个因素是组织，是其显微硬度（或者更准确地说，其压痕特征）。这种关系是合理的因为爆腔在固体表面的机械作用类似于一个微压痕和纳米压痕仪的作用，虽然单个压痕参数如硬度不完全充分。基于这种观点，可以通过表面处理来提高合金的显微硬度，提高合金的表面改性工艺，提高合金的表面改性。
激光表面改性的工作原理是激光束在连续的或脉冲的模式被集中到一个合适的工件表面的尺寸和扫描，高能量密度束加热表面迅速减少传导到工件的时间。功率密度被定义为聚焦的激光束的功率除以光束大小。影响的时间是激光束的表面任何一个点上停留的时间长度。它的范围从低功率密度和长时间的相互作用时间处理（LTH）依赖于一个表面造成固态相变加热不熔化，高功率密度和作用时间短，处理涉及表面融化，这需要更高的激光功率为克服潜热效应和较大的热传导损失。简单的表面熔化可以实现更均匀的改性层（LSM）或很快自猝灭（激光上釉）形成的细颗粒，甚至在某些合金金属玻璃。对于表面熔化过程与添加的材料不同程度的稀释混合，它们分别为LSA，LC和LD。当高功率密度的短脉冲（短的相互作用时间）被用来打击的表面，它是能够产生机械冲击波产生的激光冲击喷丸，这是类似喷丸处理，但与浅的深度。然而，通过LSP提高R E试图报道很少，主要是因为在工业应用中对长期发作汽蚀改良深度太小。此外，LSP实际上类似空化的攻击，这是一种机械喷丸。因此，它相当于空蚀的初始阶段，但在一个受控的方式。在这个意义上，它可能不被认为是有益的，因为它将缩短潜伏期。
2.1.无附加材料的激光处理
在不添加材料的表面在激光加工过程中，在所处理的表面层的组合物和所能带来的性能变化的程度是有限的和依赖于基板的。下面对LTH进行相对应的研究
2.1.1激光相变硬化（LTH）
LTH是一个自热处理方法包括固态转变不融化。由材料吸收的激光能量是由其表面吸收率的控制。适合LTH有色合金包括碳钢、合金钢、工具钢、马氏体不锈钢与珠光体铸铁的碳含量范围从0.2to1.5wt。%。一般来说，具有高淬透性的合金进行低功率密度和更高的相互作用时间，以实现均匀的情况下显着的深度。低淬透性的处理具有更高的功率密度和较低的交互次数，以确保在较浅的深度为代价的马氏体形成快速冷却率。照射的表面经历了一个快速加热和冷却周期，在此期间，马氏体将形成。这种马氏体相引入了较高的硬度，因此有更高的Re的合金。硬度值通过LTH高于常规淬火的20%左右。根据合金，硬度值高达约1000的高压和0.5至1.5毫米的情况下，可以实现。本地控制热输入引起LTH只有非常低的失真的成分，因此改造的组成部分是不需要理由的。LTH在于硬化表面更耐空蚀的可能性。
2.1.1.1LTH铸铁
LTH对球墨铸铁的R E的影响，广泛应用在海洋应用部件的材料，包括柴油机缸套、阀门和泵。LTH铸铁提高R E已在多个研究报告。改进的程度各不相同，并且是由基体材料成分主要决定。在对LTH铸铁的研究，在R E较小的增加似乎是一个低硬度。报道在高磷铸铁1约1.9倍的R E的改进。人们普遍认为，LTH相比LSW的改进，后者因为更加精细和均匀的微观结构比较小，和较高的硬度，而更受欢迎。
2.1.1.2LTH马氏体不锈钢
据报道，AISI 440C采用LTH的硬度可以达到在硬化区780 HV和3.5重量%的NaCl溶液达到约1.8和22.1与常规热处理和接收时间为R E增加为高（退火）440C，收到440C是由粗大的初生碳化物的铁素体基体（图a i）。对激光硬化440 R E的提高可归因于细小的碳化物和残余奥氏体的马氏体表面层的存在（图b i）。与接收的440C相比，CE损坏程度不太严重的激光硬化一如图a所示（ii）和b（ii）。
据报告，铸造不锈钢13Cr4Ni在水轮机的广泛应用和LTH 13Cr4Ni的激光淬火的硬度为400 HV 13Cr4Ni和R E达到约1.74倍，比铸态的增加。增加表面硬度和细晶组织形成在激光硬化13Cr4Ni R E的改进。研究发现，与微观结构和力学性能，如极限拉伸强度，修改后的极限韧性，和显微硬度。简而言之，LTH提高R E的效率取决于有色合金的类型。在R E的最重要的改进是在LTH马氏体不锈钢AISI 440C由于细碳化物和残余奥氏体的马氏体的表面层具有高硬度和韧性的存在。由于没有液相参与，处理后的表面保持光滑。
2.1.2激光表面重熔（LSM）
LTH的应用是有限的因为它可以应用于合金的激光热处理。此外，它没有伴随着微观结构的细化，因为它不涉及凝固。LSM是通过加热用激光功率密度足够高，以创建一个熔池表面进行合金。从图3，当功率密度减小，相互作用增加，合金的熔化温度可以达到。自顶面材料的一小部分熔化，冷却速度很快，从10000到10000000°C/S根据合金的热物理性能和激光扫描速度。在激光表面改性的各种类型的提高R E，LSM得到最广泛的报道，因为它相对简单，在R E的增加可能是很重要的。由于一个或多个因素的影响而增加以下因素：
（1）晶粒细化导致硬度增加；
（2）去除表面缺陷，如夹杂物和预先存在的毛孔或裂缝；
（3）微观结构的均匀化，如粗碳化物转化成细碳化物；
（4）硬质和单相层的形成。
这些因素将有助于形成一个硬化和更均匀的表面。增加的硬度将提高，而一个更均匀的微观结构包含较少的网状，因为在一个多相系统的启动，这是由其最薄弱的阶段确定的。另一方面，激光上釉，这是一种特殊类型的方法，包括表面熔化后更快速的自猝灭导致一个非常好的组织或非晶。然而，它可能是由于处理层太薄，不能切合实际的防止空蚀的影响。
2.1.2.1LSM铸铁
LSM的铸铁在R E的改进进行了大量的研究报告。在高磷铸铁LSM，熔化层为莱氏体和有阻力的2.3倍，未熔化的样品。另一方面，LSM—铜钼铬合金铸铁没有带来任何显著增加。CE行为铸铁改性LSM的蒸馏水和3重量%的盐溶液是由汤姆林森的团队报道。在蒸馏水的增加，在蒸馏水范围从2到20倍，根据铸铁的类型，并高于在3重量%氯化钠溶液。在研究中的改进是由于消除石墨薄片。在盐水中的较低的研究来源于一个显着的贡献（约70%）的腐蚀增强侵蚀的整体侵蚀。
2.1.2.2LSM钢
一组数据报告了他们对钢的LSM的工作提高R E。碳钢（碳含量在0.20～0.45重量%）和高强度IRECA奥氏体钢受益于LSM处理与R E从2.8增加5倍。在碳钢起源于一个淬火马氏体层的形成情况的改善，而奥氏体的ireca钢，从一个精致的微观结构。
2.1.2.3LSM不锈钢
LSM在不锈钢的尝试由普里斯和德雷珀的一个团队来进行了研究。在LSM的奥氏体不锈钢AISI 303普里斯和德雷珀报道的研究，影响表面粗化和残余应力控制和激光熔样低R E
比未经处理的低。在郭等人报道的三不锈钢经LSM，只有奥氏体不锈钢（AISI 316L）S31603的R E提高，和量小（23%）。存在的拉伸残余应力和硬度略有增加，被认为是改善的原因。另一方面，LSM不利于奥氏体不锈钢S30400（AISI 304）和超级双相不锈钢S32760（空气100）对R E。的情况下是S30400，那里有所下降，并且由于残余压应力的存在，这是公认的一个不利因素。对于S32760，R E是因为一个高delta;-存在铁素体含量的重熔后大大降低。而s42000
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