激光表面處理技術(shù)對(duì)鋯鉻合金結(jié)構(gòu)及性能的影響

摘? 要：鋯合金在目前工業(yè)使用中很多方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此其被廣泛地得到應(yīng)用。為此本文將對(duì)激光表面處理技術(shù)對(duì)鋯鉻合金在結(jié)構(gòu)及性能上影響進(jìn)行研究，由鋯鉻合金及激光加工技術(shù)的概述作為切入點(diǎn)，并分別由結(jié)構(gòu)影響及性能影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：激光表面處理技術(shù);鋯鉻合金;結(jié)構(gòu);性能

1.鋯鉿合金及激光加工技術(shù)概述

1.1鋯鉻合金的性能及應(yīng)用

鋯是一種在常規(guī)狀態(tài)下呈現(xiàn)為銀白色的金屬，同時(shí)其還具備其他金屬所不具備的多種屬性，其中最為重要的就是核性質(zhì)。其核性質(zhì)來(lái)源于它的熱中子俘獲橫截面很小，因此可以將其使用在原子堆的內(nèi)部材料中。除此之外在化工生產(chǎn)、醫(yī)療器械及工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中鋯及鋯合金都有著廣泛的應(yīng)用范疇，例如在化工生產(chǎn)當(dāng)中鋯及鋯合金就能被作為交換器或反應(yīng)器的構(gòu)成材料，而在醫(yī)療器械當(dāng)中由于鋯的相容性十分突出就能夠被用作生物醫(yī)學(xué)材料，工業(yè)生產(chǎn)方面其耐火性能目前也得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2激光加工技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，激光加工技術(shù)的一些特點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。首先其開(kāi)發(fā)時(shí)間相對(duì)較短，能夠在最大限度上幫助縮短工程時(shí)間。其次在生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中激光加工技術(shù)所產(chǎn)生的熱能相對(duì)較小，也不會(huì)出現(xiàn)由于直接接觸而污染工件的情況。同時(shí)在目前生產(chǎn)自動(dòng)化的大趨勢(shì)下，激光加工技術(shù)由于導(dǎo)向準(zhǔn)確、效果穩(wěn)定且安全系數(shù)較高的原因更加適合生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展。最后相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)激光加工技術(shù)的后期成本無(wú)論從維護(hù)還是投入來(lái)看都更加低廉，也更加適合規(guī)模較大的加工工作。

2.激光表面處理技術(shù)對(duì)鋯鉻合金結(jié)構(gòu)影響

2.1處理后鋯鉻合金有限元分析

對(duì)經(jīng)過(guò)激光表面處理技術(shù)處理后的鋯鉻合金進(jìn)行結(jié)構(gòu)影響分析首先要由有限元入手，所使用的為1000W激光，而溫度場(chǎng)的達(dá)標(biāo)時(shí)間為0.1s，溫度場(chǎng)中心溫度在1500℃之上，在此之后的13s之內(nèi)冷卻至室溫。因此在熔池溫度上一定會(huì)高于上述數(shù)值，能夠完成重熔。

2.2處理后鋯鉻合金形貌分析

激光表面處理技術(shù)還會(huì)對(duì)鋯鉻合金的形貌產(chǎn)生一定的影響，其影響主要能夠從宏觀(guān)形貌、重熔區(qū)寬度及熔池深度方面得到體現(xiàn)。首先在宏觀(guān)形貌上由于激光處理具有很強(qiáng)的能量釋放，因此在下熔池的表面當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)的情況。而在重熔區(qū)的寬度方面其寬度會(huì)隨著鋯鉻合金表面的溫度逐漸降低而使得材料數(shù)量持續(xù)減少寬度變窄的情況，最后在熔池深度方面與重熔區(qū)的寬度相同，也是隨著溫度降低材料數(shù)量得到持續(xù)減少出現(xiàn)熔池深度減小的情況，而熔池深度減小的情況也是隨著掃描速度而變化的。

2.3處理后鋯鉻合金元素分布分析

在經(jīng)過(guò)激光表面處理后，鋯鉻合金在元素分布上也會(huì)出現(xiàn)一定的改變。下文將通過(guò)柱狀圖的形式展示其界面的變化柱狀圖，詳情見(jiàn)圖2。

通過(guò)圖中的分析結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)處理后在元素上鋯鉻合金的界面組成并沒(méi)有出現(xiàn)變化，但是在元素百分比方面出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，這樣的波動(dòng)情況導(dǎo)致部分局部地區(qū)出現(xiàn)了某種元素聚集的情況，造成這樣情況的原因是由于擴(kuò)散不夠均勻同時(shí)熱量分布偏差導(dǎo)致的。

3、激光表面處理技術(shù)對(duì)鋯鉻合金性能影響

3.1處理后硬度影響分析

激光表面處理技術(shù)會(huì)對(duì)鋯鉻合金在形貌上產(chǎn)生影響的同時(shí)還會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定的影響，這樣的影響首先體現(xiàn)在材料的硬度方面。為了驗(yàn)證影響的具體情況，要構(gòu)建硬度分析圖譜，進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)。在此之后對(duì)其硬度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以重熔區(qū)的邊界作為坐標(biāo)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)重熔區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于熱影響區(qū)及基體。造成這樣改變的原因是由于經(jīng)過(guò)激光表面處理技術(shù)的加工后鋯鉻合金會(huì)受到細(xì)晶強(qiáng)化從而提高硬度。

3.2處理后彈性影響分析

除硬度外激光表面處理技術(shù)還會(huì)對(duì)鋯鉻合金材料的彈性產(chǎn)生一定的影響，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)彈性能夠通過(guò)壓痕深度得到體現(xiàn)。在經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)激光表面處理技術(shù)加工后的鋯鉻合金材料彈性變化不大，以彈性模量作為參考依據(jù)是能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)激光掃描的重熔區(qū)彈性模量指數(shù)大多只有8%左右的提升，這個(gè)數(shù)值也會(huì)隨著掃描速度的提高而減小。

3.3處理后摩擦性能分析

在摩擦性能方面，能夠通過(guò)摩擦系數(shù)對(duì)其進(jìn)行體現(xiàn)，對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行觀(guān)察的過(guò)程中可使用壓針及原子探針在合金劃痕上的形變程度進(jìn)行觀(guān)察。而在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中還需要對(duì)劃痕進(jìn)行觀(guān)察，以此總結(jié)出對(duì)應(yīng)的劃痕數(shù)據(jù)。也由上文內(nèi)容所述，由于經(jīng)過(guò)激光表面技術(shù)的處理，鋯鉻合金重熔區(qū)會(huì)出現(xiàn)晶粒細(xì)化的情況，因此其內(nèi)部組織構(gòu)造會(huì)變得更加均勻，表面也會(huì)更加平滑，摩擦性能也會(huì)相對(duì)得到降低。

3.4處理后耐腐性能分析

最后鋯在金屬當(dāng)中屬于耐腐性能相對(duì)較強(qiáng)的一種，鋯鉻合金也能夠在一定條件下生成氧化膜，因此其在耐腐性能方面更加出色。當(dāng)鋯鉻合金未經(jīng)過(guò)激光表面處理時(shí)，由于其點(diǎn)位較高同時(shí)在鈍化反應(yīng)的輔助下很難發(fā)生氧化。而在表面激光處理后，其鈍化區(qū)也會(huì)出現(xiàn)明顯的擴(kuò)張，其耐腐性能自然也得到了提升。但是通過(guò)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，鋯鉻合金材料的耐腐性能主要來(lái)自于其自身的化學(xué)性質(zhì)，與是否經(jīng)過(guò)表面激光處理的影響不大，同時(shí)表面激光處理的速度與其耐腐性能的提升之間沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性。

4、結(jié) 語(yǔ)：

通過(guò)本文的論述，能夠發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)激光表面處理后鋯鉻合金在結(jié)構(gòu)上會(huì)出現(xiàn)一定的改變，其晶粒組織會(huì)出現(xiàn)一定的變化，同時(shí)隨著重熔區(qū)發(fā)生一定的變化，在彈性模量及耐磨系數(shù)方面也會(huì)有一定的改變。其抗腐性能也與其結(jié)構(gòu)有著一定的關(guān)系，當(dāng)經(jīng)過(guò)激光處理后其抗腐性能得到了很大的提升。

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作者簡(jiǎn)介：周堯，男，1984.03.07，河南鞏義，本科，研究方向：鋯及鋯合金材料方面和質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方面。