激光表面處理技術對鋯鉻合金結構及性能的影響

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，因此其被廣泛地得到應用。為此本文將對激光表面處理技術對鋯鉻合金在結構及性能上影響進行研究，由鋯鉻合金及激光加工技術的概述作為切入點，并分別由結構影響及性能影響進行詳細分析。

關鍵詞：激光表面處理技術;鋯鉻合金;結構;性能

1.鋯鉿合金及激光加工技術概述

1.1鋯鉻合金的性能及應用

鋯是一種在常規(guī)狀態(tài)下呈現為銀白色的金屬，同時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。其核性質來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部材料中。除此之外在化工生產、醫(yī)療器械及工業(yè)生產當中鋯及鋯合金都有著廣泛的應用范疇，例如在化工生產當中鋯及鋯合金就能被作為交換器或反應器的構成材料，而在醫(yī)療器械當中由于鋯的相容性十分突出就能夠被用作生物醫(yī)學材料，工業(yè)生產方面其耐火性能目前也得到了廣泛的應用。

1.2激光加工技術特點

相對于傳統(tǒng)的技術而言，激光加工技術的一些特點使其得到了廣泛的應用。首先其開發(fā)時間相對較短，能夠在最大限度上幫助縮短工程時間。其次在生產的過程當中激光加工技術所產生的熱能相對較小，也不會出現由于直接接觸而污染工件的情況。同時在目前生產自動化的大趨勢下，激光加工技術由于導向準確、效果穩(wěn)定且安全系數較高的原因更加適合生產自動化的發(fā)展。最后相對于傳統(tǒng)技術激光加工技術的后期成本無論從維護還是投入來看都更加低廉，也更加適合規(guī)模較大的加工工作。

2.激光表面處理技術對鋯鉻合金結構影響

2.1處理后鋯鉻合金有限元分析

對經過激光表面處理技術處理后的鋯鉻合金進行結構影響分析首先要由有限元入手，所使用的為1000W激光，而溫度場的達標時間為0.1s，溫度場中心溫度在1500℃之上，在此之后的13s之內冷卻至室溫。因此在熔池溫度上一定會高于上述數值，能夠完成重熔。

2.2處理后鋯鉻合金形貌分析

激光表面處理技術還會對鋯鉻合金的形貌產生一定的影響，其影響主要能夠從宏觀形貌、重熔區(qū)寬度及熔池深度方面得到體現。首先在宏觀形貌上由于激光處理具有很強的能量釋放，因此在下熔池的表面當中會出現流動的情況。而在重熔區(qū)的寬度方面其寬度會隨著鋯鉻合金表面的溫度逐漸降低而使得材料數量持續(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量得到持續(xù)減少出現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

在經過激光表面處理后，鋯鉻合金在元素分布上也會出現一定的改變。下文將通過柱狀圖的形式展示其界面的變化柱狀圖，詳情見圖2。

通過圖中的分析結果能夠發(fā)現在經過處理后在元素上鋯鉻合金的界面組成并沒有出現變化，但是在元素百分比方面出現了一定的波動，這樣的波動情況導致部分局部地區(qū)出現了某種元素聚集的情況，造成這樣情況的原因是由于擴散不夠均勻同時熱量分布偏差導致的。

3、激光表面處理技術對鋯鉻合金性能影響

3.1處理后硬度影響分析

激光表面處理技術會對鋯鉻合金在形貌上產生影響的同時還會對其性能產生一定的影響，這樣的影響首先體現在材料的硬度方面。為了驗證影響的具體情況，要構建硬度分析圖譜，進行納米壓痕實驗。在此之后對其硬度分布進行統(tǒng)計，以重熔區(qū)的邊界作為坐標點能夠發(fā)現重熔區(qū)的硬度遠高于熱影響區(qū)及基體。造成這樣改變的原因是由于經過激光表面處理技術的加工后鋯鉻合金會受到細晶強化從而提高硬度。

3.2處理后彈性影響分析

除硬度外激光表面處理技術還會對鋯鉻合金材料的彈性產生一定的影響，而根據實驗能夠發(fā)現彈性能夠通過壓痕深度得到體現。在經過統(tǒng)計分析后能夠發(fā)現經過激光表面處理技術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是能夠發(fā)現經過激光掃描的重熔區(qū)彈性模量指數大多只有8%左右的提升，這個數值也會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，能夠通過摩擦系數對其進行體現，對摩擦系數進行觀察的過程中可使用壓針及原子探針在合金劃痕上的形變程度進行觀察。而在這個過程當中還需要對劃痕進行觀察，以此總結出對應的劃痕數據。也由上文內容所述，由于經過激光表面技術的處理，鋯鉻合金重熔區(qū)會出現晶粒細化的情況，因此其內部組織構造會變得更加均勻，表面也會更加平滑，摩擦性能也會相對得到降低。

3.4處理后耐腐性能分析

最后鋯在金屬當中屬于耐腐性能相對較強的一種，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。當鋯鉻合金未經過激光表面處理時，由于其點位較高同時在鈍化反應的輔助下很難發(fā)生氧化。而在表面激光處理后，其鈍化區(qū)也會出現明顯的擴張，其耐腐性能自然也得到了提升。但是通過后續(xù)的實驗能夠發(fā)現，鋯鉻合金材料的耐腐性能主要來自于其自身的化學性質，與是否經過表面激光處理的影響不大，同時表面激光處理的速度與其耐腐性能的提升之間沒有明顯的關聯(lián)性。

4、結 語：

通過本文的論述，能夠發(fā)現在經過激光表面處理后鋯鉻合金在結構上會出現一定的改變，其晶粒組織會出現一定的變化，同時隨著重熔區(qū)發(fā)生一定的變化，在彈性模量及耐磨系數方面也會有一定的改變。其抗腐性能也與其結構有著一定的關系，當經過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量無損檢測方面。