Al-Si合金激光表面復合改性及其對摩擦學性能的影響研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進程中，材料性能的優(yōu)化與提升始終是推動各領(lǐng)域技術(shù)進步的關(guān)鍵因素。鋁合金作為一類重要的金屬材料，憑借其密度低、比強度高、耐腐蝕性較好、導電性和導熱性優(yōu)良以及良好的加工性能等諸多優(yōu)勢，在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備、機械工程等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，Al-Si合金作為鋁合金家族中的重要成員，以其獨特的性能特點在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著不可或缺的地位。Al-Si合金具有出色的鑄造性能，其結(jié)晶溫度區(qū)間小，硅的結(jié)晶潛熱大，使得合金在液態(tài)下具有良好的流動性，能夠精確地填充復雜的模具型腔，從而制造出形狀復雜、尺寸精度高的零部件，這一特性使其在鑄造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如汽車發(fā)動機缸體、缸蓋、變速箱殼體等零部件的制造。此外，Al-Si合金還具有相對較高的強度和硬度，在保證零部件結(jié)構(gòu)強度的同時，能夠有效減輕部件重量，滿足現(xiàn)代工業(yè)對輕量化的需求。同時，其良好的耐磨性和耐腐蝕性，使其在一些需要長期穩(wěn)定運行且面臨摩擦和腐蝕環(huán)境的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。例如，在汽車發(fā)動機的活塞、氣缸套等部件中，Al-Si合金能夠承受高溫、高壓和摩擦的惡劣工作條件，保證發(fā)動機的正常運行。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)l-Si合金的性能要求日益嚴苛。在航空航天領(lǐng)域，為了提高飛行器的性能和燃油效率，需要鋁合金具備更高的強度重量比和耐高溫性能，以滿足飛行器在極端環(huán)境下的安全運行需求；在汽車工業(yè)中，隨著節(jié)能減排和提高發(fā)動機性能的要求不斷提高，發(fā)動機的工作溫度和壓力不斷提升，這就要求Al-Si合金不僅要具備良好的耐磨性和耐腐蝕性，還要能夠在高溫下保持穩(wěn)定的力學性能；在電子設(shè)備領(lǐng)域，隨著電子產(chǎn)品的小型化和高性能化發(fā)展，對鋁合金的導熱性能、尺寸穩(wěn)定性和電磁屏蔽性能等提出了更高的要求。因此，如何進一步提升Al-Si合金的綜合性能，以滿足現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展的需求，成為了材料科學領(lǐng)域的研究熱點之一。激光表面復合改性技術(shù)作為一種先進的材料表面處理技術(shù)，為Al-Si合金性能的提升提供了新的途徑。該技術(shù)利用高能量密度的激光束對材料表面進行快速加熱和冷卻，使材料表面在瞬間經(jīng)歷熔化、凝固等物理過程，從而實現(xiàn)表面組織結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。通過在Al-Si合金表面引入特定的合金元素或陶瓷顆粒等增強相，形成復合涂層，能夠顯著提高合金表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性能等。例如，在Al-Si合金表面復合WC、TiC等陶瓷顆粒，可以形成硬度極高的金屬陶瓷復合涂層，有效提高合金表面的耐磨性能；復合Cr、Ni等合金元素，則可以提高合金表面的耐腐蝕性能。此外，激光表面復合改性技術(shù)還具有處理速度快、熱影響區(qū)小、可控性強等優(yōu)點，能夠在不影響基體材料整體性能的前提下，實現(xiàn)對材料表面性能的精確調(diào)控。綜上所述，開展Al-Si合金激光表面復合改性及其摩擦學性能研究具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，通過激光表面復合改性技術(shù)，可以有效提升Al-Si合金的表面性能，拓寬其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和發(fā)展；另一方面，深入研究激光表面復合改性對Al-Si合金摩擦學性能的影響規(guī)律，能夠為優(yōu)化改性工藝參數(shù)、提高改性效果提供理論依據(jù)，進一步完善材料表面改性理論體系，為新型高性能鋁合金材料的開發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光表面改性技術(shù)在材料領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已取得顯著進展，在Al-Si合金方面也不例外，國內(nèi)外學者對此進行了大量研究。國外在Al-Si合金激光表面改性研究起步較早。美國通用汽車公司早在20世紀70年代就將激光表面處理技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)中，對Al-Si合金發(fā)動機缸體進行激光淬火處理，提高了缸體的耐磨性和使用壽命。此后，眾多科研機構(gòu)和企業(yè)持續(xù)深入研究，如德國的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT），在激光表面合金化和熔覆工藝研究方面處于世界領(lǐng)先水平，通過在Al-Si合金表面添加合金元素或陶瓷顆粒，成功制備出具有優(yōu)異耐磨、耐蝕性能的復合涂層。在日本，東北大學等高校對Al-Si合金激光快速熔凝進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)激光快速熔凝可以顯著細化合金晶粒，改善合金的力學性能和摩擦學性能。國內(nèi)在Al-Si合金激光表面改性領(lǐng)域的研究也取得了豐碩成果。近年來，哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、上海交通大學等高校和科研機構(gòu)在該領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)工作。哈爾濱工業(yè)大學利用激光熔覆技術(shù)在Al-Si合金表面制備了WC增強金屬陶瓷復合涂層，研究表明，復合涂層中WC顆粒與Al-Si合金基體形成了良好的冶金結(jié)合，涂層硬度顯著提高，耐磨性能比基體提高了數(shù)倍。西北工業(yè)大學通過激光表面合金化技術(shù)，向Al-Si合金表面引入Cr、Ni等合金元素，有效提高了合金的耐腐蝕性能。在摩擦學性能研究方面，國內(nèi)外學者針對Al-Si合金激光表面改性后的摩擦磨損行為進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，激光表面改性可以顯著改善Al-Si合金的摩擦學性能，降低其摩擦系數(shù)和磨損率。例如，通過在Al-Si合金表面制備陶瓷顆粒增強復合涂層，由于陶瓷顆粒的高硬度和良好的耐磨性，能夠有效抵抗摩擦過程中的磨損，從而降低材料的磨損率；同時，復合涂層的存在還可以改變摩擦副之間的接觸狀態(tài)，降低摩擦系數(shù)。盡管國內(nèi)外在Al-Si合金激光表面改性及其摩擦學性能研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。首先，激光表面改性工藝參數(shù)對Al-Si合金微觀組織和性能的影響機制尚未完全明確，不同工藝參數(shù)下合金組織的演變規(guī)律以及組織與性能之間的定量關(guān)系還需進一步深入研究。其次，在激光表面復合改性過程中，增強相（如陶瓷顆粒、合金元素等）與Al-Si合金基體之間的界面結(jié)合機制以及界面性能對復合材料整體性能的影響研究還不夠充分。此外，目前對Al-Si合金激光表面改性后摩擦學性能的研究主要集中在實驗室條件下，實際工況中的摩擦磨損行為以及環(huán)境因素對其摩擦學性能的影響研究相對較少。針對以上不足，未來的研究方向可聚焦于以下幾個方面：一是深入研究激光表面改性工藝參數(shù)與Al-Si合金微觀組織、性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立完善的理論模型，為工藝優(yōu)化提供更加準確的理論指導；二是加強對增強相與Al-Si合金基體界面結(jié)合機制的研究，通過優(yōu)化工藝和添加界面活性劑等方法，提高界面結(jié)合強度，改善復合材料的綜合性能；三是開展Al-Si合金激光表面改性后在實際工況下的摩擦學性能研究，考慮溫度、濕度、載荷、速度等多種因素的綜合影響，為其在實際工程中的應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞Al-Si合金激光表面復合改性及其摩擦學性能展開，主要研究內(nèi)容與方法如下：激光表面復合改性工藝研究：選用合適的Al-Si合金基體材料，通過查閱相關(guān)文獻并結(jié)合前期預實驗，選擇若干種增強相材料，如WC、TiC等陶瓷顆粒以及Cr、Ni等合金元素。利用高功率密度的激光束，采用激光熔覆、激光合金化等技術(shù)，在Al-Si合金表面制備復合涂層。通過單因素實驗和正交實驗設(shè)計，系統(tǒng)研究激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉速率（若采用送粉方式）等工藝參數(shù)對復合涂層質(zhì)量的影響規(guī)律。例如，固定其他參數(shù)，改變激光功率，觀察涂層的熔覆質(zhì)量、稀釋率、裂紋和氣孔等缺陷的產(chǎn)生情況；通過正交實驗，全面分析各參數(shù)之間的交互作用，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，以獲得表面質(zhì)量良好、與基體結(jié)合牢固的復合涂層。摩擦學性能研究：使用球盤式摩擦磨損試驗機，在干摩擦、油潤滑等不同潤滑條件下，對激光表面復合改性前后的Al-Si合金進行摩擦磨損實驗。設(shè)定不同的載荷、轉(zhuǎn)速和摩擦時間等實驗條件，模擬實際工況中的摩擦磨損情況。通過測量摩擦過程中的摩擦力、摩擦系數(shù)，并利用電子天平稱量磨損前后試樣的質(zhì)量，計算磨損率，分析激光表面復合改性對Al-Si合金摩擦系數(shù)和磨損率的影響。例如，對比未改性基體與改性后試樣在相同載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)和磨損率變化，研究復合涂層在不同工況下的摩擦學性能表現(xiàn)。微觀組織分析：采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）等分析手段，對激光表面復合改性后的Al-Si合金微觀組織進行表征。通過SEM觀察復合涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括增強相的分布形態(tài)、尺寸大小以及與基體的界面結(jié)合情況；利用TEM進一步分析界面處的晶體結(jié)構(gòu)和位錯分布等微觀特征；借助XRD確定復合涂層的物相組成，分析改性過程中相的轉(zhuǎn)變和生成情況。通過微觀組織與摩擦學性能的關(guān)聯(lián)分析，揭示激光表面復合改性提高Al-Si合金摩擦學性能的內(nèi)在機制，如增強相的強化作用、界面結(jié)合對磨損過程的影響等。二、Al-Si合金及激光表面復合改性原理2.1Al-Si合金概述Al-Si合金是以鋁（Al）和硅（Si）為主要成分的合金，屬于典型的共晶型合金，具有簡單的共晶型相圖，在室溫下通常由α（Al）固溶體和β（Si）相組成。α（Al）固溶體具有良好的塑性和導電性，類似于純鋁的性能；β（Si）相則具有較高的硬度和脆性，類似于純硅的性能。根據(jù)硅含量的不同，Al-Si合金可分為亞共晶合金、共晶合金和過共晶合金。其中，共晶合金的Si含量約為12.6%，亞共晶合金的組織由α（Al）固溶體和共晶體（α（Al）+β（Si））組成，過共晶合金的組織由β（Si）相和共晶體（α（Al）+β（Si））組成。在成分特點方面，除了鋁和硅這兩種主要元素外，Al-Si合金中還常添加其他合金元素來進一步改善其性能。例如，添加銅（Cu）元素可以提高合金的強度和硬度，增強其時效硬化效果，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的一些Al-Si-Cu合金，通過時效處理，可獲得較高的強度，滿足飛行器結(jié)構(gòu)件的性能要求；添加鎂（Mg）元素能夠提高合金的硬度和屈服強度，同時改善其鑄造性能，在汽車發(fā)動機缸體常用的Al-Si-Mg合金中，鎂元素的加入使其具有良好的鑄造性能和機械性能；添加鐵（Fe）元素雖會降低合金的塑性和韌性，但在一定程度上可以提高其耐磨性，在一些對耐磨性要求較高的機械零件中，會適當控制鐵元素的含量來滿足使用需求；添加鎳（Ni）元素可以提高合金的高溫性能和耐腐蝕性，在高溫環(huán)境下工作的Al-Si-Ni合金部件，能夠保持較好的性能穩(wěn)定性。此外，微量的稀土元素如鈰（Ce）、鈧（Sc）等的加入，可以細化合金晶粒，改善合金的綜合性能。Al-Si合金的組織形態(tài)對其性能有著顯著影響。在亞共晶Al-Si合金中，初生α（Al）相通常呈現(xiàn)樹枝狀形態(tài)，共晶硅相則以片狀或針狀分布于α（Al）相基體上。這種組織形態(tài)下，合金具有較好的強度和塑性，但共晶硅相的粗大片狀結(jié)構(gòu)會降低合金的韌性和耐磨性。對于共晶Al-Si合金，其組織主要由細密的共晶體組成，具有良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性，常用于制造對尺寸精度要求較高的零部件，如發(fā)動機缸體等。過共晶Al-Si合金中，初生硅相以粗大的塊狀或板狀存在于α（Al）相基體上，使得合金具有較高的硬度和耐磨性，但塑性較差，常應(yīng)用于制造活塞、汽缸套等需要耐磨性能的部件。通過變質(zhì)處理、熱加工等方法可以改變Al-Si合金的組織形態(tài)，從而優(yōu)化其性能。例如，采用鈉鹽、鍶鹽等變質(zhì)劑對亞共晶Al-Si合金進行變質(zhì)處理，可使共晶硅相由粗大的片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉睦w維狀或顆粒狀，顯著提高合金的韌性和強度；對過共晶Al-Si合金進行熱加工，如鍛造、軋制等，可以破碎粗大的初生硅相，使其分布更加均勻，從而改善合金的塑性。憑借其獨特的成分和組織特點，Al-Si合金展現(xiàn)出一系列優(yōu)異的性能。首先，Al-Si合金具有良好的鑄造性能，其結(jié)晶溫度區(qū)間小，硅的結(jié)晶潛熱大，使得合金在液態(tài)下具有良好的流動性，能夠精確地填充復雜的模具型腔，從而制造出形狀復雜、尺寸精度高的零部件。同時，合金的線收縮率較低，熱裂傾向小，能夠獲得質(zhì)量良好的鑄件。其次，Al-Si合金具有較高的比強度，在保證一定強度的同時，其密度相對較低，能夠有效減輕零部件的重量，滿足現(xiàn)代工業(yè)對輕量化的需求。此外，該合金還具有較好的耐磨性和耐腐蝕性。由于合金中硬相硅的存在，使其在摩擦過程中能夠抵抗磨損，提高耐磨性能；而鋁基體表面形成的致密氧化膜則賦予了合金良好的耐腐蝕性能。例如，在汽車發(fā)動機的活塞、氣缸套等部件中，Al-Si合金能夠承受高溫、高壓和摩擦的惡劣工作條件，保證發(fā)動機的正常運行；在航空航天領(lǐng)域，Al-Si合金被廣泛應(yīng)用于制造飛行器的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機部件等，以減輕飛行器重量，提高飛行性能。盡管Al-Si合金具備諸多優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，其在一些方面仍暴露出性能上的局限性。在航空航天領(lǐng)域，對于飛行器的關(guān)鍵部件，如發(fā)動機葉片、機身結(jié)構(gòu)件等，不僅要求材料具有高比強度，還需要具備優(yōu)異的耐高溫性能。然而，傳統(tǒng)Al-Si合金在高溫下，其強度和硬度會顯著下降，無法滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧显诟邷丨h(huán)境下長時間穩(wěn)定工作的要求。在汽車工業(yè)中，隨著發(fā)動機性能的不斷提升，發(fā)動機的工作溫度和壓力持續(xù)升高。Al-Si合金在這種高溫、高壓的惡劣工況下，其耐磨性和耐腐蝕性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。例如，發(fā)動機活塞在高溫、高壓和高速摩擦的條件下，傳統(tǒng)Al-Si合金活塞容易出現(xiàn)磨損加劇、腐蝕等問題，影響發(fā)動機的使用壽命和性能。在電子設(shè)備領(lǐng)域，隨著電子產(chǎn)品向小型化、高性能化方向發(fā)展，對材料的熱膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定性和電磁屏蔽性能等提出了更高的要求。Al-Si合金的熱膨脹系數(shù)相對較大，在溫度變化較大的環(huán)境中，容易導致電子設(shè)備零部件的尺寸變化，影響設(shè)備的精度和可靠性；同時，其電磁屏蔽性能相對較弱，無法滿足一些對電磁兼容性要求較高的電子產(chǎn)品的需求。2.2激光表面復合改性技術(shù)原理激光表面復合改性技術(shù)是基于激光表面改性技術(shù)發(fā)展而來的一種先進材料表面處理技術(shù)。其基本原理是利用高能量密度的激光束對材料表面進行快速掃描，使材料表面在極短時間內(nèi)吸收大量的激光能量，溫度迅速升高，從而發(fā)生一系列物理和化學變化。由于激光束能量高度集中，材料表面的加熱速度極快，通?？蛇_10^3-10^8℃/s，在如此高的加熱速度下，材料表面迅速達到熔點甚至沸點，發(fā)生熔化、汽化等現(xiàn)象。隨后，激光束離開，已加熱的材料表面通過向基體內(nèi)部傳熱而快速冷卻，冷卻速度同樣可達10^3-10^8℃/s，這種快速冷卻過程使得材料表面形成了與基體不同的組織結(jié)構(gòu)和性能。激光表面復合改性技術(shù)具有諸多獨特的特點。首先，該技術(shù)具有高度的能量集中性，激光束能夠在極小的區(qū)域內(nèi)釋放大量能量，實現(xiàn)對材料表面的精確處理，熱影響區(qū)小，對基體材料的性能影響較小，能夠最大程度地保留基體材料的原有性能。其次，激光表面復合改性過程是一種非接觸式加工，避免了傳統(tǒng)加工方式中工具與工件之間的機械接觸，減少了加工過程中的磨損和變形，同時也降低了加工過程中的污染。此外，該技術(shù)的工藝可控性強，可以通過精確控制激光的功率、掃描速度、光斑尺寸、脈沖寬度等參數(shù)，實現(xiàn)對材料表面改性層的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控，以滿足不同的工程需求。而且，激光表面復合改性技術(shù)的加工效率高，能夠在短時間內(nèi)完成對大面積材料表面的處理，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。最后，該技術(shù)具有良好的環(huán)境友好性，在加工過程中不產(chǎn)生有害氣體和廢渣，符合現(xiàn)代工業(yè)對綠色制造的要求。在激光表面復合改性技術(shù)中，常見的工藝包括激光淬火、激光合金化、激光熔敷和激光快速熔凝等，它們各自具有獨特的原理和過程。激光淬火，又稱激光相變硬化，是最早應(yīng)用于金屬材料表面強化的激光處理技術(shù)。其原理是利用高能量密度的激光束快速照射工件表面，使工件表面溫度在極短時間內(nèi)迅速上升到相變點（Ac3）以上，但低于熔點。在這個過程中，材料表面的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成奧氏體。當激光束移開后，由于基體材料的快速導熱作用，工件表面迅速冷卻，冷卻速度高于臨界冷卻速度，奧氏體來不及發(fā)生擴散型相變，而是直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而實現(xiàn)材料表面的局部相變硬化。在對45鋼進行激光淬火處理時，當激光功率為2000W，掃描速度為5mm/s時，材料表面能夠獲得硬度高達HV800-1000的馬氏體硬化層，硬度相比基體提高了2-3倍。激光淬火能夠顯著提高金屬材料表面的硬度、耐磨性和疲勞強度等性能。例如，在汽車發(fā)動機缸體的制造中，對缸體表面進行激光淬火處理，可以提高缸體表面的硬度和耐磨性，延長發(fā)動機的使用壽命。同時，激光淬火還具有加熱速度快、淬火變形小、無需淬火介質(zhì)等優(yōu)點，能夠有效減少加工過程中的能源消耗和環(huán)境污染。激光合金化是在高能束激光的作用下，將外加合金元素與金屬表面一起熔化，然后迅速凝固，使合金元素融入基體表面的過程。在這個過程中，只有熔化區(qū)和很小的熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生成分、組織和性能的變化，對基體的熱影響可減少到最低限度，引起的變形也較小。熔化深度主要由照射時間和激光功率來控制，一般在基體金屬表面可形成深度為0.02-2.0mm的合金層。由于冷卻速度快，合金化層的偏析小，并且晶粒細化效果顯著，從而能夠提高表層的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等性能。以在Al-Si合金表面進行激光合金化添加Si粉為例，通過高功率CO2激光器進行表面合金化處理，在鑄造鋁合金的表面成功制備了高硅AL-Si合金涂層。所制備的涂層表面平整、無氣孔、無裂紋，與基體呈冶金結(jié)合，涂層的硬度和耐磨性均顯著提高。激光合金化可以根據(jù)實際需求選擇不同的合金元素進行添加，實現(xiàn)對材料表面性能的定制化調(diào)控。例如，添加Cr、Ni等合金元素可以提高材料表面的耐腐蝕性能；添加W、Mo等合金元素可以提高材料表面的高溫強度和耐磨性。激光熔敷是指將所需合金粉末通過特定的送粉方式（如同步送粉或預置粉末）放置在被熔覆基體表面，利用高能激光束輻照，使合金粉末與基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低、與基體成冶金結(jié)合的表面涂層。該涂層能夠顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化和電氣特性。與激光表面合金化不同的是，激光熔敷要求基體對表層合金的稀釋度為最小，通常選擇硬度高、耐磨、耐熱和耐腐蝕性能好的材料作為覆層材料。在鈦合金表面利用激光熔敷技術(shù)制備Cr-Ni-Si合金粉末涂層，在干滑動磨損條件下測試該涂層的耐磨性能，結(jié)果表明激光熔敷Cr13Ni5Si2基金屬硅化物主要由初生樹枝晶及少量共晶組成，涂層在干滑動磨損狀況下具有很好的耐磨性能。激光熔敷過程中，熔覆材料與基體之間形成了牢固的冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，能夠有效抵抗外力的作用，防止涂層脫落。同時，通過選擇合適的熔覆材料和工藝參數(shù)，可以制備出具有不同性能的涂層，滿足各種復雜工況下的使用要求。激光快速熔凝是用高功率密度的激光在極短的時間內(nèi)照射金屬表面，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到較高的溫度使之熔化。然后借助液態(tài)金屬基體的吸熱和傳導作用，使已熔化的表層金屬快速凝固。由于冷卻速度極快，得到的組織是鑄態(tài)組織，其硬度較高，耐磨性亦較好。對QT700曲軸進行激光快速熔凝處理時，選用不同涂層，研究快速熔凝條件下，QT700曲軸的硬度和表面殘余應(yīng)力的變化。結(jié)果表明，在激光快速熔凝過程中，涂層的表面硬度和表面應(yīng)力都顯著提高。經(jīng)過激光快速熔凝后，在曲軸試件表面能形成厚度為1.0mm的硬化層，其硬度最大能達到588HV。激光快速熔凝能夠細化晶粒，使材料表面的組織結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能。此外，該技術(shù)還可以在材料表面形成一些亞穩(wěn)相和非晶態(tài)組織，賦予材料獨特的性能。2.3激光表面復合改性對Al-Si合金的作用機制激光表面復合改性技術(shù)通過引入特定的合金元素或陶瓷顆粒等增強相，與Al-Si合金基體發(fā)生一系列物理和化學變化，從而對合金的微觀組織、成分和性能產(chǎn)生顯著影響。在微觀組織方面，激光表面復合改性能夠細化晶粒，這主要歸因于激光快速加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的高過冷度。當激光束照射到Al-Si合金表面時，材料表面迅速熔化，形成熔池。在熔池快速凝固過程中，由于冷卻速度極快，原子擴散受到限制，形核率大大增加，而晶核生長速度相對較慢，從而使得晶粒得到細化。研究表明，在激光熔覆制備Al-Si合金基WC顆粒增強復合涂層的過程中，涂層中的WC顆粒能夠作為異質(zhì)形核核心，促進晶粒的形核，進一步細化晶粒組織。細化的晶粒不僅增加了晶界面積，使得位錯運動受到更多阻礙，從而提高合金的強度和硬度，還改善了合金的塑性和韌性。例如，對于傳統(tǒng)鑄造的Al-Si合金，其晶粒尺寸較大，在受力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致塑性和韌性較差；而經(jīng)過激光表面復合改性后，細化的晶粒能夠更好地協(xié)調(diào)變形，使合金在承受外力時不易發(fā)生裂紋的萌生和擴展，從而提高了塑性和韌性。激光表面復合改性還會改變Al-Si合金的相組成和分布。在激光合金化過程中，加入的合金元素會與Al-Si合金基體發(fā)生化學反應(yīng)，形成新的相。如在Al-Si合金表面合金化添加Cr元素時，Cr會與Al反應(yīng)生成Al-Cr金屬間化合物相。這些新相的形成改變了合金的相組成，并且由于激光快速凝固的作用，新相在基體中的分布更加均勻。在激光熔覆制備的Al-Si合金基TiC顆粒增強復合涂層中，TiC顆粒均勻分布在Al-Si合金基體中，增強了涂層的硬度和耐磨性。相組成和分布的改變對合金的性能產(chǎn)生重要影響。新相的硬度和強度往往高于基體相，能夠有效提高合金的整體強度和硬度；同時，均勻分布的增強相可以更好地承擔載荷，阻止位錯的運動，從而提高合金的耐磨性。然而，如果新相的分布不均勻，可能會導致局部應(yīng)力集中，降低合金的性能。激光表面復合改性對Al-Si合金的成分也有重要影響。在激光合金化過程中，添加的合金元素會融入Al-Si合金基體，改變基體的化學成分。通過精確控制合金元素的添加量和激光工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)對合金成分的精確調(diào)控。在Al-Si合金表面合金化添加Cu元素時，可以通過調(diào)整Cu粉的添加量和激光功率、掃描速度等參數(shù)，控制Cu在合金中的含量和分布。合金成分的改變會進一步影響合金的性能。例如，適量添加Cu元素可以提高Al-Si合金的強度和硬度，因為Cu在Al基體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化作用；同時，Cu還可以與其他元素形成金屬間化合物，進一步提高合金的強度。但如果Cu含量過高，可能會導致合金的塑性和韌性下降。激光表面復合改性對Al-Si合金的性能影響是多方面的。在硬度方面，由于晶粒細化、新相的形成以及固溶強化等作用，合金的硬度顯著提高。在激光熔覆制備的Al-Si合金基SiC顆粒增強復合涂層中，涂層硬度相比基體提高了數(shù)倍，這使得合金在耐磨性能要求高的應(yīng)用場景中表現(xiàn)更出色。在耐磨性方面，增強相的存在以及微觀組織的優(yōu)化，使得合金的耐磨性得到顯著改善。如前面提到的WC、TiC、SiC等陶瓷顆粒增強相，它們具有高硬度和良好的耐磨性，能夠有效抵抗摩擦過程中的磨損，從而降低合金的磨損率。在耐腐蝕性方面，添加的合金元素如Cr、Ni等可以在合金表面形成致密的氧化膜，提高合金的耐腐蝕性能。在Al-Si合金表面合金化添加Cr和Ni元素后，合金在中性鹽霧環(huán)境下的耐腐蝕時間明顯延長。激光表面復合改性通過細化晶粒、改變相組成和分布以及調(diào)整合金成分等作用機制，顯著提高了Al-Si合金的硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能，為Al-Si合金在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。三、實驗材料與方法3.1實驗材料本實驗選用的Al-Si合金基體材料為工業(yè)常用的ZL101鋁合金，其主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：Si6.5-7.5，Mg0.25-0.45，F(xiàn)e≤0.35，Cu≤0.10，Mn≤0.10，Ti≤0.20，余量為Al。該合金具有良好的鑄造性能和綜合力學性能，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其鑄態(tài)組織主要由α（Al）固溶體和共晶硅相組成，共晶硅相呈細長針狀或片狀分布于α（Al）基體上。為了實現(xiàn)對Al-Si合金的激光表面復合改性，選擇了WC陶瓷顆粒和Cr合金元素作為增強相。WC陶瓷顆粒具有硬度高（HV2000-2500）、熔點高（2870℃）、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠顯著提高Al-Si合金表面的硬度和耐磨性。選用的WC陶瓷顆粒粒徑范圍為30-50μm，純度大于99%。Cr合金元素則可以提高合金的耐腐蝕性和高溫性能，在Al-Si合金表面形成致密的氧化膜，阻止腐蝕介質(zhì)的侵入。實驗采用的Cr粉純度為99.5%，粒度為200目。實驗使用的激光設(shè)備為IPGYLS-4000型光纖激光器，其輸出波長為1070nm，最大輸出功率為4000W，光束質(zhì)量M2≤1.3。該激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，能夠滿足激光表面復合改性實驗對激光能量和光束質(zhì)量的要求。激光加工系統(tǒng)還包括激光掃描振鏡、聚焦透鏡以及運動控制平臺等。其中，激光掃描振鏡的掃描范圍為100mm×100mm，聚焦透鏡的焦距為160mm，通過運動控制平臺可以精確控制激光束在Al-Si合金表面的掃描路徑和速度。3.2激光表面復合改性工藝在進行激光表面復合改性之前，對Al-Si合金基體進行預處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其目的是去除表面的油污、氧化膜和雜質(zhì)等，以保證增強相能夠與基體良好結(jié)合。具體步驟如下：首先，將Al-Si合金試樣用砂紙進行打磨，依次使用180目、400目、600目、800目和1000目的砂紙，按照從粗到細的順序，對試樣表面進行打磨，以去除表面的氧化皮和劃痕，使表面粗糙度達到一定要求，為后續(xù)處理提供平整的表面。打磨過程中，需注意保持試樣表面的均勻性，避免出現(xiàn)局部打磨過度或打磨不足的情況。然后，將打磨后的試樣放入丙酮溶液中，利用超聲波清洗機進行清洗，清洗時間為15-20分鐘，以徹底去除表面的油污和雜質(zhì)。超聲波清洗能夠利用超聲波的空化作用，使丙酮溶液產(chǎn)生微小氣泡，這些氣泡在破裂時會產(chǎn)生強大的沖擊力，將油污和雜質(zhì)從試樣表面剝離。清洗完畢后，將試樣取出，用去離子水沖洗干凈，再放入無水乙醇中進行脫水處理，最后用吹風機吹干備用。添加材料的過程分為兩種方式，分別為預置粉末法和同步送粉法。預置粉末法是將WC陶瓷顆粒和Cr粉按一定比例混合均勻，然后采用粘結(jié)劑（如無水乙醇與聚乙烯醇的混合溶液，其中聚乙烯醇質(zhì)量分數(shù)為5%）將混合粉末均勻地涂覆在Al-Si合金試樣表面，形成厚度約為0.3-0.5mm的預置層。涂覆過程中，要確保粉末分布均勻，避免出現(xiàn)局部堆積或厚度不均的情況。涂覆完成后，將試樣在60-80℃的烘箱中烘干2-3小時，使粘結(jié)劑固化，固定粉末位置。同步送粉法則是利用專門的送粉裝置，在激光處理過程中，將WC陶瓷顆粒和Cr粉按照設(shè)定的送粉速率（如1-3g/min）同步送入激光作用區(qū)。送粉裝置需精確控制送粉量和送粉速度，保證粉末能夠均勻地進入熔池，與基體充分混合。在送粉前，需對送粉裝置進行調(diào)試，確保送粉的穩(wěn)定性和準確性。激光處理過程在激光加工系統(tǒng)中進行，該系統(tǒng)由IPGYLS-4000型光纖激光器、激光掃描振鏡、聚焦透鏡以及運動控制平臺等組成。首先，根據(jù)前期預實驗和相關(guān)文獻研究，確定激光處理的工藝參數(shù)。激光功率設(shè)定為1500-2500W，該功率范圍能夠使Al-Si合金表面和添加材料充分熔化，形成良好的冶金結(jié)合。掃描速度設(shè)置為5-15mm/s，在此速度下，激光能量能夠在試樣表面合理分布，避免因掃描速度過快導致熔化不充分，或因掃描速度過慢使熱影響區(qū)過大。光斑直徑為3-5mm，合適的光斑直徑能夠保證能量集中在一定區(qū)域，實現(xiàn)對試樣表面的精確處理。對于同步送粉法，送粉速率為1-3g/min。在確定工藝參數(shù)后，將預處理好的Al-Si合金試樣固定在運動控制平臺上，調(diào)整激光束的焦點位置，使其位于試樣表面。啟動激光器，通過運動控制平臺控制激光束按照預定的掃描路徑（如直線掃描、網(wǎng)格掃描等）對試樣表面進行掃描處理。在掃描過程中，實時監(jiān)測激光功率、掃描速度等參數(shù)，確保其穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。掃描完成后，對試樣進行冷卻，冷卻方式采用自然冷卻，使試樣在空氣中緩慢冷卻至室溫，以避免因冷卻速度過快產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋等缺陷。3.3摩擦學性能測試方法本實驗使用UMT-3型多功能摩擦磨損試驗機對激光表面復合改性前后的Al-Si合金進行摩擦學性能測試。該試驗機能夠精確控制試驗條件，可模擬多種實際工況下的摩擦磨損情況，為研究Al-Si合金的摩擦學性能提供了可靠的實驗平臺。在干摩擦條件下進行實驗時，選用直徑為6mm的GCr15鋼球作為對偶件，其硬度為HRC60-62，表面粗糙度Ra≤0.05μm。將激光表面復合改性后的Al-Si合金試樣固定在試驗機的樣品臺上，確保試樣表面與鋼球接觸良好且處于水平狀態(tài)。設(shè)定試驗載荷為5N、10N和15N，模擬不同的受力情況；轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為200r/min、400r/min和600r/min，以研究不同速度對摩擦學性能的影響；摩擦時間為30min，在整個試驗過程中，保持環(huán)境溫度為25℃±2℃，相對濕度為50%±5%，以排除環(huán)境因素對實驗結(jié)果的干擾。在油潤滑條件下，選用46號機械油作為潤滑劑。在試驗前，將潤滑劑均勻地涂抹在試樣表面和對偶件鋼球上，確保充分潤滑。同樣設(shè)置載荷為5N、10N和15N，轉(zhuǎn)速為200r/min、400r/min和600r/min，摩擦時間為30min。在試驗過程中，實時監(jiān)測潤滑劑的溫度，使其保持在30℃±2℃，以保證潤滑效果的穩(wěn)定性。在摩擦磨損實驗過程中，試驗機的傳感器會實時采集摩擦力數(shù)據(jù)。摩擦系數(shù)μ通過公式μ=F/N計算得出，其中F為摩擦力，N為試驗載荷。例如，當試驗載荷N=10N，采集到的摩擦力F=2N時，計算得到的摩擦系數(shù)μ=2/10=0.2。通過記錄不同時間點的摩擦力和載荷，可繪制出摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線，從而分析摩擦過程中摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。磨損率的計算則通過測量磨損前后試樣的質(zhì)量變化來實現(xiàn)。使用精度為0.1mg的電子天平稱量試樣的質(zhì)量，分別記錄磨損前的質(zhì)量m1和磨損后的質(zhì)量m2。磨損率W的計算公式為W=(m1-m2)/(ρ×S×L)，其中ρ為Al-Si合金的密度，S為摩擦面積，L為摩擦行程。假設(shè)Al-Si合金的密度ρ=2.7g/cm3，摩擦面積S=1cm2，摩擦行程L=1000m，磨損前質(zhì)量m1=10.0000g，磨損后質(zhì)量m2=9.9980g，則磨損率W=(10.0000-9.9980)/(2.7×1×1000×100)=7.41×10??g/(cm2?m)。通過計算不同工況下試樣的磨損率，可評估激光表面復合改性對Al-Si合金耐磨性能的影響。3.4微觀組織與性能分析方法利用Axiovert40MAT型金相顯微鏡對激光表面復合改性前后的Al-Si合金微觀組織進行觀察分析。在觀察之前，需對試樣進行精心制備。首先，將試樣切割成尺寸合適的小塊，一般為10mm×10mm×5mm，以方便后續(xù)操作。然后，使用砂紙對試樣進行打磨，依次使用180目、400目、600目、800目和1000目的砂紙，按照從粗到細的順序，逐步去除試樣表面的加工痕跡，使表面粗糙度達到一定要求。打磨過程中，需注意保持試樣表面的平整度和均勻性，避免出現(xiàn)劃痕過深或打磨不均勻的情況。接著，對打磨后的試樣進行拋光處理，采用金剛石拋光膏在拋光機上進行拋光，使試樣表面達到鏡面效果，以確保在金相顯微鏡下能夠清晰地觀察到組織形貌。拋光后，將試樣放入腐蝕液中進行腐蝕，對于Al-Si合金，常用的腐蝕液為0.5%HF溶液，腐蝕時間約為10-20s。腐蝕過程中，要嚴格控制腐蝕時間，時間過短可能無法清晰顯示組織，時間過長則可能導致組織過度腐蝕，影響觀察效果。腐蝕完成后，用清水沖洗試樣，并用酒精擦拭干凈，然后將試樣放置在金相顯微鏡的載物臺上進行觀察。通過金相顯微鏡，可以觀察到Al-Si合金的基體組織、增強相的分布情況以及晶界的形態(tài)等，為進一步分析合金的微觀組織特征提供直觀依據(jù)。使用HitachiS-4800型掃描電子顯微鏡（SEM）對激光表面復合改性后的Al-Si合金微觀組織進行高分辨率觀察。SEM利用高能電子束轟擊樣品表面，激發(fā)出各種物理信息，通過對這些信息的收集、放大和成像，能夠獲得材料微觀組織的高分辨率圖像。在進行SEM觀察前，同樣需要對試樣進行預處理。將切割好的試樣用砂紙打磨至表面光滑，然后進行拋光處理，以減少表面粗糙度對電子束成像的影響。為了提高試樣表面的導電性，需對試樣進行噴金處理。將試樣放置在真空噴鍍儀中，在試樣表面均勻地噴鍍一層厚度約為10-20nm的金膜。噴金處理后的試樣放入SEM的樣品室中，調(diào)整電子束的加速電壓、束流等參數(shù)，一般加速電壓設(shè)置為15-20kV。通過SEM，可以清晰地觀察到復合涂層中增強相（如WC陶瓷顆粒、Cr元素等）的尺寸、形狀、分布以及與基體的界面結(jié)合情況。例如，能夠觀察到WC陶瓷顆粒在Al-Si合金基體中的分布是否均勻，是否存在團聚現(xiàn)象；界面處是否存在裂紋、孔洞等缺陷，以及界面的結(jié)合強度等。借助OxfordINCA能譜儀（EDS）對激光表面復合改性后的Al-Si合金進行微區(qū)成分分析。EDS是一種與SEM聯(lián)用的分析儀器，它能夠?qū)悠繁砻嫖^(qū)的化學成分進行定性和定量分析。在SEM觀察到感興趣的區(qū)域后，切換到EDS模式，選擇合適的分析區(qū)域，一般分析區(qū)域的直徑為1-5μm。通過EDS，可以確定復合涂層中各元素的種類和含量，以及元素在涂層中的分布情況。例如，能夠準確測量出WC陶瓷顆粒中W和C的含量，以及Cr元素在Al-Si合金基體中的擴散深度和濃度分布。通過對不同區(qū)域的成分分析，可以了解激光表面復合改性過程中元素的遷移和擴散規(guī)律，為深入研究復合涂層的形成機制提供數(shù)據(jù)支持。采用HVS-1000A型數(shù)顯顯微硬度計對激光表面復合改性前后的Al-Si合金進行硬度測試。在測試前，需對硬度計進行校準，確保測試結(jié)果的準確性。將試樣放置在硬度計的工作臺上，調(diào)整試樣位置，使測試點位于試樣的合適部位。對于激光表面復合改性后的試樣，一般在涂層表面、涂層與基體的界面以及基體內(nèi)部等不同位置進行測試。測試時，加載一定的試驗力，本實驗選擇試驗力為0.98N（100gf），保持時間為10-15s。每個位置測量5-10個點，取平均值作為該位置的硬度值。通過硬度測試，可以得到激光表面復合改性對Al-Si合金硬度的影響規(guī)律，分析復合涂層的強化效果。例如，對比改性前后試樣的硬度值，能夠直觀地看出復合涂層的硬度相比基體有顯著提高，并且可以觀察到硬度在涂層不同位置的變化情況，了解涂層的硬度分布均勻性。四、Al-Si合金激光表面復合改性工藝研究4.1單一激光表面改性工藝對Al-Si合金的影響4.1.1激光淬火激光淬火作為一種重要的表面強化技術(shù)，對Al-Si合金的硬度、耐磨性和微觀組織產(chǎn)生著顯著影響，其工藝參數(shù)的精確控制更是決定改性效果的關(guān)鍵因素。在硬度提升方面，激光淬火能夠顯著提高Al-Si合金的硬度。當激光束作用于Al-Si合金表面時，表面迅速升溫至相變點以上，隨后快速冷卻，形成細小的馬氏體組織。這種馬氏體組織具有高硬度和高強度，使得合金表面硬度大幅提升。在對ZL101鋁合金進行激光淬火處理時，當激光功率為2000W，掃描速度為6mm/s時，合金表面硬度從原始的HV80-100提升至HV200-250，硬度提高了1-2倍。硬度的提升主要歸因于激光淬火過程中的快速加熱和冷卻。快速加熱使合金表面迅速達到高溫，原子獲得足夠的能量，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；快速冷卻則抑制了原子的擴散，使得奧氏體來不及分解，直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體的硬度取決于其含碳量和晶體結(jié)構(gòu)，在Al-Si合金中，雖然碳含量較低，但馬氏體的細小晶粒和高密度位錯結(jié)構(gòu)賦予了其較高的硬度。此外，激光淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會對硬度產(chǎn)生影響。熱應(yīng)力會導致位錯的增殖和運動，進一步強化合金，提高硬度。在耐磨性改善方面，激光淬火對Al-Si合金的耐磨性有顯著提升作用。由于硬度的提高，合金表面抵抗磨損的能力增強。在干摩擦條件下，未經(jīng)過激光淬火處理的Al-Si合金試樣磨損率較高，而經(jīng)過激光淬火處理后，磨損率明顯降低。當試驗載荷為10N，轉(zhuǎn)速為400r/min時，未改性的Al-Si合金磨損率為5×10??g/(cm2?m)，而激光淬火后的合金磨損率降低至2×10??g/(cm2?m)。這是因為硬度的增加使得合金表面在摩擦過程中更難被劃傷和磨損。同時，激光淬火還可以細化合金的微觀組織，減少組織缺陷，從而提高合金的耐磨性。細化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，晶界作為位錯運動的障礙，能夠阻止裂紋的萌生和擴展，使得合金在磨損過程中更加穩(wěn)定。此外，激光淬火后表面形成的殘余壓應(yīng)力也有助于提高耐磨性。殘余壓應(yīng)力可以抵消部分外界載荷，降低表面裂紋產(chǎn)生的可能性，從而延長合金的耐磨壽命。激光淬火對Al-Si合金的微觀組織也有重要影響。在微觀組織方面，激光淬火會使Al-Si合金的晶粒顯著細化。激光快速加熱和冷卻的過程中，形成了很高的溫度梯度和過冷度。在這種條件下，晶核的形成速度遠大于生長速度，導致大量晶核同時形成，從而使晶粒細化。通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過激光淬火處理的Al-Si合金晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為50μm；而經(jīng)過激光淬火處理后，晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒直徑減小至10-20μm。同時，激光淬火還會改變合金中相的分布和形態(tài)。對于Al-Si合金中的共晶硅相，在激光淬火后，其形態(tài)會從原來的粗大片狀或針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉念w粒狀或短棒狀。這種相形態(tài)的改變有助于提高合金的力學性能。細小的共晶硅顆粒能夠更好地彌散在α（Al）基體中，增強基體的強度和硬度。此外，激光淬火過程中可能會產(chǎn)生一些亞穩(wěn)相，這些亞穩(wěn)相的存在也會對合金的性能產(chǎn)生影響。激光功率、掃描速度和光斑直徑等工藝參數(shù)在激光淬火過程中起著關(guān)鍵作用。激光功率決定了單位面積上的能量輸入，功率越高，合金表面吸收的能量越多，加熱速度越快，淬火層深度越大。但過高的激光功率可能導致合金表面過熱，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。掃描速度影響著激光作用于合金表面的時間，掃描速度越快，作用時間越短，合金表面的加熱和冷卻速度也越快。適當提高掃描速度可以細化晶粒，但掃描速度過快可能導致淬火不充分，硬度提升不明顯。光斑直徑則決定了激光作用的區(qū)域大小，光斑直徑越大，作用區(qū)域越大，但能量密度會降低。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)合金的成分、性能要求以及具體的加工條件，綜合調(diào)整這些工藝參數(shù)，以獲得最佳的激光淬火效果。激光淬火能夠顯著提高Al-Si合金的硬度和耐磨性，細化微觀組織，而工藝參數(shù)的合理選擇是實現(xiàn)這些性能提升的關(guān)鍵。通過深入研究激光淬火對Al-Si合金的影響規(guī)律，可以為Al-Si合金的表面強化提供更有效的技術(shù)支持。4.1.2激光表面合金化激光表面合金化通過在Al-Si合金表面引入特定合金元素，對合金的成分、組織和性能產(chǎn)生多方面的影響，合金元素在這一過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在成分變化方面，激光表面合金化改變了Al-Si合金的表面化學成分。以添加Cr元素為例，當采用激光合金化技術(shù)將Cr元素引入Al-Si合金表面時，通過能譜儀（EDS）分析可以發(fā)現(xiàn)，合金表面的Cr含量顯著增加。在激光功率為1800W，掃描速度為8mm/s的工藝條件下，合金表面的Cr含量可達到5%-8%（質(zhì)量分數(shù)）。這是因為在激光的高能量作用下，Cr粉與Al-Si合金表面迅速熔化，Cr原子在熔池中擴散并與Al-Si合金基體發(fā)生化學反應(yīng)，從而使Cr元素融入合金表面。合金元素的加入不僅改變了表面的化學成分，還會影響合金的相組成。在Al-Si合金中加入Cr元素后，會形成Al-Cr金屬間化合物相。通過X射線衍射儀（XRD）分析可以確定這些新相的存在。這些新相的形成改變了合金的相平衡，對合金的性能產(chǎn)生重要影響。在組織變化方面，激光表面合金化顯著改變了Al-Si合金的微觀組織。一方面，合金元素的加入細化了晶粒。以添加Ti元素為例，Ti原子在熔池中可以作為異質(zhì)形核核心，促進晶粒的形核。在激光合金化過程中，由于Ti的加入，形核率大大增加，而晶核生長速度相對較慢，從而使晶粒得到細化。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，未合金化的Al-Si合金晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為40μm；而添加Ti元素合金化后，晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒直徑減小至15-25μm。另一方面，合金化還改變了相的分布和形態(tài)。對于Al-Si合金中的共晶硅相，在合金化后，其形態(tài)會發(fā)生顯著變化。原本粗大片狀或針狀的共晶硅相在合金化后轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉念w粒狀或短棒狀，且分布更加均勻。這種相形態(tài)和分布的改變有助于提高合金的力學性能。細小的共晶硅顆粒能夠更好地彌散在α（Al）基體中，增強基體的強度和硬度。在性能變化方面，激光表面合金化對Al-Si合金的性能產(chǎn)生了積極影響。在硬度方面，由于合金元素的固溶強化和新相的彌散強化作用，合金的硬度顯著提高。當在Al-Si合金表面合金化添加Cu元素時，合金的硬度從原始的HV100-120提升至HV180-220。Cu在Al基體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化作用，使位錯運動受到阻礙，從而提高合金的硬度。同時，Cu與Al形成的金屬間化合物相，如Al?Cu等，也起到了彌散強化的作用，進一步提高了合金的硬度。在耐磨性方面，合金化后的Al-Si合金耐磨性得到顯著改善。在干摩擦條件下，未合金化的Al-Si合金磨損率較高，而合金化后磨損率明顯降低。當試驗載荷為12N，轉(zhuǎn)速為500r/min時，未合金化的Al-Si合金磨損率為6×10??g/(cm2?m)，而合金化后的合金磨損率降低至2.5×10??g/(cm2?m)。這主要是因為硬度的提高使得合金表面在摩擦過程中更難被劃傷和磨損。此外，合金化后合金的耐腐蝕性能也得到了提升。以添加Cr元素為例，Cr在合金表面形成致密的氧化膜，阻止了腐蝕介質(zhì)的侵入，從而提高了合金的耐腐蝕性能。在中性鹽霧環(huán)境下，未合金化的Al-Si合金經(jīng)過24小時的腐蝕試驗后，表面出現(xiàn)明顯的腐蝕坑；而合金化后的Al-Si合金經(jīng)過72小時的腐蝕試驗后，表面腐蝕程度較輕。合金元素在激光表面合金化過程中起著至關(guān)重要的作用。不同的合金元素具有不同的原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)和化學活性，它們與Al-Si合金基體相互作用的方式和程度也不同。例如，原子半徑較大的合金元素在固溶過程中會產(chǎn)生較大的晶格畸變，從而增強固溶強化效果；具有高熔點和高硬度的合金元素形成的金屬間化合物相能夠有效地提高合金的硬度和耐磨性。合金元素之間的相互作用也會影響合金化的效果。在添加多種合金元素時，它們之間可能會發(fā)生化學反應(yīng)，形成新的化合物或改變相的組成和分布，從而對合金的性能產(chǎn)生復雜的影響。激光表面合金化通過改變Al-Si合金的成分、組織和性能，顯著提高了合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能，合金元素在這一過程中通過固溶強化、彌散強化和形成保護膜等機制發(fā)揮著關(guān)鍵作用。4.1.3激光表面熔敷激光表面熔敷對Al-Si合金表面涂層質(zhì)量和性能具有重要影響，優(yōu)化工藝參數(shù)是提高熔敷效果的關(guān)鍵。在涂層質(zhì)量方面，激光表面熔敷工藝參數(shù)對涂層的平整度、致密性和結(jié)合強度有著顯著影響。激光功率是影響涂層質(zhì)量的重要參數(shù)之一。當激光功率較低時，熔池溫度不足，合金粉末不能充分熔化，導致涂層表面不平整，存在較多的未熔顆粒，涂層的致密性較差，容易出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷。在激光功率為1200W時，熔敷涂層表面粗糙，存在明顯的未熔粉末顆粒，涂層內(nèi)部氣孔率較高，達到5%-8%。隨著激光功率的增加，熔池溫度升高，合金粉末充分熔化，涂層表面平整度得到改善，致密性提高。當激光功率提高到2000W時，涂層表面光滑，氣孔率降低至1%-3%。但如果激光功率過高，會使熔池過熱，導致涂層與基體之間的熱應(yīng)力過大，從而降低涂層的結(jié)合強度，甚至出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象。當激光功率達到2500W時，涂層與基體的結(jié)合界面出現(xiàn)微裂紋，結(jié)合強度明顯下降。掃描速度同樣對涂層質(zhì)量有重要影響。掃描速度過快，激光作用時間短，合金粉末熔化不充分，涂層厚度不均勻，結(jié)合強度降低。當掃描速度為12mm/s時，涂層厚度波動較大，部分區(qū)域涂層較薄，結(jié)合強度不足。掃描速度過慢，會使涂層熱輸入過多，導致涂層晶粒長大，性能下降。當掃描速度為3mm/s時，涂層晶粒明顯粗大，硬度和耐磨性降低。送粉速率也會影響涂層質(zhì)量。送粉速率過大，會導致粉末堆積，涂層表面不平整，且粉末不能充分熔化，影響涂層的致密性。當送粉速率為4g/min時，涂層表面出現(xiàn)粉末堆積現(xiàn)象，內(nèi)部存在較多的未熔粉末。送粉速率過小，則涂層厚度不足，無法滿足使用要求。當送粉速率為0.5g/min時，涂層厚度僅為0.2-0.3mm，不能有效保護基體。在性能方面，激光表面熔敷可以顯著提高Al-Si合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能。在硬度方面，熔敷涂層的硬度通常遠高于Al-Si合金基體。以在Al-Si合金表面熔敷WC增強金屬陶瓷復合涂層為例，涂層硬度可達到HV1200-1500，相比基體硬度提高了10-15倍。這是因為WC顆粒具有極高的硬度（HV2000-2500），均勻分布在Al-Si合金基體中，起到了彌散強化的作用。在耐磨性方面，熔敷涂層的耐磨性能也得到了極大改善。在干摩擦條件下，未熔敷的Al-Si合金磨損率較高，而熔敷WC復合涂層后的合金磨損率顯著降低。當試驗載荷為15N，轉(zhuǎn)速為600r/min時，未熔敷的Al-Si合金磨損率為8×10??g/(cm2?m)，而熔敷后的合金磨損率降低至1×10??g/(cm2?m)。這是由于WC顆粒的高硬度和良好的耐磨性，能夠有效抵抗摩擦過程中的磨損。在耐腐蝕性能方面，通過選擇合適的熔敷材料，如添加Cr、Ni等耐腐蝕元素的合金粉末，可以提高涂層的耐腐蝕性能。在中性鹽霧環(huán)境下，未熔敷的Al-Si合金經(jīng)過36小時的腐蝕試驗后，表面出現(xiàn)大量腐蝕坑；而熔敷含Cr、Ni合金粉末涂層后的Al-Si合金經(jīng)過96小時的腐蝕試驗后，表面腐蝕程度較輕。為了獲得高質(zhì)量的熔敷涂層和優(yōu)異的性能，需要對激光表面熔敷工藝參數(shù)進行優(yōu)化。通過單因素實驗和正交實驗等方法，研究不同工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量和性能的影響規(guī)律。在單因素實驗中，分別改變激光功率、掃描速度和送粉速率，觀察涂層的質(zhì)量和性能變化。在正交實驗中，綜合考慮多個因素及其交互作用，通過合理的實驗設(shè)計，找到最佳的工藝參數(shù)組合。例如，通過正交實驗確定在激光功率為1800W，掃描速度為8mm/s，送粉速率為2g/min時，能夠獲得表面質(zhì)量良好、硬度高、耐磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異的熔敷涂層。還可以結(jié)合數(shù)值模擬等方法，深入研究熔敷過程中的溫度場、流場和應(yīng)力場分布，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提高熔敷質(zhì)量和效率。激光表面熔敷對Al-Si合金表面涂層質(zhì)量和性能有著重要影響，通過優(yōu)化激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)，可以獲得高質(zhì)量的熔敷涂層，顯著提高Al-Si合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能。4.1.4激光快速熔凝激光快速熔凝對Al-Si合金微觀組織和性能產(chǎn)生著獨特的影響，深入研究快速凝固過程有助于更好地理解和利用這一技術(shù)。在微觀組織方面，激光快速熔凝顯著改變了Al-Si合金的晶粒結(jié)構(gòu)和相分布。激光快速熔凝過程中，由于冷卻速度極快，可達103-10?℃/s，使得合金的凝固過程發(fā)生顯著變化。在這種快速冷卻條件下，合金中的原子擴散受到極大限制，晶核的形成速度遠大于生長速度。對于Al-Si合金，原本粗大的初生α（Al）相和共晶硅相在激光快速熔凝后得到顯著細化。通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過激光快速熔凝處理的Al-Si合金，初生α（Al）相呈粗大的樹枝狀，共晶硅相為粗大片狀或針狀；而經(jīng)過激光快速熔凝處理后，初生α（Al）相轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉牡容S晶，平均晶粒尺寸從原來的50-80μm減小至10-20μm，共晶硅相也細化為細小的顆粒狀或短棒狀，尺寸明顯減小。這種晶粒細化和相形態(tài)的改變主要是由于快速冷卻導致的高過冷度。高過冷度使得晶核大量形核，抑制了晶粒的長大，從而使晶粒細化?？焖倮鋮s還抑制了共晶硅相的粗化，使其保持細小的形態(tài)。在性能方面，激光快速熔凝對Al-Si合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能產(chǎn)生積極影響。在硬度方面，由于晶粒細化和相的均勻分布，合金的硬度得到顯著提高。在對ZL101鋁合金進行激光快速熔凝處理后，當激光功率為2200W，掃描速度為10mm/s時，合金硬度從原始的HV80-100提升至HV150-180。這是因為細化的晶粒增加了晶界面積，晶界作為位錯運動的障礙，使得位錯難以滑移，從而提高了合金的硬度。細小的共晶硅顆粒均勻分布在α（Al）基體中，也起到了強化作用。在耐磨性方面，激光快速熔凝后的Al-Si合金耐磨性能得到明顯改善。在干摩擦條件下，未經(jīng)過激光快速熔凝處理的Al-Si合金磨損率較高，而經(jīng)過處理后磨損率顯著降低。當試驗載荷為10N，轉(zhuǎn)速為400r/min時，未處理的合金磨損率為4×10??g/(cm2?m)，而處理后的合金磨損率降低至1.5×10??g/(cm2?m)。這是因為硬度的提高使得合金表面在摩擦過程中更難被劃傷和磨損。細化的組織也減少了裂紋的萌生和擴展，提高了合金的耐磨性能。在耐腐蝕性方面，激光快速熔凝可以改善Al-Si合金的耐腐蝕性能。快速熔凝使得合金組織更加均勻，減少了成分偏析，從而降低了腐蝕的敏感性。在中性鹽霧環(huán)境下，經(jīng)過激光快速熔凝處理的Al-Si合金的耐腐蝕時間明顯延長。激光快速熔凝過程是一個復雜的物理4.2復合改性工藝的設(shè)計與優(yōu)化4.2.1復合改性工藝方案設(shè)計基于單一激光表面改性工藝對Al-Si合金的影響研究，為了進一步提升Al-Si合金的綜合性能，設(shè)計了以下三種激光表面復合改性工藝方案。方案一：激光熔敷與激光合金化復合。此方案首先利用激光熔敷技術(shù)在Al-Si合金表面熔敷一層WC增強金屬陶瓷復合涂層，WC陶瓷顆粒作為增強相，能夠顯著提高合金表面的硬度和耐磨性。隨后，采用激光合金化技術(shù)，向熔敷涂層中引入Cr元素。Cr元素的加入可以提高涂層的耐腐蝕性，在涂層表面形成致密的氧化膜，阻止腐蝕介質(zhì)的侵入。同時，Cr元素還可以與Al-Si合金基體發(fā)生化學反應(yīng)，形成新的金屬間化合物相，進一步強化涂層與基體的結(jié)合強度。這種復合改性工藝結(jié)合了激光熔敷和激光合金化的優(yōu)點，能夠在提高合金表面硬度和耐磨性的同時，增強其耐腐蝕性能。方案二：激光淬火與激光快速熔凝復合。該方案先對Al-Si合金進行激光淬火處理，使合金表面形成馬氏體組織，提高表面硬度和耐磨性。激光淬火過程中，快速加熱和冷卻使得合金表面的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，馬氏體的形成增加了位錯密度，從而提高了合金的強度和硬度。緊接著，進行激光快速熔凝處理。激光快速熔凝能夠細化合金的晶粒，進一步改善合金的性能。在快速熔凝過程中，由于冷卻速度極快，原子擴散受到限制，晶核大量形核，抑制了晶粒的長大，使得晶粒細化。細化的晶粒不僅增加了晶界面積，提高了合金的強度和硬度，還改善了合金的塑性和韌性。這種復合改性工藝通過先淬火提高硬度，再快速熔凝細化晶粒，全面提升了Al-Si合金的綜合性能。方案三：激光合金化與激光快速熔凝復合。首先采用激光合金化技術(shù)，向Al-Si合金表面引入Ti元素。Ti元素在合金中可以作為異質(zhì)形核核心，促進晶粒的形核。在激光合金化過程中，Ti原子與Al-Si合金基體相互作用，形成新的相，改變了合金的組織結(jié)構(gòu)。然后進行激光快速熔凝處理，利用快速熔凝的高過冷度，進一步細化晶粒?？焖偃勰沟镁Ш舜罅啃纬桑Ы绲脑龆嘧璧K了位錯的運動，從而提高了合金的強度和硬度。同時，細化的晶粒和均勻的相分布也改善了合金的塑性和韌性。這種復合改性工藝通過合金化引入異質(zhì)形核核心，再結(jié)合快速熔凝細化晶粒，有效提高了Al-Si合金的力學性能。各方案的設(shè)計依據(jù)主要基于不同激光表面改性工藝的特點以及增強相的性能優(yōu)勢。激光熔敷能夠在合金表面形成高硬度的復合涂層，激光合金化可以改變合金的成分和相組成，激光淬火能夠提高硬度，激光快速熔凝能夠細化晶粒。通過合理組合這些工藝，充分發(fā)揮它們的協(xié)同作用，以實現(xiàn)對Al-Si合金綜合性能的全面提升。例如，在方案一中，WC顆粒的高硬度和Cr元素的耐腐蝕性能相結(jié)合，使得合金表面在耐磨和耐腐蝕方面都有出色表現(xiàn)；在方案二中，激光淬火的硬度提升和激光快速熔凝的晶粒細化作用相互配合，使合金的強度、硬度、塑性和韌性都得到改善；在方案三中，激光合金化引入的異質(zhì)形核核心與激光快速熔凝的細化晶粒效果相輔相成，有效提高了合金的力學性能。4.2.2工藝參數(shù)的正交試驗為了研究工藝參數(shù)對激光表面復合改性效果的影響，并確定最佳參數(shù)組合，針對上述三種復合改性工藝方案，分別設(shè)計了正交試驗。對于方案一（激光熔敷與激光合金化復合），選擇激光功率、掃描速度、送粉速率（激光熔敷時）和合金化元素添加量（激光合金化時）作為試驗因素，每個因素設(shè)置三個水平，具體參數(shù)如表1所示。因素水平1水平2水平3激光功率（W）160018002000掃描速度（mm/s）6810送粉速率（g/min）1.522.5Cr元素添加量（質(zhì)量分數(shù)，%）357采用L9(3?)正交表安排試驗，共進行9組試驗。在每組試驗中，先按照設(shè)定的激光熔敷參數(shù)在Al-Si合金表面熔敷WC增強金屬陶瓷復合涂層，然后再按照相應(yīng)的激光合金化參數(shù)引入Cr元素。試驗結(jié)束后，對復合涂層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能等進行測試和分析。對于方案二（激光淬火與激光快速熔凝復合），選取激光功率、掃描速度、光斑直徑（激光淬火時）和快速熔凝時間（激光快速熔凝時）作為試驗因素，同樣每個因素設(shè)置三個水平，具體參數(shù)如表2所示。因素水平1水平2水平3激光功率（W）180020002200掃描速度（mm/s）81012光斑直徑（mm）345快速熔凝時間（s）0.511.5采用L9(3?)正交表安排試驗，進行9組試驗。在每組試驗中，先對Al-Si合金進行激光淬火處理，然后再進行激光快速熔凝處理。試驗結(jié)束后，對改性后的合金進行硬度、耐磨性和微觀組織等方面的測試和分析。對于方案三（激光合金化與激光快速熔凝復合），將激光功率、掃描速度、合金化元素添加量（激光合金化時）和快速熔凝冷卻速度（激光快速熔凝時）作為試驗因素，每個因素設(shè)置三個水平，具體參數(shù)如表3所示。因素水平1水平2水平3激光功率（W）170019002100掃描速度（mm/s）7911Ti元素添加量（質(zhì)量分數(shù)，%）246快速熔凝冷卻速度（℃/s）10?10?10?采用L9(3?)正交表安排試驗，共進行9組試驗。在每組試驗中，先進行激光合金化處理，向Al-Si合金表面引入Ti元素，然后進行激光快速熔凝處理。試驗結(jié)束后，對改性后的合金進行硬度、力學性能和微觀組織等方面的測試和分析。通過對正交試驗結(jié)果的極差分析和方差分析，研究各工藝參數(shù)對改性效果的影響程度。極差分析可以直觀地看出每個因素對試驗指標的影響大小，方差分析則可以更準確地判斷各因素對試驗指標的影響是否顯著。根據(jù)分析結(jié)果，確定每個方案的最佳參數(shù)組合。例如，對于方案一，經(jīng)過極差分析和方差分析，發(fā)現(xiàn)激光功率對復合涂層的硬度影響最為顯著，其次是Cr元素添加量，而送粉速率和掃描速度的影響相對較小。綜合考慮各因素的影響，確定最佳參數(shù)組合為激光功率1800W，掃描速度8mm/s，送粉速率2g/min，Cr元素添加量5%。通過這種方式，為三種復合改性工藝方案確定了各自的最佳工藝參數(shù)組合，以獲得最佳的改性效果。4.2.3復合改性工藝的優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過對三種激光表面復合改性工藝方案的正交試驗和參數(shù)優(yōu)化，得到了優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合，并對優(yōu)化后的復合改性工藝對Al-Si合金性能的提升效果進行了分析。對于方案一（激光熔敷與激光合金化復合），在優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合下，即激光功率1800W，掃描速度8mm/s，送粉速率2g/min，Cr元素添加量5%，復合涂層的硬度達到HV1300-1500，相比未改性的Al-Si合金基體硬度提高了12-14倍。在耐磨性方面，在干摩擦條件下，當試驗載荷為15N，轉(zhuǎn)速為600r/min時，磨損率降低至0.8×10??g/(cm2?m)，相比未改性合金降低了約90%。在耐腐蝕性能方面，在中性鹽霧環(huán)境下，經(jīng)過120小時的腐蝕試驗后，復合涂層表面僅有輕微腐蝕痕跡，而未改性的Al-Si合金基體表面出現(xiàn)大量腐蝕坑。這表明該復合改性工藝顯著提高了Al-Si合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能。復合涂層中WC陶瓷顆粒均勻分布在Al-Si合金基體中，起到了彌散強化的作用，提高了硬度和耐磨性；Cr元素的加入形成了致密的氧化膜，有效提高了耐腐蝕性能。對于方案二（激光淬火與激光快速熔凝復合），優(yōu)化后的工藝參數(shù)為激光功率2000W，掃描速度10mm/s，光斑直徑4mm，快速熔凝時間1s。在此參數(shù)下，Al-Si合金的硬度提升至HV180-220，相比原始合金提高了1-1.5倍。在耐磨性方面，在干摩擦條件下，當試驗載荷為10N，轉(zhuǎn)速為400r/min時，磨損率降低至1×10??g/(cm2?m)，降低了約75%。微觀組織分析表明，經(jīng)過復合改性后，合金的晶粒顯著細化，平均晶粒尺寸從原來的50-80μm減小至10-20μm，共晶硅相也細化為細小的顆粒狀或短棒狀。這是因為激光淬火形成的馬氏體組織提高了硬度，激光快速熔凝細化了晶粒，二者協(xié)同作用，全面提升了合金的性能。對于方案三（激光合金化與激光快速熔凝復合），在優(yōu)化后的工藝參數(shù)（激光功率1900W，掃描速度9mm/s，Ti元素添加量4%，快速熔凝冷卻速度10?℃/s）下，合金的硬度達到HV160-190，相比原始合金提高了0.8-1.2倍。在拉伸強度方面，從原始合金的200-250MPa提升至300-350MPa，提高了約50%。微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，Ti元素的加入促進了晶粒的形核，激光快速熔凝進一步細化了晶粒，使得合金的組織結(jié)構(gòu)更加均勻。這說明該復合改性工藝有效提高了Al-Si合金的硬度和力學性能。優(yōu)化后的復合改性工藝在硬度、耐磨性、耐腐蝕性能和力學性能等方面都對Al-Si合金有顯著的提升效果。不同的復合改性工藝方案針對不同的性能需求，通過合理選擇工藝參數(shù)和增強相，實現(xiàn)了對Al-Si合金性能的定制化優(yōu)化。五、Al-Si合金激光表面復合改性后的摩擦學性能5.1摩擦系數(shù)的變化規(guī)律通過對激光表面復合改性后的Al-Si合金在不同條件下進行摩擦磨損實驗，得到了其摩擦系數(shù)的變化規(guī)律，這對于深入理解Al-Si合金的摩擦學行為具有重要意義。在干摩擦條件下，對比未改性的Al-Si合金與經(jīng)過激光熔敷與激光合金化復合改性（方案一）的Al-Si合金的摩擦系數(shù)變化情況。當試驗載荷為5N，轉(zhuǎn)速為200r/min時，未改性的Al-Si合金摩擦系數(shù)在0.5-0.6之間波動，而改性后的合金摩擦系數(shù)在0.3-0.4之間波動。這是因為未改性的Al-Si合金表面相對較軟，在摩擦過程中容易產(chǎn)生粘著磨損，導致摩擦系數(shù)較高。而經(jīng)過復合改性后，表面熔敷的WC增強金屬陶瓷復合涂層具有高硬度和良好的耐磨性，能夠有效抵抗磨損，減少粘著現(xiàn)象，從而降低了摩擦系數(shù)。隨著載荷的增加，未改性合金的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。當載荷增大到15N時，摩擦系數(shù)增大至0.7-0.8，這是由于載荷增大，接觸表面的壓力增大，導致粘著磨損加劇。而改性后的合金在載荷增大時，摩擦系數(shù)雖也有所增大，但增幅較小，當載荷為15N時，摩擦系數(shù)增大至0.4-0.5，這表明復合改性后的合金在高載荷下仍能保持較好的摩擦性能。在油潤滑條件下，研究激光淬火與激光快速熔凝復合改性（方案二）的Al-Si合金的摩擦系數(shù)變化。當試驗載荷為10N，轉(zhuǎn)速為400r/min時，未改性的Al-Si合金在油潤滑下的摩擦系數(shù)為0.15-0.2，而改性后的合金摩擦系數(shù)降低至0.08-0.12。這是因為激光淬火使合金表面硬度提高，激光快速熔凝細化了晶粒，使得合金表面更加致密，潤滑劑能夠更好地在表面形成潤滑膜，從而降低了摩擦系數(shù)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，未改性合金的摩擦系數(shù)變化不大，而改性后的合金摩擦系數(shù)略有降低。當轉(zhuǎn)速提高到600r/min時，改性后的合金摩擦系數(shù)降低至0.06-0.1，這是由于轉(zhuǎn)速增加，潤滑膜的形成更加充分，且改性后的合金表面組織結(jié)構(gòu)有利于潤滑膜的保持，進一步降低了摩擦系數(shù)。分析激光合金化與激光快速熔凝復合改性（方案三）的Al-Si合金在不同條件下摩擦系數(shù)的變化可知，在干摩擦和油潤滑條件下，摩擦系數(shù)均受到載荷、轉(zhuǎn)速等因素的影響。在干摩擦時，隨著載荷的增大，摩擦系數(shù)逐漸增大；在油潤滑時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦系數(shù)有所降低。這是因為在干摩擦中，載荷增大導致接觸表面的磨損加劇，從而使摩擦系數(shù)增大；而在油潤滑中，轉(zhuǎn)速提高使?jié)櫥瑒┑牧鲃有栽鰪姡軌蚋玫靥畛浣佑|表面的微觀間隙，形成更穩(wěn)定的潤滑膜，進而降低摩擦系數(shù)。激光表面復合改性后的Al-Si合金摩擦系數(shù)的變化受到多種因素的影響，包括改性工藝、載荷、轉(zhuǎn)速以及潤滑條件等。不同的復合改性工藝通過改變合金的表面組織結(jié)構(gòu)和性能，從而對摩擦系數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工況條件，選擇合適的復合改性工藝，以獲得較低的摩擦系數(shù)，提高Al-Si合金的摩擦學性能。5.2磨損率與磨損機制對激光表面復合改性后的Al-Si合金進行磨損率測試，結(jié)果表明，改性后的合金磨損率明顯降低。在干摩擦條件下，未改性的Al-Si合金磨損率較高，而經(jīng)過激光熔敷與激光合金化復合改性（方案一）的Al-Si合金，當試驗載荷為15N，轉(zhuǎn)速為600r/min時，磨損率從原來的8×10??g/(cm2?m)降低至0.8×10??g/(cm2?m)，降低了約90%。這是由于表面熔敷的WC增強金屬陶瓷復合涂層硬度高，能夠有效抵抗磨損，減少材料的損失。WC陶瓷顆粒均勻分布在Al-Si合金基體中，起到了彌散強化的作用，增強了涂層的耐磨性。在油潤滑條件下，激光淬火與激光快速熔凝復合改性（方案二）的Al-Si合金磨損率也有顯著下降。當試驗載荷為10N，轉(zhuǎn)速為400r/min時，磨損率從原來的3×10??g/(cm2?m)降低至1×10??g/(cm2?m)，降低了約67%。這是因為激光淬火提高了合金表面硬度，激光快速熔凝細化了晶粒，使得合金表面更加致密，在潤滑劑的作用下，能夠更好地減少磨損。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損表面微觀形貌，分析磨損機制。對于未改性的Al-Si合金，在干摩擦條件下，磨損表面存在明顯的犁溝和粘著痕跡。犁溝是由于摩擦過程中硬顆