激光熔覆改善材料性能研究范文

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《激光與紅外》2017年第5期

摘要：闡述了采用激光熔覆進(jìn)行表面改性的研究進(jìn)展，主要從激光熔覆提高基體材料的耐磨、耐蝕、抗氧化性等方面進(jìn)行介紹。并將其與傳統(tǒng)的熱噴涂表面改性方法進(jìn)行了對比。同時介紹了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。總體而言，激光熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；熔覆層的厚度可控制；激光熔覆層氣孔少、組織致密。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；表面改性；耐磨性

激光熔覆是一種涉及物理、冶金、材料學(xué)等領(lǐng)域的材料加工與表面改性技術(shù)，其技術(shù)手段是通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料及基材表層一起熔凝，形成與基材表面為冶金結(jié)合的表面熔覆層[1]，在制備耐磨、耐蝕、抗氧化、熱障涂層方面都獲得了一些成功的應(yīng)用[2-4]。激光熔覆是一種非常重要的材料表面改性技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益較高且發(fā)展迅速。它可以使廉價(jià)的低性能金屬表面具有貴重的高性能合金表面的性能，以降低材料的成本，減少能源消耗，提高金屬零件的使用壽命[5-7]。激光熔覆技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，1976年美國的DSGnanamuthu獲得了激光熔覆一層金屬于另一種金屬基體上的熔覆方法專利。1981年，公司利用激光熔覆，在發(fā)動機(jī)葉輪片上熔覆鈷基合金，提高了其耐磨性。經(jīng)過30余年的發(fā)展，激光熔覆已成為材料表面工程領(lǐng)域研究的熱門課題，被廣泛地用于航空航天、石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、模具等領(lǐng)域[8]。本文從激光熔覆技術(shù)改善基體耐磨、耐蝕、抗氧化性等性能方面進(jìn)行了闡述，通過與熱噴涂技術(shù)的對比得到了激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢并介紹了激光熔覆技術(shù)目前的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1激光熔覆改善基體性能研究

不銹鋼、鈦合金等金屬由于在特定條件下耐磨性、耐蝕性差等缺點(diǎn)制約其在工業(yè)工程中的應(yīng)用。利用激光熔覆技術(shù)可在這些金屬基體上制備出耐磨、耐蝕、抗氧化、熱障涂層和具有一些特殊性能的表面熔覆層。

1.1激光熔覆改善基體耐磨性研究

鈦及其合金被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、化工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于其具有優(yōu)異的綜合性能，如高的強(qiáng)度質(zhì)量比、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的熱導(dǎo)率以及生物相容性。然而，鈦合金的摩擦學(xué)性能差，尤其是在高溫時摩擦系數(shù)大，限制了其應(yīng)用范圍[9-10]。因此有很多學(xué)者對增強(qiáng)鈦合金的耐磨性做了大量研究。石墨、二硫化鉬等常見的固體潤滑劑具有極易滑動的解理面，受到剪切力時易發(fā)生晶間滑移，滑動過程中的摩擦系數(shù)較低。楊膠溪等[11]利用激光熔覆技術(shù)在TC4基材表面制備TC4/Ni/MoS2復(fù)合材料。研究了室溫和400℃下激光熔覆層的耐磨性。得出結(jié)論：在400℃下，由于MoS2的自潤滑性能，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)達(dá)到0.06；涂層的磨損量顯著減少，比基體降低了將近10倍。但是這類固體潤滑劑在高于450℃時發(fā)生氧化，潤滑性能會很快失效。而hBN由于具有良好的高溫穩(wěn)定性和潤滑性，而且硬度較高，摩擦過程中不易破碎，在溫度高于400℃時被廣泛應(yīng)用。

任佳等[12]以Ni60和hBN為原料，采用激光熔覆在鈦合金（Ti6Al4V）基體上制備出了以鎳基固溶體為增韌相，TiC、TiB2、CrB等為耐磨增強(qiáng)相，hBN為固體潤滑劑的自潤滑耐磨復(fù)合涂層。研究了以Si3N4陶瓷球?yàn)閷ε技煌d荷下的干滑動摩擦磨損性能。結(jié)果表明：涂層硬度提高，由于碳化物硼化物硬質(zhì)相的存在，降低了涂層與對偶件的粘著傾向，使復(fù)合涂層具有較低的磨損率。同時hBN在力的作用下鋪展于摩擦表面使摩擦副之間形成了潤滑轉(zhuǎn)移膜，保持力學(xué)性能的同時降低了涂層的摩擦系數(shù)。吳少華等[13]利用激光熔覆在鈦合金基體上制備了酌-NiCrAlTi/TiC/CaF2自潤滑耐磨復(fù)合涂層，研究了鈦合金和復(fù)合涂層在室溫和高溫（300、600℃）下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：復(fù)合涂層以鎳基固溶體為增韌相，碳化物為增強(qiáng)相均勻分布于涂層中，復(fù)合涂層硬度大大提高，在室溫下具有較低的摩擦系數(shù)，高溫下表面生成的氧化膜起到了潤滑作用。XiaoLongLu等[14]利用激光熔覆技術(shù)在Ti6Al4V基體上制備出了Ni60-hBN涂層。研究了在5N載荷下不同溫度、hBN含量不同時涂層的摩擦學(xué)性能。

結(jié)果表明：鎳基增韌相在高溫時變軟，與硬的Si3N4球配副時發(fā)生粘著磨損，涂層的摩擦系數(shù)較高。在加入hBN后生成的TiB2、TiC相和hBN固體潤滑劑共同作用下改善了其摩擦學(xué)性能。以上的研究表明，硬質(zhì)相的生成可提高涂層的硬度。可以外加硬質(zhì)陶瓷相提高硬度以減少摩擦表面的粘著磨損從而降低摩擦系數(shù)，但是在重載作用下陶瓷顆粒可能會脫離基體，相容性較差。因此現(xiàn)在的研究大都通過與熔池中的元素反應(yīng)原位生成增強(qiáng)相，起到強(qiáng)韌復(fù)合涂層的作用。少量六方氮化硼hBN的加入使涂層在高溫（>400℃）時具有良好的耐磨性；而金屬氟化物在高溫下也有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能；MoS2的加入使其在中溫下有顯著地自潤滑性能，降低了涂層的摩擦系數(shù)。在今后的研究中學(xué)者可以同時復(fù)配低、中、高溫段固體潤滑劑，這樣在一個很寬的溫度范圍(25℃～1000℃)內(nèi)涂層材料的摩擦磨損性能可能會大大提高。此外還有學(xué)者對其它金屬基體的耐磨性做了大量研究。

ShitangZhang等[15]采用激光熔覆在1Cr18Ni9Ti基體上制備了Ni/hBN涂層，并與Si3N4陶瓷配副。研究了100N載荷下從室溫到800℃下的摩擦學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)呈下降趨勢，當(dāng)溫度為800℃時，摩擦系數(shù)最低為0.25；600℃時磨損率最小為0.1伊10-7g/Nm。總的來說，激光熔覆鎳基合金并添加一定的潤滑劑可在提高硬度保證材料力學(xué)性能的同時有效降低基體的摩擦系數(shù)和磨損率。激光熔覆材料除鎳基粉末外還有鈷基、鐵基、陶瓷粉末。有學(xué)者在不銹鋼表面激光熔覆Co基、Fe基合金粉末，使基體的硬度和耐磨性提高，同時也改善了其在特定環(huán)境中的耐腐蝕性。但是Co基合金成本較高，F(xiàn)e基合金中Cr元素含量較低，其抗氧化性差。陶瓷粉末由于具有好的耐磨、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫性也常被用來制作高溫耐磨涂層。此外，激光熔覆專用粉末的開發(fā)也成為了當(dāng)下的發(fā)展趨勢，在保持材料硬度的情況下有效的降低了熔覆層的開裂問題。

1.2激光熔覆改善基體耐蝕性研究

在特定的環(huán)境中，比如海洋環(huán)境、酸堿溶液中，零件表面的失效形式主要是腐蝕，這就導(dǎo)致了零件報(bào)廢甚至整個機(jī)器的故障。腐蝕給造成的經(jīng)濟(jì)損失慘重，故在特定環(huán)境中對零部件的保護(hù)尤為重要[16]。楊寧等[17]在45鋼基體表面制備出了VC-WC-W2C顆粒增強(qiáng)鎳基熔覆層，涂層厚度0.8～1.0mm，并采用靜態(tài)浸泡法研究該熔覆層在10%H2SO4溶液中的腐蝕性。得出結(jié)論：不同V2O5垣WO3垣C含量的鎳基熔覆層在硫酸溶液中的耐蝕性均較好。楊曉紅等[18]利用同步送粉法，在45鋼表面激光熔覆Ni35合金粉末。研究了在3.5wt%NaCl溶液中，45鋼基體與Ni35熔覆層的電化學(xué)性能。結(jié)果表明：在NaCl溶液中，Ni35熔覆層的腐蝕電位為-0.896V，基體的腐蝕電位為-1.006V，熔覆層的自腐蝕電流密度為1.096A/m2，基體自腐蝕電流密度為1.685A/m2，耐腐蝕性較基體大大提高且腐蝕速率要低于基體。郭士銳等[19]在不銹鋼基體上激光熔覆Co基合金。利用氣蝕裝置對熔覆后的試樣和基體進(jìn)行分析。經(jīng)激光熔覆后的試樣表面抗氣蝕性能較基體提高了2.7倍，氣蝕累計(jì)質(zhì)量損失僅為基體的36.8%。綜上，激光熔覆耐蝕涂層以Ni基自熔合金或不銹鋼及以它們?yōu)榛慕饘偬沾蓮?fù)合涂層材料為主，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。此外，由于稀土或稀土氧化物可以細(xì)化晶粒、改善基體的抗腐蝕能力，同時還可以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低涂層孔隙率。因此，學(xué)者可以通過激光熔覆技術(shù)制備含稀土氧化物的復(fù)合涂層以提高耐腐蝕性能。

1.3激光熔覆改善基體抗氧化性研究

韋子運(yùn)等[20]采用NiCoCrAlY合金粉末在GH4037合金表面激光熔覆制備了納米SiC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層，進(jìn)行了高溫抗氧化性試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入適量納米SiC顆粒涂層在高溫時氧化增重比未加入SiC緩慢，這是因?yàn)榧す馊鄹矊又旅艿难趸ぬ岣吡丝箘兟淠芰Α埶傻萚21]在2Cr13鋼表面激光熔覆鈷基稀土合金涂層時，將稀土元素釔加到熔覆層中，熔覆層經(jīng)氧化處理增重是未加釔的1/4。由此得出，加入釔明顯地改善了熔覆層的高溫抗氧化性能。ZhangXiaowei等[22]在Ti6Al4V基體上激光熔覆Ti/AlN混合粉末生成TiN/Ti3Al復(fù)合涂層。研究了Ti、AlN在不同的摩爾比下，600、800℃時涂層的抗氧化性。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)Ti、AlN摩爾比為4:1時，涂層表面更均勻致密；在此摩爾比之下，600℃時涂層的相對抗氧化性為6.83，800℃時為1.94，相比于基體的1.0，其抗氧化性大大提高。總的來說，為了提高高溫抗氧化性能，熱障涂層是目前的發(fā)展趨勢，它是以MCrAlY為連接底層，M代表鐵、鈷、鎳三種金屬中的一種或兩種，以ZrO2為表面隔熱層，兼有良好抗熱腐蝕性能和隔熱性能。為了提高其穩(wěn)定性，也加有適量的氧化釔、氧化鎂或氧化鈣。越來越多的學(xué)者研究金屬/陶瓷梯度涂層作為隔熱涂層運(yùn)用在工業(yè)中。這種功能梯度涂層使元素含量逐層改變，減小了熔覆層材料和金屬基體之間的膨脹系數(shù)、潤濕性等方面的差異，降低了裂紋的產(chǎn)生。

2激光熔覆與熱噴涂法的比較

熱噴涂技術(shù)是表面改性技術(shù)的重要組成部分之一，它是利用熱源將噴涂材料加熱熔融或軟化，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，制造一個特殊的工作表面(厚度為十微米至百微米級)，使其具有耐磨減摩、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電等一系列多種功能[23]。馮旭東等[24]在Q235基體上利用火焰噴涂法制備了Ni25合金涂層，再采用激光熔覆重熔涂層，通過SEM觀察得到激光熔覆層質(zhì)量良好，基本無裂紋和氣孔，組織致密晶粒細(xì)小；而熱噴涂層有明顯的孔洞，結(jié)合界面的質(zhì)量差。激光熔覆層的硬度明顯高于熱噴涂層的硬度。馬文有等[25]在銅合金表面先等離子噴涂鎳基合金粉末，再進(jìn)行激光重熔，在室溫時以45鋼為對磨件進(jìn)行銷盤磨損試驗(yàn)。

結(jié)果表明：熱噴涂層近似呈層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合不致密，并有少量孔洞及裂紋出現(xiàn)，熱噴涂層的耐磨性提高了5倍，經(jīng)重熔后缺陷消失，與基體呈冶金結(jié)合，耐磨性提高了10倍。李剛等[26]在38CrMoAl基體上分別用激光熔覆與氧乙炔火焰噴涂制備NiCrBSi+25%WC合金涂層。通過對比可知激光熔覆涂層致密無氣孔、熔覆層對基體的熱影響較小且基體上存在彌散相，涂層的耐磨性大大增加；相反熱噴涂涂層中有氣孔、夾雜缺陷，涂層對基體的熱影響較大，容易引起基體工件的變形，硬度也稍低于激光熔覆層。與熱噴涂技術(shù)相比可知，激光熔覆層與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，涂層強(qiáng)度較高，不易使工件變形，而且目前大力開展的梯度涂層可以設(shè)計(jì)涂層的成分和結(jié)構(gòu)。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：該技術(shù)存在的一些問題，熔覆層的質(zhì)量不易控制，表面會產(chǎn)生裂紋，所以這就要求熔覆層與基體材料的熱膨脹系數(shù)要無限接近，雖然可以通過預(yù)熱及后熱的方法減少裂紋，但是該方法不能從根本上改善此問題，因此很多學(xué)者研究開發(fā)專用的激光熔覆材料。熔覆工藝參數(shù)不易控制，很多學(xué)者也通過大量實(shí)驗(yàn)來尋找使基體達(dá)到最好性能時的熔覆功率、掃描速度等，可通過計(jì)算機(jī)模擬來節(jié)省試驗(yàn)時間。同時對激光熔覆成型理論的研究尚須進(jìn)一步完善，熔池固液界面的溫度梯度及冷卻速度對材料組織和性能影響較大，因此對熔池尺寸和溫度的模擬也成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

3激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著工業(yè)技術(shù)要求的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)葉片、軸類零件、齒輪類零件等的工作溫度環(huán)境要求也越來越高，零件失效和報(bào)廢的速度越來越快[27]。如果可對表面損傷的零件進(jìn)行修復(fù)，可以提高零件的利用率、減少經(jīng)濟(jì)損失。由于激光熔覆技術(shù)具有一系列優(yōu)良的性能，因此該技術(shù)被廣泛地用于零部件的修復(fù)中。張松等[28]將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)葉片表面的強(qiáng)化。即在15MnV鋼葉片上激光熔覆鎳基WC合金粉末，得到的涂層組織致密均勻，與基體結(jié)合良好，耐磨性和耐腐蝕性大大提高。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，原15MnV鋼葉片運(yùn)行總時間為800h，激光熔覆處理的葉片運(yùn)行總時間不低于3200h，壽命提高了4倍以上。宮新勇[29]對受損TC11鈦合金整體葉片盤的斷裂葉片實(shí)施激光熔覆沉積修復(fù)。修復(fù)后的葉輪經(jīng)仿形加工、無損檢測、動平衡校驗(yàn)、超轉(zhuǎn)試驗(yàn)后,最終實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。羅奎林等[30]對航空發(fā)動機(jī)大型風(fēng)扇機(jī)閘靜子葉片采用單道多層熔覆工藝進(jìn)行修復(fù)。結(jié)果表明熔覆區(qū)和母材結(jié)合良好，界面無冶金缺陷；激光熔覆層顯微硬度平均比母材高15%；對修復(fù)后的風(fēng)扇機(jī)匣經(jīng)發(fā)動機(jī)400h長期試車后進(jìn)行清洗、分解、故障檢查，未發(fā)生掉塊現(xiàn)象，熔覆質(zhì)量高。馬向東等人[31]采用Fe901鐵基合金對Crl2淬火失效模具進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，使其具有較高的硬度、耐磨性和抗沖擊性能，實(shí)際效果良好。

TaberneroI[32]對粉末和激光束的相互作用、熔池的創(chuàng)建等進(jìn)行了模擬，最終利用激光熔覆技術(shù)對GGG70L沖壓模具進(jìn)行修復(fù)。劉建永[33]利用機(jī)器人激光熔覆技術(shù)對覆蓋件拉深模進(jìn)行了局部熔覆強(qiáng)化，取得了較好效果。JXiong等[34]利用激光熔覆對熱軋機(jī)機(jī)殼進(jìn)行修復(fù)，減少了軸承的磨損，提高其使用壽命。劉長生[35]通過激光熔覆鎳基合金粉末對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸進(jìn)行修復(fù)重建，運(yùn)行顯示各項(xiàng)指標(biāo)均正常，并用便攜式震動檢測儀進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，修復(fù)的轉(zhuǎn)子振動小于雙振幅，轉(zhuǎn)子與軸承的接觸良好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)磨損正常。陳曦[36]對采煤機(jī)大齒輪采用單道激光熔覆Ni合金粉末進(jìn)行修復(fù)再制造，并利用顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)儀及掃描電鏡等檢測裝置對熔覆層表面進(jìn)行組織檢測。經(jīng)修復(fù)，齒輪表面硬度滿足要求；磨損率優(yōu)于原材料。檢測結(jié)果基本滿足目標(biāo)需求。目前，有學(xué)者利用激光熔覆在鈦合金基材上制備具有生物活性陶瓷的羥基磷灰石，并將此植入人體引導(dǎo)誘發(fā)骨細(xì)胞的生長，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用意義非凡。隨著野中國制造2025冶發(fā)展規(guī)劃的不斷推進(jìn)，激光熔覆技術(shù)將廣泛應(yīng)用于航空航天、電力行業(yè)、石油勘探、煤炭開采以及梯度功能零件的修復(fù)再制造中，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)語

本文從激光熔覆改善基體材料性能、與熱噴涂對比的優(yōu)勢以及其在零件修復(fù)中的應(yīng)用三個方面對激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面改性的研究進(jìn)展加以綜合闡述，得出結(jié)論：激光熔覆層與基體呈冶金結(jié)合；能進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少；綠色環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛用于金屬的表面改性中。因此在未來的發(fā)展中，對激光熔覆的技術(shù)要求也會越來越高，學(xué)者可從以下幾個方面進(jìn)行深入研究：（1）熔覆工藝的優(yōu)化。針對熔覆層表面開裂的問題，設(shè)計(jì)復(fù)合涂層和梯度功能涂層是未來的發(fā)展方向。研究熔池的溫度場分布，熔覆層內(nèi)發(fā)生組織變化的過程，來進(jìn)一步完善熔覆工藝。（2）開發(fā)大功率的激光器。目前大部分激光器的功率較小，導(dǎo)致只能熔覆較小面積的工件，今后學(xué)者可以開發(fā)大功率的激光器，使熔覆面積擴(kuò)大。（3）計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)模擬熔覆工藝過程可獲得最佳的工藝參數(shù)，這樣節(jié)省了通過大量試驗(yàn)尋求最優(yōu)性能的時間。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)振中．激光加工工藝手冊[M]．北京：中國計(jì)量出版社，2005．

作者：高東強(qiáng),王蕊,陳威,王哲 單位：陜西科技大學(xué)