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行表面改性的研究進展，主要從激光熔覆提高基體材料的耐磨、耐蝕、抗氧化性等方面進行介紹。并將其與傳統的熱噴涂表面改性方法進行了對比。同時介紹了激光熔覆技術的應用現狀。總體而言，激光熔覆層與基體呈冶金結合，結合強度高；熔覆層的厚度可控制；激光熔覆層氣孔少、組織致密。

關鍵詞：激光熔覆；表面改性；耐磨性

激光熔覆是一種涉及物理、冶金、材料學等領域的材料加工與表面改性技術，其技術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用[2-4]。激光熔覆是一種非常重要的材料表面改性技術，經濟效益較高且發展迅速。它可以使廉價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]。激光熔覆技術始于20世紀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，在發動機葉輪片上熔覆鈷基合金，提高了其耐磨性。經過30余年的發展，激光熔覆已成為材料表面工程領域研究的熱門課題，被廣泛地用于航空航天、石油、化工、冶金、電力、機械、模具等領域[8]。本文從激光熔覆技術改善基體耐磨、耐蝕、抗氧化性等性能方面進行了闡述，通過與熱噴涂技術的對比得到了激光熔覆技術的優勢并介紹了激光熔覆技術目前的應用現狀和發展趨勢。

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、耐蝕性差等缺點制約其在工業工程中的應用。利用激光熔覆技術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用于航天、航空、化工和生物醫學領域，由于其具有優異的綜合性能，如高的強度質量比、優異的耐腐蝕性、良好的熱導率以及生物相容性。然而，鈦合金的摩擦學性能差，尤其是在高溫時摩擦系數大，限制了其應用范圍[9-10]。因此有很多學者對增強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，受到剪切力時易發生晶間滑移，滑動過程中的摩擦系數較低。楊膠溪等[11]利用激光熔覆技術在TC4基材表面制備TC4/Ni/MoS2復合材料。研究了室溫和400℃下激光熔覆層的耐磨性。得出結論：在400℃下，由于MoS2的自潤滑性能，復合涂層的摩擦系數達到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℃時發生氧化，潤滑性能會很快失效。而hBN由于具有良好的高溫穩定性和潤滑性，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等為耐磨增強相，hBN為固體潤滑劑的自潤滑耐磨復合涂層。研究了以Si3N4陶瓷球為對偶件不同載荷下的干滑動摩擦磨損性能。結果表明：涂層硬度提高，由于碳化物硼化物硬質相的存在，降低了涂層與對偶件的粘著傾向，使復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移膜，保持力學性能的同時降低了涂層的摩擦系數。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自潤滑耐磨復合涂層，研究了鈦合金和復合涂層在室溫和高溫（300、600℃）下的摩擦學性能。結果表明：復合涂層以鎳基固溶體為增韌相，碳化物為增強相均勻分布于涂層中，復合涂層硬度大大提高，在室溫下具有較低的摩擦系數，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性能。

結果表明：鎳基增韌相在高溫時變軟，與硬的Si3N4球配副時發生粘著磨損，涂層的摩擦系數較高。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性能。以上的研究表明，硬質相的生成可提高涂層的硬度。可以外加硬質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，但是在重載作用下陶瓷顆粒可能會脫離基體，相容性較差。因此現在的研究大都通過與熔池中的元素反應原位生成增強相，起到強韌復合涂層的作用。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異的摩擦學性能；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。在今后的研究中學者可以同時復配低、中、高溫段固體潤滑劑，這樣在一個很寬的溫度范圍(25℃～1000℃)內涂層材料的摩擦磨損性能可能會大大提高。此外還有學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℃下的摩擦學特性。研究發現隨著溫度的升高，摩擦系數呈下降趨勢，當溫度為800℃時，摩擦系數最低為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性能的同時有效降低基體的摩擦系數和磨損率。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境中的耐腐蝕性。但是Co基合金成本較高，Fe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也成為了當下的發展趨勢，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

在特定的環境中，比如海洋環境、酸堿溶液中，零件表面的失效形式主要是腐蝕，這就導致了零件報廢甚至整個機器的故障。腐蝕給造成的經濟損失慘重，故在特定環境中對零部件的保護尤為重要[16]。楊寧等[17]在45鋼基體表面制備出了VC-WC-W2C顆粒增強鎳基熔覆層，涂層厚度0.8～1.0mm，并采用靜態浸泡法研究該熔覆層在10%H2SO4溶液中的腐蝕性。得出結論：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熔覆層的電化學性能。結果表明：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行分析。經激光熔覆后的試樣表面抗氣蝕性能較基體提高了2.7倍，氣蝕累計質量損失僅為基體的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為基的金屬陶瓷復合涂層材料為主，具有優良的抗腐蝕性能。此外，由于稀土或稀土氧化物可以細化晶粒、改善基體的抗腐蝕能力，同時還可以提高涂層與基體的結合強度，降低涂層孔隙率。因此，學者可以通過激光熔覆技術制備含稀土氧化物的復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Ni基合金涂層，進行了高溫抗氧化性試驗。試驗發現加入適量納米SiC顆粒涂層在高溫時氧化增重比未加入SiC緩慢，這是因為激光熔覆層致密的氧化膜提高了抗剝落能力。張松等[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。實驗表明當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。為了提高其穩定性，也加有適量的氧化釔、氧化鎂或氧化鈣。越來越多的學者研究金屬/陶瓷梯度涂層作為隔熱涂層運用在工業中。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、潤濕性等方面的差異，降低了裂紋的產生。

2激光熔覆與熱噴涂法的比較

熱噴涂技術是表面改性技術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過預處理的基體表面，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量良好，基本無裂紋和氣孔，組織致密晶粒細小；而熱噴涂層有明顯的孔洞，結合界面的質量差。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，再進行激光重熔，在室溫時以45鋼為對磨件進行銷盤磨損試驗。

結果表明：熱噴涂層近似呈層狀結構，結合不致密，并有少量孔洞及裂紋出現，熱噴涂層的耐磨性提高了5倍，經重熔后缺陷消失，與基體呈冶金結合，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。與熱噴涂技術相比可知，激光熔覆層與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合，涂層強度較高，不易使工件變形，而且目前大力開展的梯度涂層可以設計涂層的成分和結構。除了上述優點外，還有學者研究發現：該技術存在的一些問題，熔覆層的質量不易控制，表面會產生裂紋，所以這就要求熔覆層與基體材料的熱膨脹系數要無限接近，雖然可以通過預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，因此很多學者研究開發專用的激光熔覆材料。熔覆工藝參數不易控制，很多學者也通過大量實驗來尋找使基體達到最好性能時的熔覆功率、掃描速度等，可通過計算機模擬來節省試驗時間。同時對激光熔覆成型理論的研究尚須進一步完善，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下的研究熱點。

3激光熔覆技術的應用現狀

隨著工業技術要求的發展，對發動機葉片、軸類零件、齒輪類零件等的工作溫度環境要求也越來越高，零件失效和報廢的速度越來越快[27]。如果可對表面損傷的零件進行修復，可以提高零件的利用率、減少經濟損失。由于激光熔覆技術具有一系列優良的性能，因此該技術被廣泛地用于零部件的修復中。張松等[28]將激光熔覆技術應用于鼓風機葉片表面的強化。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，與基體結合良好，耐磨性和耐腐蝕性大大提高。經實際運行試驗，原15MnV鋼葉片運行總時間為800h，激光熔覆處理的葉片運行總時間不低于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施激光熔覆沉積修復。修復后的葉輪經仿形加工、無損檢測、動平衡校驗、超轉試驗后,最終實現了裝機應用。羅奎林等[30]對航空發動機大型風扇機閘靜子葉片采用單道多層熔覆工藝進行修復。結果表明熔覆區和母材結合良好，界面無冶金缺陷；激光熔覆層顯微硬度平均比母材高15%；對修復后的風扇機匣經發動機400h長期試車后進行清洗、分解、故障檢查，未發生掉塊現象，熔覆質量高。馬向東等人[31]采用Fe901鐵基合金對Crl2淬火失效模具進行激光熔覆修復，使其具有較高的硬度、耐磨性和抗沖擊性能，實際效果良好。

TaberneroI[32]對粉末和激光束的相互作用、熔池的創建等進行了模擬，最終利用激光熔覆技術對GGG70L沖壓模具進行修復。劉建永[33]利用機器人激光熔覆技術對覆蓋件拉深模進行了局部熔覆強化，取得了較好效果。JXiong等[34]利用激光熔覆對熱軋機機殼進行修復，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轉子軸頸進行修復重建，運行顯示各項指標均正常，并用便攜式震動檢測儀進行了檢測。結果表明，修復的轉子振動小于雙振幅，轉子與軸承的接觸良好，運轉平穩磨損正常。陳曦[36]對采煤機大齒輪采用單道激光熔覆Ni合金粉末進行修復再制造，并利用顯微硬度儀、摩擦磨損試驗儀及掃描電鏡等檢測裝置對熔覆層表面進行組織檢測。經修復，齒輪表面硬度滿足要求；磨損率優于原材料。檢測結果基本滿足目標需求。目前，有學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誘發骨細胞的生長，其在生物醫學領域的應用意義非凡。隨著野中國制造2025冶發展規劃的不斷推進，激光熔覆技術將廣泛應用于航空航天、電力行業、石油勘探、煤炭開采以及梯度功能零件的修復再制造中，并產生巨大的經濟效益。

4結語

本文從激光熔覆改善基體材料性能、與熱噴涂對比的優勢以及其在零件修復中的應用三個方面對激光熔覆技術進行表面改性的研究進展加以綜合闡述，得出結論：激光熔覆層與基體呈冶金結合；能進行選區熔覆，材料消耗少；綠色環保等特點被廣泛用于金屬的表面改性中。因此在未來的發展中，對激光熔覆的技術要求也會越來越高，學者可從以下幾個方面進行深入研究：（1）熔覆工藝的優化。針對熔覆層表面開裂的問題，設計復合涂層和梯度功能涂層是未來的發展方向。研究熔池的溫度場分布，熔覆層內發生組織變化的過程，來進一步完善熔覆工藝。（2）開發大功率的激光器。目前大部分激光器的功率較小，導致只能熔覆較小面積的工件，今后學者可以開發大功率的激光器，使熔覆面積擴大。（3）計算機模擬的應用。利用計算機模擬熔覆工藝過程可獲得最佳的工藝參數，這樣節省了通過大量試驗尋求最優性能的時間。

參考文獻：

[1]關振中．激光加工工藝手冊[M]．北京：中國計量出版社，2005．

作者：高東強,王蕊,陳威,王哲 單位：陜西科技大學