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1、精选优质文档-倾情为你奉上激光熔覆技术综述摘要：激光表面处理可通过相变强化、熔凝、冲击强化等工艺来改变基材表层的显微组织及结构，也可以通过熔覆及合金化等处理技术来同时改变基材表层的化学成分和显微组织及结构，从而同时或分别提高金属材料及零部件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性和高温性能，其中激光熔覆及合金化具有较大的工业应用价值及发展潜力，受到较大的关注。本文将对激光熔覆技术做简单的综述。关键词：激光熔覆、应用、综述1. 引言激光是一种具有高单色性、高方向性、高相干性和高亮度的电磁波。激光束由一系列反射镜和透镜来控制，聚焦成直径很小的光斑(0.1mm)，从而获得极高的功率密度(104109W/
2、mm2)。激光束材料表面改性技术是利用大功率密度激光束，以非接触方式加热材料表面，借助于材料本身的热传导进行冷却，在材料表面形成一定厚度的处理层，从而提高材料的力学性能、冶金性能、物理性能等，以满足各种不同的使用要求，它属于表面工程领域中的表面改性技术。激光表面熔覆也叫激光涂覆或激光包覆，它是材料表面改性的一种重要方法, 它是快速凝固过程，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层。激光熔覆层因具有良好的结合强度和高硬度，在提高材料的耐磨损方面显示了优越性。近年来，激光表面熔覆技术发展迅速，成为材
3、料表面工程领域的前沿1。2. 激光表面熔覆的工艺方法激光熔覆依据合金供应方式的不同，可将激光熔覆分为两大类：预置法和同步送粉法，如图1所示2。预置式涂层法是先将粉末与粘结剂混合后以某种方法预先均匀涂覆在基体表面，然后采用激光束对合金涂覆层表面进行照射，涂覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热量传递使基体表面熔化，熔化的合金快速凝固在基材表面，形成冶金结合的合金熔覆层。预置涂层法的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预热激光熔化后热处理 3。同步送粉法是通过送粉装置在激光熔覆的过程中将合金粉末直接送入激光作用区，在激光作用下基材和合金粉末同时熔化，结晶形成合金熔覆层。同步送粉
4、法的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理送料激光熔化后热处理。该方法是激光熔覆技术的首选方法，国内外实际生产中采用较多。送粉的方式对粉末的利用率也有很大的关系，一般有正向和逆向两种送粉法，由于逆向送粉会使熔池边缘变形，导致液态金属沿表面铺开，使得熔池的表面积增大，因此在相同的激光熔覆条件下，逆向法较正向法具有更高的粉末利用率 4。3. 激光熔覆特点由于激光熔覆是近似于绝热的骤热骤冷过程，它具有无可比拟的优良特性：熔覆层具有细小晶粒、致密结构和较均匀的化学组成；能够实现对能量和品质的精确控制，对基体的热影响小，热输入和热畸变小，涂层稀释率低(一般小于5wt %)，与基体呈良好的冶金结合且保持基材的
5、原始性能；熔覆材料的选择范围相当广泛，包括镍基、钴基和铁基合金、碳化物复合合金以及氧化物复合合金等，特别是可在低熔点基材表面熔覆高熔点合金；激光光斑通过导光系统可进行光束处理，从而可以进行选区熔覆，特别适合小区域和难以接近区域的改性需求，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；可以通过计算机控制，实现激光熔覆工艺参数智能化和工艺过程自动化。上述特征中值得关注的是覆层和基材之间实现了冶金结合，即两种材料通过原子或分子间结合和交互扩散形成的结合。在横截面上可明显见到结合带。结合带中可见平面状外延生长现象和合金元素相互扩散现象。通常结合带宽度以28um为宜，过薄会影响结合带强度，过厚会冲淡覆层合金成分，改
6、变覆层合金性能5。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着下列优点：(1)熔覆热影响区小，不破坏基材的力学性能；(2)工件变形小，一般可忽略不计；(3)层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好；(4) 由于激光作用时间短，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要的成分和性能，从而节约昂贵的熔覆材料。(5) 高达106/S的冷却的速度使凝固组织细化，甚至产生了新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶等；(6) 激光熔敷过程易实现自动化生产，且熔覆质量稳定；(7) 可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位
7、，对表面型廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化；(8) 可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分设计，得到不同性能的涂层1。4. 激光表面熔覆材料体系激光熔覆试验研究的范围很广，包括基体材料，熔覆材料，激光工艺参数和各种表面性能，激光熔覆过程的数值模拟，激光熔覆层质量及其裂纹的产生与防止等。现简单就熔覆材料、表面性做简单介绍。按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多 3。自熔性合金粉末：包括铁基、镍基、钴基合金体系。( 1) Fe基合金体系自熔性合金粉末可以分为Fe基、Ni基、Co基自熔性合金粉末，其主要特点是含有B和Si
8、 具有自脱氧和造渣能力。自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层 6。激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型: 奥氏体不锈钢型和高铬铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等。在铁基合金粉末成分中, 通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高耐磨性和韧性。近年来，有关激光熔覆的研究有不少是围绕铁基粉末加入其它成分展开的。宁爽等在45钢基材上制备了WC铁基合金熔覆层。结果表明，铁基合金
9、熔覆层的硬度与耐磨性得到了提高。齐永田等，在普通低碳钢上熔覆了含有碳氮化钛增强粒子的铁基熔覆层，原位生成了新的颗粒状强化相Ti( C0. 3N0. 7)，熔覆层的显微硬度达到600700HV。赵高敏，等研究了不同稀土加入量对铁基合金激光熔覆层的组织形貌、相组成的影响。( 2) Ni基自熔性合金粉末Ni基自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉己不能胜任使用要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属复合涂层 7。原津萍等在镍基合金中分别添加Mo和CeO2，研究表明，在镍基合金中添加Mo，改变了显微组织中碳化物的成
10、分和形态，韧性改善，熔覆层抗磨粒磨损性能提高。张光钧等在45钢表面制备镍基纳米WC/Co复合熔覆层，熔覆层的物相为C( Fe-Ni)基体上分布着以WC、W2C为主的碳化物相，熔覆层显微硬度分别为779. 31315HV。( 3) Co基自熔性合金粉末钻基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中，Ni元素可以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性 6。李明喜等 8利用在低碳钢表面熔覆钒氮合金的钴基合金涂层
11、，结果表明：加入钒氮合金后，出现了( FeV)和VN等相，界面处硬度均比表层高，熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高。杨胶溪利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束，进行宽带激光熔覆，获得无裂纹WC/Co基合金层。李明喜 9在镍基高温合金表面熔覆纳米Al2O3/Co基合金复合材料，结果表明，加入纳米Al2O3，界面的生长形态发生变化，由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶，细化了组织。 陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末( Al2O3 和ZrO2)为主。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层
12、和热障涂层。目前，生物陶瓷材料是研究的一个热点。 复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。 朱庆军等 10在45钢基体上制备的FeNiSiBVRE非晶涂层进行激光晶化，制备非晶/纳米晶复合涂层，结果表明，涂层存在着分层结构，涂层底部和顶部的显微组织由大量的稀土树枝晶、板条状硼化物和粒状碳化物组成，涂层中部的显微组织是由大量的纳米晶相镶嵌在非晶基体上。何宜柱等 11原位合成了Cop/Cu复合材料涂层
13、，原位合成了表面光滑、均匀连续的致密Cop/Cu的复合涂层。5. 激光熔覆层的性能激光熔覆的涂层类型主要有耐磨涂层、耐蚀涂层和热障涂层3大类。故激光熔覆的性能也主要在于这三个方面 12。( 1) 耐磨性能 在自熔合金粉末中加入WC，TiC，SiC，B4C，TiN等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒激光熔覆后形成的复合涂层中，由M7C3，M23C6等自由碳化物或硼化物相强硬化的合金相与极硬的硬质相匹配，使熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高。斯松华等13在16Mn钢上熔覆Ni基B4C复合粉末，发现添加的B4C颗粒对激光熔覆涂层也起到了细晶强化、固溶强化及第二相强化的增强作用，激光熔覆Ni-B4C复合合金粉末
14、涂层的硬度和耐磨性都明显高于Ni60涂层。激光熔覆层的耐磨性能主要取决于熔覆层各组成相的性质、含量及分布状态等。稀土或氧化稀土的加入可以改善自熔合金熔覆层的组织和耐磨性能，激光熔覆M80 S20自熔合金时，添加适量的CeO2 使熔覆层组织明显细化，硬度提高,耐磨性能显著提高。激光熔覆Ni基合金+WC复合涂层时，添加适量的CeO2 使熔覆层组织细化，硬度提高，摩擦系数降低，耐磨性能提高。( 2) 激光熔覆耐蚀涂层以Ni基、Co基自熔合金或不锈钢及以它们为基的金属陶瓷复合涂层材料为主。以Ni基自熔合金和不锈钢为基的含SiC，B4C，WC等颗粒的复合涂层具有良好的耐腐蚀性，以Co基自熔合金为基的硬面
15、合金涂层则显示出良好的抗热气蚀和冲蚀能力。WangAH等利用YAG激光器对SiC增强ZK60(Mg-%Zn-0.5%Zr)镁基复合材料熔覆Al-Si合金，使复合材料极化曲线出现明显的钝化，腐蚀电位有很大的提高，腐蚀电流密度明显降低。在Incoloy 800H基体上激光熔覆的SiO2涂层在450或750煤气气氛中暴露64.5h后发现，该陶瓷涂层的耐蚀性比原基体合金有大幅度的提高,。目前一些金属间化合物覆层也具有良好的应用前景，Abboud JH等人在钛及钛合金表面利用激光合金化和激光熔覆的方法制备Ti-Al金属间化合物覆层，为提高钛合金的高温抗氧化性能奠定了基础。此外，在自熔性合金激光熔覆时加入
16、稀土或稀土氧化物，可显著改善熔覆层的耐蚀性能。这主要有两方面的原因，一方面熔覆层中加入稀土化合物后，熔覆层表面组织更加均匀，而且由于稀土原子对氢的陷阱作用，降低了氢的活度，从而减慢了阴极反应；另一方面由于纳米稀土化合物净化晶界及弥散强化的作用, 使晶界的微观组织得到进一步改善，减少了晶界中的缺陷，减弱了由于微缺陷形成原电池而产生的腐蚀，从而使熔覆层的钝化性能得到进一步提高 12。( 3)热障涂性热障涂层的研究是以发展高性能的梯度涂层和相关的制备技术为方向，激光复合制备方法具备良好研究潜力及应用前景。结合热物理性能、残余应力、相结构等测试技术发展，探索热障涂层失效机理也是未来研究方向。目前，对激
17、光熔覆ZrO2、Al2O3和SiO2等纯氧化物陶瓷或其复合陶瓷作为热障涂层的研究备受人们的关注。作为热障涂层材料应具备低的热传导系数和高的热膨胀系数，这一要求使研究的注意力更多地集中在ZrO2 涂层上，因为在陶瓷材料中ZrO2与金属的热膨胀系数最为接近，且导热率低，是理的热障涂层材料。目前激光熔覆热障涂层中研究较多的也是ZrO2 陶瓷涂层。陈国锋在Ni基高温合金基底上用NiCrBSi和Ni-CrAlY两种合金粉与ZrO2 的混合粉进行激光熔覆， 获得了不同结构的热障涂层 14。6. 激光熔覆技术在工业中的典型应用激光熔覆技术经过半个世纪的发展，已完全从实验室进入到实际工业应用, 在汽车工业、航
18、空航天工业、石油等行业中应用广泛 3。在航空工业中的应用：( 1)激光熔覆成形用于零件制造钛合金是航空航天工业上正快速采用的较新合金，用来制造高的强度/重量比、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零件。但在这些新型合金的加工上，传统工艺方法有许多难以克服的缺点。而激光熔覆成形技术则可以降低库存和减少制造时间。近年，AeroMet公司的研究更有了实质性进展，他们生产的3个Ti6-A1-4V激光熔覆成形零件已经获准在实际飞行中使用。其中F-22上的两个全尺寸接头满足疲劳寿命的两倍要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命四倍要求，而降落用的连接杆满足飞行试验要求，寿命超出要求30% 15。( 2)激光熔覆成
19、形用于零件修复航空发动机钛合金的接触磨损是发动机维修中的一大难题，通过激光熔覆可以获得高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温涂层以及热障涂层。刘其斌等采用自制的合金粉末，对航空发动机制件报废的高温锻压模具进行了修复，取得了较好的效果。李养良等研究了钛合金激光熔覆WC-12Co涂层和45C涂层的组织及耐磨性能。姜伟等以飞机叶片( LY11CZ)为基材，以铝钇铌合金为熔覆材料，研究了单道熔覆层微观组形貌和耐腐蚀性能。结果表明：Al-Y-Nb合金可以作为激光熔覆修复飞机叶片( LY11CZ)的参考材料。在汽车工业的应用：在汽车发动机气门、气门座圈密封锥面、气门阀杆小端面以及排气阀、阀门座表面等要求耐高温、耐磨损
20、及耐腐蚀性的工作面上，用激光熔覆形成具有优良的耐磨、耐热性合金涂层。美国的汽车排气阀座用激光熔覆Stellite合金, 俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座激光熔覆耐热合金。上汽通用五菱汽车股份有限公司冲压车间对使用10多年的VH车型部分模具的磨损和局部损坏进行快速修复，有效保证了冲压车间的正常生产。整个项目共计节约900万元。另外，激光熔覆技术在农用汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面熔覆 16。在模具工业的应用：模具激光表面熔覆技术，经过近年来的发展，现已逐步走向实用阶段。目前广泛地应用于模具的表面强化和修复模具。闫忠琳等对玻璃模具进行了激光熔覆处理。生产现场对比
21、考核结果为：未经激光熔覆处理的模具，总使用时160200h后报废；经激光熔覆处理的模具，连续使用100 120h后卸下清理油垢，此时模具的合缝线完好，不需修理可连续使用，模具总使用时间提高了10倍。赵宏运等在汽车连杆辊锻成形模具9CrSi表面熔覆一层WC陶瓷层，进行了一些探索性试验，并取得了良好的应用效果。激光熔覆还可以用于热能动力工业等其它行业，如电站的锅炉阀门密封面的抗高温腐蚀介质冲蚀、磨损表面强化；改善模具钢的表面硬度、耐磨性、抗热疲劳等性能；机械加工成形后，在模具刃口部位进行激光熔覆，以延长使用寿命等。7. 激光熔敷存在主要问题 尽管激光熔覆技术取得了飞快的发展，但仍有些问题还未彻底解
22、决，主要问题如下：1. 激光熔覆仍然停留在工艺参数和微观组织的研究： 无论是国内还是国外, 目前对激光熔覆的研究相当部分只限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料，然后对激光熔覆层的显微组织、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究。而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及其种类和成份、熔覆材料特性)的条件下，对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数的作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制的研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少 17。2. 裂纹是大面积激光熔覆技术中最棘手的问题：由于激光熔覆
23、时快速加热和冷却，凝固过程中不可能有足够的液体金属补充，以及在随后的固态冷却收缩过程中受到周围较冷基材束缚，造成的这些应力往往难以得到释放，而一旦释放就会造成裂纹。激光熔覆中，材料间热膨胀系数、弹性模量的明显差别及激光熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，而熔覆层成分与组织梯度导致的微观应力则促使裂纹扩展。要彻底解决熔覆层开裂问题，应从更微观的角度入手，分析裂纹的形成过程。毛怀东等在熔覆层中加入不锈钢网，降低了熔覆层中的应力值，控制了熔覆层中的裂纹。周圣丰等提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，研究发现，该方法不仅使熔覆效率大大提高，而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层。宋建丽等等对镍
24、基合金火焰喷涂层进行宽带激光熔覆试验，结果发现：基体的预热和熔覆后保温缓冷可有效降低温度梯度，释放残余内应力，当预热温度为300时，熔覆层裂纹消失。3. 激光熔覆层的材料体系问题激光熔覆材料一直是制约激光熔覆技术应用的重要因素。目前，激光熔覆材料存在的主要问题是激光熔覆专用材料体系较少，缺乏系列化的专用粉末材料，缺少熔覆材料评价和应用标准。现在国内许多高校和研究单位已经开展了激光熔覆专用粉末材料的研究 3。8. 激光熔覆技术前景展望激光熔覆技术作为一种新兴的表面处理技术，有着很好的发展前景。为获得无裂纹、力学性能良好的熔覆层，可以从以下几个方面做进一步研究：深入研究激光熔覆的基础理论；开发新的
25、熔覆材料；研制新型激光熔覆设备，实现无搭接从而解决大面积熔覆问题；根据生产实际情况，建立更加合理的理论模型；正如原位自生技术与激光熔覆技术的有机结合一样，相信以后会有更多的技术与激光熔覆技术相结合从而发掘出激光熔覆技术更大的潜力 18。参考文献1. 沈燕娣激光熔覆工艺基础研究D上海海事大学，2006，6；7-102. 袁庆龙激光熔覆工技术研究进展J材料导报：综述篇，2010，24(2)；112-1163. 李养良，金海霞等激光熔覆技术的研究现状与发展趋势J热处理技术装，2009，30(4)；1-5 4. 曹国凤激光加工技术M北京:北京科学技术出版社，200715. 张光钧，吴培桂激光熔覆的应用
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