發(fā)布日期：06-13                    發(fā)布來源：《熱處理技術(shù)與裝備》

  摘要：概括地介紹了激光熔覆技術(shù)的機(jī)理、材料體系、工藝參數(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

  關(guān)鍵詞：激光熔覆；工藝參數(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀

0 引言

   激光熔覆技術(shù)是在需處理的零部件表面預(yù)置一層能滿足使用要求的特制粉末材料，然后用高能激光束對(duì)涂層進(jìn)行快速掃描處理。預(yù)置粉末在瞬間熔化并凝固，涂層下基體金屬隨之熔化一薄層，二者之間的界面在很窄的區(qū)域內(nèi)迅速產(chǎn)生分子或原子級(jí)的交互擴(kuò)散，同時(shí)形成牢固的冶金結(jié)合。在快速加熱下，基體受熱影響極小，無變形。該項(xiàng)技術(shù)主要特點(diǎn)為：（1）可通過不同合金粉末進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，得到完全致密的冶金結(jié)合涂層；（2）由于快速加熱和冷卻，激光熔覆層組織均勻致密，微觀缺陷少，性能優(yōu)于其他工藝；（3）激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆，且對(duì)基體的熱影響甚微；（4）熔覆層的稀釋率小，且可精確控制；（5）屬于無接觸型處理，便于自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)柔性加工。

  激光熔覆組織是一種快速凝固組織，它的形成與熔覆材料成分、工藝參數(shù)密切相關(guān)。它的基本特征是組織細(xì)小均勻，基體固溶度增大，形成亞穩(wěn)相，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而具有優(yōu)異的性能。

1 激光熔覆技術(shù)

1.1 激光熔覆彩料

   由于激光熔覆可以將高熔點(diǎn)材料熔覆在低熔點(diǎn)的基材表面，且材料的成分亦不受平衡冶金熱力學(xué)限制，因而，所采用的激光熔覆材料的范圍相當(dāng)廣泛，包括鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復(fù)合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物復(fù)合合金材料的激光熔覆較為成熟，并已獲得實(shí)際應(yīng)用。激光熔覆合金體系主要有鐵基合金、鎳基合金、估計(jì)合金和金屬陶瓷等。激光熔覆鐵基合金適用于要求局部耐磨且容易變形的零件，鐵基合金深層的基材多用鑄鐵和低碳鋼熔覆；鎳基合金適于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件，所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高；鈷基合金涂層適于要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件；陶瓷涂層在高溫下有較高的強(qiáng)度，且熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。這類材料具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕等性能，通常以粉末的形式使用，并采用火焰噴焊等方法熔覆，可獲得表面光滑且與基材結(jié)合較好的熔覆層。最先選用且研究最廣的涂層材料是鎳基，鈷基，鐵基自熔合金，基體材料有各種碳鋼、不銹鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。這幾種自熔合金與上述基體材料具有良好的潤濕性，易獲得稀釋率低、與基體成為冶金結(jié)合的致密涂層。在此基礎(chǔ)上，在自熔合金中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，形成了復(fù)合涂層，甚至純陶瓷涂層，進(jìn)行復(fù)合涂層或純陶瓷涂層的激光熔覆，可獲得各種優(yōu)異的表面性能。不同激光熔覆材料的適用基材范圍較廣泛，如鎳基涂層材料可用于碳鋼，合金鋼，鑄鐵及鋁合金等的表面熔覆，但對(duì)于一定工作環(huán)境，某一基體而言，存在一最佳涂層合金。

   國內(nèi)外用于生產(chǎn)的激光熔覆自熔性合金粉末可分為鎳基自熔性合金粉末、鈷基自熔性合金粉末、鐵基自熔性合金粉末，其主要特點(diǎn)是含有硅和硼，因而具有良好的自我脫氧和造渣的性能，即所謂自熔性。這類合金在重溶時(shí)，合金中的硼和硅被氧化，在覆層表面形成薄膜。這種薄膜既能防止合金中的元素被氧化，又能與這些元素的氧化物形成硼硅酸鹽熔渣，從而獲得氧化物含量低、氣孔率少的噴焊層。硼與硅還降低合金的熔點(diǎn)，增加合金的浸潤作用，對(duì)合金的流動(dòng)性及表面張力產(chǎn)生有利影響。自熔合金的硬度與合金的含硼量與含碳量有關(guān)，隨硼、碳含量的增加而提高，這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數(shù)量增加所致。由于基材含有較高的鉻等元素，所以合金還具有優(yōu)異的耐蝕和抗氧化性。為提高自熔合金的硬度及耐磨性，也可在其中加入較多的WC，形成自熔合金與WC的混合物。

1.1 激光熔覆工藝參數(shù)

   激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，是一種對(duì)裂紋敏感的工藝。熔覆層的質(zhì)量和性能除與熔覆材料的原始成分、基材的成分和性能密切相關(guān)外，在很大程度上取決于激光熔覆的工藝參數(shù)。激光熔覆的工藝參數(shù)主要包括激光功率P、光斑直徑（光束直徑D或面積S）、光腔輸出時(shí)光束構(gòu)型和聚焦方式、工件移動(dòng)速度和激光掃描速度V、激光掃描多道搭接系數(shù)μ和不同填料方式確定的涂層材料添加量（如預(yù)置厚度或送粉量）等。此外還有一些綜合性的工藝參數(shù)，如：比能量、功率密度、線能量。如何評(píng)價(jià)各個(gè)工藝參數(shù)在熔覆層形成過程中的作用是熔覆層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

   激光功率是影響熔覆層品質(zhì)的主要因素。功率越大，熔化的合金量越多，產(chǎn)生氣孔的機(jī)率就越大，隨著功率增加，周圍的金屬液體流向氣孔而使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋數(shù)量也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，將引起等離子體增大，基材表面溫升加大，導(dǎo)致變形和開裂現(xiàn)象加劇。激光功率密度過低，僅表面涂層熔化，基體未熔，此時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、孔洞等外觀，達(dá)不到表面熔覆和摻雜的目的。只有在比較合適的激光功率密度下，粉末微粒熔化比較充分，熔覆層結(jié)合良好，試樣耐磨耐蝕性才能明顯提高。

   掃描速度的大小決定了粉末的加熱時(shí)間和熔池的維持時(shí)間。掃描速度過低，粉末的加熱時(shí)間越長，熔池的維持時(shí)間長，反之亦然。掃描速度提高，零件成型時(shí)間短，生成效率高。但掃描速度過快，粉末加熱時(shí)間太短，熔池維持的時(shí)間不夠，不利于粉末間氣孔排出，容易在熔覆層間產(chǎn)生氣孔，而氣孔是產(chǎn)生裂紋的根源之一。熔覆材料確定后，激光熔覆層的結(jié)構(gòu)組織在很大程度上取決于激光束的功率、激光束光斑直徑、及激光掃描速度的合理配置。在激光功率一定的情況下，過低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致激光束前端一定距離內(nèi)的基底材料，在表面熔化以前因加熱時(shí)間較長而表面被氧化，基底材料表面存在氧化物，必然會(huì)影響熔覆層界面的結(jié)合。過高的掃描速度會(huì)使靠近界面處的粉料中不能充分完成合成反應(yīng)，殘留一些粉末，從而影響界面結(jié)合。

   光斑形狀和尺寸（或離焦量）。不同的激光器和不同的功率輸出，都將造成激光光斑形狀發(fā)生變化，光斑形狀的不同能使所獲得的熔覆層形貌和力學(xué)性能存在較大的差別。利用只經(jīng)過簡單聚焦系統(tǒng)的光束變換系統(tǒng)，可將光束形狀調(diào)制成功率密度分布均勻的矩形或帶狀，使同時(shí)輸給工件的能量相同。但激光作用區(qū)的邊緣比中心散熱快，表面各點(diǎn)溫升不同，也會(huì)產(chǎn)生不均勻的熔覆層。

   比能量是將激光功率和光斑尺寸對(duì)熔覆層稀釋率的影響綜合起來考慮。比能量可用下式表示：

                               比能量=激光功率/（光斑寬度  掃描速度）

   研究表明，比能量減小有利于降低稀釋率。因此在激光功率一定的條件下，熔覆層稀釋率隨光斑寬度增大而減?。划?dāng)掃描速度和光斑寬度一定時(shí)，熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。只有把熔覆比能量控制在一定范圍內(nèi)，才能獲得品質(zhì)優(yōu)良的涂層。因而在實(shí)際的生產(chǎn)研究中，我們必須找到最佳的工藝參數(shù)，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。

2 激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀

   激光熔覆是近年來新興的一種金屬表面強(qiáng)化技術(shù)，同時(shí)也是材料表面激光處理領(lǐng)域非?；钴S的研究方向。它即可形成幾微米至幾毫米厚且比較均勻的強(qiáng)化涂層，又可使強(qiáng)化層與被強(qiáng)化材料之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，耐磨、耐蝕又耐高溫沖擊等，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的有效強(qiáng)化手段。它通過采用“涂層+基體”模式，在低成本基體上制備耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、熱輻射、抗輻射、導(dǎo)電和生物功能等多種特性的表面強(qiáng)化層。激光熔覆研究始于1974年，美國的AVCO公司和MEYCO公司做了大量的工作。在國內(nèi)，中科院、長春光機(jī)所最早開展了激光熔覆工藝的研究工作，并有成果見諸報(bào)端。目前，激光熔覆的研究多數(shù)是針對(duì)各行各業(yè)的特殊用途，針對(duì)不銹鋼、低中碳鋼、可鍛鑄鐵、鋁合金及特殊合金上用鈷基、鎳基或鐵基等自熔合金粉末及陶瓷進(jìn)行激光熔覆，增加其耐磨及耐腐蝕性能。

   圖1為激光熔覆層典型組織形貌，熔覆層由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基底熱影響區(qū)三部分組成。熔覆區(qū)組織均勻、致密，無氣孔和裂紋等缺陷。熔覆區(qū)組織形貌由細(xì)小的樹枝晶組織及多邊形的細(xì)小等軸晶組成；組織均勻、致密、無氣孔和裂紋等缺陷。結(jié)合區(qū)為熔覆區(qū)和基底熱影響區(qū)之間的過渡區(qū)，組織形貌呈現(xiàn)定向快速凝固特征，為垂直結(jié)合面沿逆熱流方向生長的樹枝晶結(jié)構(gòu)，有利于提高熔覆層與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了基體與熔覆層良好的冶金結(jié)合。

                           圖1 激光熔覆典型組織形貌

   圖2 為激光熔覆涂層典型硬度分析趨勢(shì)圖，從圖中可以看出硬度呈三階梯狀，分別對(duì)應(yīng)熔覆區(qū)、熱影響區(qū)基材。結(jié)合區(qū)的寬度太窄，無法在硬度曲線上明顯地體現(xiàn)出來。熱影響區(qū)緊靠表面熔覆區(qū)，受表面激光輻照時(shí)的熱影響很大，使得該區(qū)域的溫度上升到奧氏體溫度，因而硬度有一定的提高。基材距離激光輻照較遠(yuǎn)且具有較大的散熱面積，傳到此處的能量密度較小，不足以引起基體組織發(fā)生變化。

圖2 激光熔覆涂層的典型硬度分布

3 激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

   隨著激光熔覆工藝的進(jìn)步與完善，人們將對(duì)工藝的自動(dòng)化和工作效率提出更高的要求，所以，送粉式激光熔覆必將成為未來發(fā)展的主流。激光熔覆應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，它可用于機(jī)械制造與維修、汽車制造、紡織機(jī)械、航海與航天和石油化工等領(lǐng)域。在刀具、模具、閥體上熔覆陶瓷涂層已獲得廣泛的應(yīng)用。