激光熔覆硕士论文

激光熔覆硕士论文（精选6篇）

篇1：激光熔覆硕士论文

介绍了激光熔覆技术的发展、应用、设备及工艺特点，简述了激光熔覆技术的国内外研究现状，指出了激光表面改性技术存在的问题，展望了激光熔覆技术的发展前景。

0引言

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化,光束移开后自激冷却形成稀释率极低,与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[1~3]。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者[4]。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本,节约贵重稀有金属材料，因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。

1激光熔覆技术的设备及工艺特点

目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷[1]。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

激光熔覆具有以下特点[2、9]：

(1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

(2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;

(3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

(4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;

(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,(6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;

(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;

(8)工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

2激光熔覆技术的发展现状

激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。

目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点,目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的问题

评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。

目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。

目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:

①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。

②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。

③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。

4激光熔覆技术的应用和发展前景展望

进入20世纪80年代以来,激光熔敷技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。

目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:

(1)激光熔覆的基础理论研究。

(2)熔覆材料的设计与开发。

(3)激光熔覆设备的改进与研制。

(4)理论模型的建立。

(5)激光熔覆的快速成型技术。

(6)熔覆过程控制的自动化。

篇2：激光熔覆硕士论文

激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。

航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高塑性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。

激光熔覆技术在飞机零件制造中的应用

飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。

陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等[7]。采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。将陶瓷涂层激光熔覆用于航空发动机涡轮叶片是一项很有应用价值的高新技术，常用的激光熔覆材料见表1。

飞机制造中较多采用钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量比率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零部件。但在这些钛合金的加工制造中，传统工艺方法有许多难以克服的弱点，如生产隔板是由数英寸厚和数十千克重的齿形合金板加工而成的，而获得这些合金板成品需要一年以上。因为难以加工，加工这种零件需要花费加工中心数百小时的工作量，磨损大量的刀具。而激光熔覆技术在这方面具有较大优势，可以强化钛合金表面、减少制造时间。

激光熔覆是现代工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有显著的经济价值。20世纪80年代初，英国Rolls·Royce公司采用激光熔覆技术对RB211涡轮发动机壳体结合部位进行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中应用的几个实例。

近年来，美国AeroMet公司的研发有了实质性的进展，他们生产的多个系列Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆成形零件已获准在实际飞行中使用。其中F-22战机上的2个全尺寸接头满足疲劳寿命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍的要求，而升降用的连接杆满足飞行要求、寿命超出原技术要求30%[9]。采用激光熔覆技术表面强化制造的钛合金零部件不仅性能上超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及加工的优势，生产成本降低20%～40%，生产周期也缩短了约80%。激光熔覆在航空零部件修复中的应用

激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能[10]。

激光熔覆发动机涡轮叶片用到的基体材料和合金粉末见表3。用于熔覆的粉末粒子成球状，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆层要选用不同的工艺参数，以获得最佳的熔覆效果。

把受损涡轮叶片顶端修覆到原先的高度。激光熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔深，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。在计算机数值控制下，焊道层叠使熔覆层增长。与激光熔覆受损叶片不同的是，手工钨极氩弧堆焊的叶片堆焊后的叶片必须进行额外的后处理。叶片顶端要进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些加工过程，大大缩减了时间和成本。

在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因此在很多情况下备件维修是比较合算的。但是修复后零部件的质量必须满足飞行安全要求。例如，航空发动机螺旋桨叶片表面出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。激光熔覆技术可以很好的用于飞机螺旋桨叶片激光三维表面熔覆修复。

图1所示的航空发动机叶片是经过激光修复的。熔覆材料（合金粉末）为Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），叶片材料为Inconel 713。通过金相方法检测熔覆层的截面可以发现，激光熔覆后在叶片基体材料和熔覆层之间形成了一个冶金结合的熔覆过渡区[11]。

激光熔覆可以强化材料表面的合金熔覆层、提升合金表面的力学和化学性能。堆焊合金粉末是较理想的激光熔覆材料，具有很高的应用价值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。这个过程可以采用预置涂层法，预置材料可以是丝材、板材、粉末等，最常用的材料为合金粉末。激光熔覆先将熔覆材料预置于基体表面的待熔覆部分，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表面来实现表面强化。

熔覆区在激光束和送粉系统的作用下形成，基体材料和合金粉末决定了表面熔覆层的性质。激光直接照射在基体表面形成了一个熔池，同时合金粉末被送到熔池表面。氩气在激光熔覆的过程中也被送入熔池处以防止基体表面发生氧化。形成的熔池在基体表面，如果合金粉末和基体表面都是固态，合金粉末粒子接触到基体表面时会被弹出，不会黏着在基体表面发生熔覆；如果基体表面是熔池状态，合金粉末粒子在接触到基体表面时就会被黏着，同时在激光束作用下发生激光熔覆现象，形成熔覆带。图2所示是用激光熔覆技术修复的涡轮叶片。

激光熔覆层的耐磨性与硬度成正比。熔覆层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能一般难以兼顾。通过激光熔覆工艺可以改善基体表层的显微组织和化学成分。

激光熔覆工艺与钨极氩弧焊（TIG）熔覆工艺相比有很大的优势。激光熔覆层的性质取决于熔覆合金元素的比例。为了达到最好的预期效果，须尽可能地避免基体材料的稀释作用，因为熔覆层的硬度和基体材料的稀释成反比。在Inconel 792合金表面，分别采用激光熔覆和钨极氩弧焊熔覆Rene142合金粉末，显微硬度的比较如图3所示。

从图3中可见，激光熔覆产生的强化表层硬度比钨极氩弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆层的高凝固速度以及在溶池中产生的强对流效应。因此，激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆在航空领域更具有应用价值。

相关资料表明，采用激光熔覆技术修复后的航空部件强度可达到原强度的90％以上，更重要的是缩短了修复时间，解决了重要装备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。

激光熔覆在航空材料表面改性中的应用

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层

为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术[12]。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命[13]。

现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。

2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上[14]。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。

经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆获得热障涂层

近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求[15-16]。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。

20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。

关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。

结束语

篇3：激光熔覆硕士论文

1 材料及试验方法

1.1 实验材料

基材为45调制钢, 熔覆层粉末为自配的铁基合金粉末, 粒度为36μm~74μm, 化学成分 (质量分数, %) 为0.3C、1.7Si、15Cr、≤1.5Ni、1.5B、余量为Fe。

1.2 试验方法

试样采用钼丝线切割, 试样尺寸为70mm×20mm×25mm, 使用前用400金相砂纸打磨表面, 再用丙酮清洗备用。

熔覆试验采用TJ—HL—T 5000型5千瓦CO2激光器, 激光输出光束为多阶模, 采用宽带单道扫描熔覆方式。宽带光斑尺寸为15mm×2mm, 焦距统一为315mm, 预置粉末厚度约为1.5mm, 所形成的熔覆层厚度约为1mm, 扫描速度与功率见表1。在垂直于扫描速度的方向制取金相样品。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察, 用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪对熔覆层进行物相鉴定, 并进行了显微硬度测试。

2 结果与分析

2.1 激光熔覆层的宏观状况与熔覆层的显微组织状况

表2.1、表2.2分别为宽带激光熔覆层表观质量情况和熔覆层与基材的界面区域的裂纹情况。可以看出, P=3kW, V=3mm/s, 修复表观质量最佳。图1为在此工艺条件下, 熔覆样品的表观状况1 (a) 、熔覆层与基体的结合区组织形貌1 (b) 与熔覆层的组织形貌1 (c) 。

由表观状况1 (a) 可以看出熔覆层外表为均匀的波纹状, 中间光亮的区域为生成的熔渣脱落区, 表明粉末有良好的流动性与造渣能力, 液体合金有良好的充型能力。

由熔覆层与基体的结合区组织形貌1 (b) 可以看出熔覆层与基材之间实现了良好的冶金结合, 组织过渡良好, 这样的组织也表明熔覆粉末材料与基体材料之间有着良好的相容性。保证了熔覆层与基体之间不会出现开裂现象。

由熔覆层的组织形貌1 (c) 可以看出熔覆层不同深度区域组织之间过度良好, 保证了熔覆层内部不至于存在性能薄弱区域, 在零件再次投入使用时从局部区域提前产生裂纹。

2.2 熔覆层的元素分布状况

熔覆层中间部位为正常服役区域, 所以中间部位树枝晶区域的元素分布就成了熔覆层性能的关键因素。

形貌分析如图2, 可以看出微观结构为两种组织成网状相间, 组织之间也没有微裂纹, 不同区域过渡自然, 所以树枝晶区域内部的力学性能均匀, 没有应力集中的危险, 不会在本层引起零件破坏。取树枝晶区域不同位置, 晶粒内部位置1和晶界处位置2分别进行元素成分分析结果如表3 (a) 和3 (b) :Cr元素在晶界处的含量比晶粒内部高, 因为Cr元素是硬质相生成元素, 所以在晶界处会有较多的硬质相生成。将熔覆层中部树枝晶区域相同位置元素分布与过渡区域元素分布进行比较, 可以看出该区域Si的含量明显减少, Cr、Ni元素含量大量增加, Fe含量减小, 所以在此会生成更多的硬质相, 通过形貌比较我们也可以看出在该区域网状晶界明显增加, 硬质相区域较大, 会具有更好的力学性能。

2.3 XRD相的确定

图3为熔覆层X射线衍射分析结果, 由图可知, 涂层中相组成复杂, 除了基体相-Fe外, 还有Fe5C2、Fe2B、FeSi等相, 从图2还可以看出有表征非晶态的漫散包, 这表明涂层内含有一定量的非晶, 这种复合材料组织预示着熔覆层将会有比较好的力学性能。

2.4 显微硬度变化规律

图4为熔覆层→结合区→基材显微硬度分布曲线。由图可知, 在熔覆表层, 由于高能激光作用, 造成合金元素的烧损, 使表面硬度较低;由表及里约0.3mm处, 硬度明显升高。

在0.3mm~0.9mm区域, 硬度变化趋于平缓, 这是由于熔覆层中结晶析出的碳化物和金属间化合物等数量变化不大所致。

在结合区域, 显微硬度高达到了HV8100.2, 这是由于在高能激光作用下, 结合区发生激光淬火, 产生马氏体组织。在接近基材处, 硬度下降明显, 原因是马氏体数量逐渐减少所致。

3 讨论

激光模式不同, 都将造成激光光斑形状发生变化, 光斑形状的不同能使所获得的熔覆层形貌和力学性能存在较大的差别。高斯光斑与宽带光斑能量分布如图5所示, 即利用宽带系统, 可将光束W形ei状g调ht制成功率密度分布为矩形分布的光斑, 大功率激光通过这种变换后, 激光的功率分布可以均匀地会聚在一个尺寸很小的方形区域, 这不但大大方便了激光扫描工艺的制定, 而且由于光斑具有整齐的方形边界, 可以准确控制作用区域, 使同时扫描的面积比较大。图5给出了本课题采用的调制光斑能量分布与高斯模式能量分布情况。

4 结论

1) 宽带光斑尺寸为15mm×2mm, 输出功率p=3kW, 扫描速度v=3mm/, 熔覆效果最佳;

2) 宽带激光熔覆模式具有以下优势: (1) 可以增加熔覆带宽度, 单道熔覆宽度10~15mm, 甚至更宽, 窄带φ1~3mm; (2) 宽带激光熔覆可使温度分布更为均匀, 由于激光束斑快速局部摆动使熔池表面温度最高点快速变化, 导致熔池中央区域的温度梯度下降, 裂纹敏感性降低, 引起的变形减小, 表观质量得到改善; (3) ]]由于熔池边缘的温度梯度形成了适当的表面张力, 可起到搅拌熔体使合金元素均匀分布的作用。

参考文献

[1]王义厢, 45钢表面激光熔覆铁基合金涂层显微组织与性能[J].热加工工艺, 2008 (21) :131-133.

篇4：激光熔覆工艺研究现状及发展

关键词： 复合熔覆工艺；激光器；缺陷与控制；高效化

中图分类号： TG159.99

Abstract： Laser cladding technique can make a special performance on the surface of lowcost metal substrate， such as wear resistance， corrosion resistance and high temperature antioxidation， in order to improve the properties of key components.As for the repair of critical parts， it would effectively reduce the costs. But the traditional laser cladding process has a high cracking sensitivity， and lightly brings pores. Once base and cladding materials be selected， the defects can be avoided by optimizing cladding process. In recent years， electromagnetic stirring， ultrasonic， mechanical vibration and other new cladding processes have a rapid development， meanwhile the requirement of efficiency and precision are rising. In this paper， recent developments of laser devices and cladding processes are summarized. Besides， the existing problems and the corresponding solutions are discussed. Finally， the trend of research in the future is forecasted. And promoting the growth of laser cladding process is of great significance.

Key words： composite cladding process； laser device； defects and control； high efficiency

0 前言

激光熔覆技术兴于20世纪70年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属）、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素，深入研究工艺特性对于该技术在工业中的应用具有实际的指导意义。

1 激光器的发展

激光器是将其他能量转换为激光的器件，是激光熔覆加工系统的核心组件。自1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定激光的理论基础，到19世纪60年代红宝石、氦氖、砷化镓半导体及染料等激光器的相继问世，激光器的发展进入了一个崭新的阶段。激光器的种类繁多，按工作方式分为连续型和脉冲型，按工作介质分为4类，激光器类型及特点如表1所示。

针对激光熔覆技术，目前广泛应用的激光器主要是横流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的输出波长为106 μm，较CO2激光波长小一个数量级。对金属及其合金而言，一般随波长的增加，吸收率减小，所以同一金属材料对这两种激光的吸收率有很大差别。张安峰等[1]研究了CO2和YAG激光的熔覆特性，发现对于同一种材料，YAG激光的吸收率约是CO2激光的3倍多。但因CO2激光器转换功率高，器件结构简单、造价低廉，目前仍为激光熔覆主要采用的激光器。

随着技术发展出现的光纤激光器也逐渐应用到激光熔覆中，这种激光器是以掺入某些激活离子的光纤作为工作介质，或利用光纤自身的非线性光学效应制成。光纤激光器具有多种优势，如光纤的可挠性带来的小型化、集约化；多维空间的加工；光电效率达30%以上，有效降低成本；可调谐性好等。徐宇蓝等[2]利用机器人光纤激光系统在45钢表面作铁基粉末熔覆，结果表明熔覆层显微硬度高于基材两倍以上，能够消除搭接处微裂纹及气孔等缺陷，具有广阔的市场前景。

2 激光熔覆工艺

2.1 传统激光熔覆工艺

激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较低；同步式的熔覆工艺过程简单，效率高，可控性好，易于实现自动化，适合大规模工业生产。

影响熔覆层质量的因素众多，包括激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的预处理和后处理，材料的热物理特性等。但激光功率、扫描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的参数，通常用比能量进行优化设计。针对激光熔覆工艺参数的优化已有大量的试验，如Lusquios等[3]在不锈钢上采用光纤激光熔覆Co基合金探究了各个参数之间的影响。Przybylowicz等[4]在镍基和钴基合金粉末中分别添加WC相，探讨了激光功率和扫描速度对碳钢上裂纹的影响规律。王璐等[5]在45钢表面熔覆NiCrMn+WC硬质合金层，研究扫描速度及功率对显微硬度的影响。王志坚等[6]采用铁基合金粉末进行单道熔覆试验，研究了激光功率、扫描速度及送粉量对熔覆形状尺寸和成形效率的影响。

虽然针对工艺参数对熔覆层组织性能、显微硬度、缺陷影响等做了大量的研究，但各个参数对熔覆质量的影响规律较为复杂，需针对特定的熔覆材料体系进行详细讨论。

2.2 复合激光熔覆工艺

传统的激光熔覆工艺易出现裂纹等问题，影响熔覆层的质量及使用性能。所以，近年来复合激光熔覆技术得到很快发展，如激光熔覆辅加电磁搅拌、超声波、机械振动、交变磁场等。余本海等[7]在激光熔覆WC-Co基合金中辅加电磁搅拌的研究中发现，电磁搅拌能够使熔覆层组织的晶粒均匀细化，并能够消除熔覆层内的气孔和微裂纹，提高熔覆层质量。王维等[8]利用超声波对BT20钛合金进行激光熔覆时指出，超声波能够使熔覆层内部组织气孔率下降、晶粒尺寸减少。Zhou等[9]辅加感应加热系统在Cu基体上熔覆Cu-Fe基合金粉末，试验未发现气孔及裂纹等缺陷（图1）。在熔覆层中央（图1b）有大量5～50 μm尺寸的球状粒子（A）分布于细小晶粒基体（B）中，通过分析知富铜基质中的球状粒子含过饱和Cu的富Fe相。此外，熔覆层的显微硬度是基材的3倍，其强化是沉淀硬化及弥散硬化等的组合强化。

3 激光熔覆主要问题及解决

虽然激光熔覆在众多的表面改性技术中具有相当大的优势，且近年来激光熔覆新工艺也得到研究，但作为大范围商业化应用的表面改性技术而言，其裂纹、气孔、大面积熔覆等亟待解决的问题限制了它的应用发展。

3.1 裂纹及气孔缺陷的控制

激光熔覆是一个典型的快速加热、冷却的过程，特别是在熔覆硬质陶瓷相时，由于熔覆材料与基体材料在物理性能上的差异，易产生残余应力，进而导致熔覆层的开裂[10]，如图2a所示。这种裂纹问题可通过调控材料间热胀系数的匹配来解决，而在选定材料的基础上，一般通过优化工艺方法及工艺参数来抑制熔覆层的开裂。另外，还可以减少温度梯度（如预热、保温）；在合金粉末中添加增韧、增塑的元素以达到抑制裂纹产生、增加熔覆层抗裂的目的[11]。研究表明，在合金粉末中加入V2O5能抑制裂纹的生成；超声波振动也可以有效地控制裂纹的产生[12-13]。Zhou等[14]在激光熔覆镍系和WC相的复合涂层中发现存在裂纹，如图2b所示，而利用激光-感应复合熔覆可获得无裂纹的熔覆层。

关于气孔的形成机制，普遍的观点认为：气孔是由于残余的保护气体或在激光熔覆过程中形成的气体没有足够的时间从熔池中逸出而形成的。对于气孔的控制，可以通过优化工艺参数、减少气体来源（如烘干熔覆合金粉末）、预热缓冷、略微延长熔池时间来实现。Zhou等[15]通过研究不同基体及熔覆材料对气孔的影响，发现工艺参数相同时，由于基体热导率的不同使Q235钢形成的气孔比不锈钢上的大很多（图3a，3b）。另外，含Cr3C2粉末的熔覆层生成的气孔更大（图3a，3c），这是由于Cr3C2的熔点比Fe901的高，未融化粉末间的孔隙连接起来形成了较大尺寸的气孔。

3.2 高效激光熔覆的实现

将激光熔覆技术广泛地应用于实际生产中，大面积熔覆是必不可少的。大面积熔覆工艺主要有两种：多道搭接和多层叠加，即从横向及纵向两个方向加工处理。由于激光光斑尺寸较小，而搭接会造成相邻扫描带结合处的“二次加热”效应，进而引发材料表面显微硬度降低及裂纹的产生，这严重制约了激光熔覆技术的应用。

提高熔覆效率可通过使用大功率的激光器、增加扫描速度或光斑直径等实现，但其受比能量Es的限制，不能无限制的提高。为改善因搭接产生的问题，研究表明，采用矩形光斑或激光-感应复合熔覆技术等均有利于提高熔覆效率。如在宽带光束模式下，不仅可以增加熔覆带宽度，还能够降低裂纹敏感度。同时，利用熔池边缘温度梯度形成的表面张力起到搅拌熔体合金使其均匀分布的作用[16]。如图4在不同光斑的激光熔覆试样中，矩形光斑的熔覆面积更大，而圆形光斑熔覆则需要多次搭接，且出现气孔缺陷。周圣丰等[17]在激光-感应复合熔覆的试验中表明，复合熔覆的效率是单纯熔覆的3倍多，而稀释率仅为5.2%，抗干滑动磨损性能约是单纯熔覆的1.42倍。另外，周圣丰等[18]利用激光-感应复合熔覆的方法在Q235钢表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC熔覆层，且相对于单纯激光熔覆，复合熔覆的效率约提高了5倍。试验表明，在激光-感应复合熔覆过程中，熔覆层与基材间的温度梯度大大降低，这是获得Ni基WC熔覆层无裂纹的关键原因。

4 前景展望

激光熔覆技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，但仍存在裂纹、气孔缺陷，大面积熔覆的实现及设备昂贵等问题，在选定材料的基础上，优化工艺方法和工艺参数尤为重要。未来激光熔覆工艺的发展应该聚焦在以下几个方面：

（1） 新型激光器的工业化应用。性能良好的大功率激光器是激光熔覆的首要条件，未来倾向于研发大功率、小型化的激光装置，提高电源的稳定性和寿命。固体激光器应解决转换效率低的问题，其发展趋势包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作介质，增大输出功率，改善光束质量，提高转换效率等。光纤激光器具备一系列的优点，未来应开发新的生产工艺，降低成本，扩大工业化应用。

（2） 新型激光熔覆工艺的发展。熔覆层的开裂是激光熔覆最棘手的问题，应优化传统熔覆工艺、开发新型熔覆技术，如梯度熔覆和高频感应熔覆等。梯度熔覆是在熔覆层与基体间熔覆复合层，熔覆层前后进行合适的热处理等。高频感应熔覆是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流进行辅助加热，利用高频感应制备的熔覆层成形良好，析出强化相分布均匀，缺陷少。这两种工艺均有利于解决熔覆中常见的裂纹、气孔等问题，但复合熔覆技术存在工艺复杂及效率低下等问题。

（3） 激光熔覆效率及精度的提高。激光熔覆层表面不平整，后续机加工量较大，如何提高激光熔覆的精度也是亟待解决的问题。应研发新型一体式送粉熔覆设备及高精度送粉控制系统，解决与大功率激光器配套的精确度与熔覆工艺稳定性等问题。

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篇5：激光熔覆硕士论文

研制了适合激光熔覆成型的`Ni-Cu-Sn合金粉末.通过工艺试验.分析了激光熔覆成型件的微观组织特征及微观缺陷的形成原因,并提出了预防缺陷形成的方法.

作 者：张雁 费群星 谭永生 曹文斌 赵靖 作者单位：张雁,费群星,谭永生(高能束流加工技术重点实验室)

曹文斌,赵靖(北京科技大学)

篇6：激光熔覆技术研究进展

按涂层材料的添加方式,激光熔覆的工艺方法主要有预置法和同步送粉法2种[2],如图1所示。预置法是将要涂覆的材料通过喷涂或粘接等方法预置于基体表面,然后经激光束辐射进行重熔;同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上,涂层一次性成型。前者工艺简单、操作灵活,但不易控制基体熔深,稀释度大;后者可以充分利用激光能量,工艺参数易控制,覆层质量较好,生产效率高,但需配置计数精确的送粉装备,对粉末也有特殊要求,如粒度、流动性等,另外,粉末浪费量较大,与喷涂相当。从总体上来看,同步送粉法是今后激光熔覆工艺的发展趋势。

激光熔覆技术具有如下工艺特点[3]:①由于激光具有近似绝热的快速加热过程,激光熔覆对基体的热影响较小,引起的变形也小,因而引起的零件报废率也很低;②控制激光的输入能量,可以将基体材料的稀释降到较低的程度,从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下,又保持原选定的熔覆材料的优异性能,;③适用范围广,理论上几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。正是由于这些特点,才使得激光熔覆技术近10年来在材料表面改性方面受到了广泛的关注。

1 激光熔覆技术国内外研究动态

1.1 设备

“工欲善其事,必先利其器”,激光熔覆技术的发展也不例外。目前,激光器主要有3种:CO2气体激光器、YAG固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔覆的激光器主要有2种:一种是输出功率为0.5～10kW的CO2气体激光器,另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面强化的激光器多为CO2大功率激光器。

近年来,华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作,如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500～10000W大功率CO2气体激光器、100～500W固体激光器等系列激光产品,中科院则开发出集成化激光智能加工系统,清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。伴随着计算机技术的不断发展和进步,激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进。

国外在这方面起步较早。自1974年Gnanamuthu申请了一项利用激光熔覆法在金属基体上熔覆一层金属的专利[4]之后,美国AVCO和METCO公司都做了大量基础研究工作。2005年,Grunewald等设计了一种新的送粉系统,配套测量装置可反馈信息,从而能够保证整个处理过程供给速度恒定。由于其高度集成且质量较轻,整个供给装置可安装在激光工作头上。为了实现全方位送粉,J.Lin等设计出一种最新的喷嘴装置,粉末材料、气体与激光束一起,三者同轴射入移动基体形成熔池,粉末利用率可达40%[5],比以往有较大的提高。

1.2 材料

激光束由于具有较高的能量密度,不仅可以熔覆金属和合金涂层,而且还可以熔覆陶瓷等一些高熔点难熔涂层[6]。目前,应用于激光熔覆的材料大多沿用的是喷涂用粉末状材料,如金属、合金和陶瓷等,纯金属粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等;合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、CoCr-W、MCrAlY(M:Co、Ni、Fe)、Fe基、Ni基、Co基自熔合金等;陶瓷粉末有Al2O3、ZrO2、Cr203、TiO2等氧化物陶瓷粉末,WC、TiC、Cr3C2等碳化物陶瓷粉末,WC-Co、Cr3C2-NiCr等金属陶瓷粉末。但随着近年来复合材料的兴起,激光熔覆用材料逐渐由单一的喷涂用纯金属粉末、合金粉末和陶瓷粉末等逐渐向复合材料转变,如合金+陶瓷等。M.Alhammad等[7]在Ti-6Al-4V合金上使用Nd:YAG激光器以不同的扫描速度沉积了一层Ti-Si化合物;Knut Partes等[8]在耐盐酸镍基合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温涂层;渠通洋等[9]在不锈钢基材上通过激光合成Ni-Cr-Al-Co-X(X=Mo、W、Nb、Ti、C、B)+TiC粉末制备了TiC陶瓷颗粒增强Ni-Al基高温耐磨复合材料涂层,试验证明该涂层具有良好的高温稳定性;王华昌等[10]在指定的W6Mo5Cr4V2基体上激光熔覆金属陶瓷Ni60/Ni-Cr-Cr3C2涂层,该涂层组织具有晶粒细小、硬度较高等优良性能。

此外,随着表面科学技术的迅速发展,在激光熔覆层中添加稀土材料对提高熔覆层的性能有着重要意义。汪新衡等[11]用CO2横流激光器在45钢基体表面熔覆稀土氧化物(Ce02)镍基TiC金属陶瓷复合层。试验结果表明,加入适量的稀土氧化物CeO2 (0.6%)可以有效地减少复合层中的裂纹、孔洞和夹杂物,促进晶粒细化,提高熔覆层的组织均匀性及表面硬度,并且可明显改善熔覆复合层的耐磨及耐蚀性能。

1.3 熔覆层性能

激光熔覆技术作为一种新兴的表面改性技术,其涂层不仅极大地提高了工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和耐疲劳等力学性能,而且也延长了材料的使用寿命,尤其在废品件维修处理方面的应用具有不可估量的价值,目前已被广泛应用于军事、航空、石油、化工和医疗器械等诸多领域。

1.3.1 耐磨性

Janne Nurminen等[12]通过激光熔覆得到了具有耐磨性的金属基复合材料(MMC)涂层,该涂层包含V、W、Ti和Cr3C2硬质相,这些硬质相与金属工具钢、Stellite 21、NiCrB-Si和Inconel 625合金混合在一起,具有优良的耐磨性,其主要原因就在于金属基内共存着大量、各种各样的碳化物。晁明举等[13]在低碳钢板上使用Ni60合金+(Ta2O5+C)混合粉末材料,采用激光熔覆原位合成了颗粒增强镍基复合镀层,该涂层与基体形成冶金结合,并具有同种均质细小的微观结构,包含近似的立方TaC晶粒和均匀分布的碳化铬,这些碳化铬与γ-Ni固溶体以弥散共晶的形式存在,通过对比发现,TaC/Ni60涂层较Ni60涂层具有更高的耐磨性。为了提高AZ91D镁合金的耐磨性,Yang Y等[14]使用Nd:YAG激光器在其表面熔覆了一层Al-Si合金粉末,通过选择适当的工艺参数和Al、Si的比例得到了无微裂纹、无气孔的优质涂层,该涂层的主要相为Mg2 Si和Mg17Al12,表面硬度由35HV提高到170HV,耐磨性与基体相比提高了4倍多。Guo Baogang等[13]通过激光熔覆与激光渗氮在Ti上原位合成了TiN/Ti3Al金属基复合涂层。研究表明,TiN/Ti3Al金属基复合涂层比Ti3 Al的硬度高,这是由于TiN相较多,通过摩擦磨损试验发现,TiN/Ti3Al涂层的耐磨性能要明显优于纯Ti和Ti3Al涂层。Gonzalez R等[16]研究了火焰喷涂+火焰重熔NiCrBSi涂层和火焰喷涂+激光重熔NiCrBSi涂层的磨损性能,通过磨损试验精确测定了2种涂层的磨损率,发现2种涂层的摩擦性能没有明显差异。高载荷磨损条件下,表层氧化物破坏加剧,此时磨损机制为粘着;低速磨损条件下,在表面形成氧化物致使磨损率降低,此时主要的磨损机制为氧化。

1.3.2 耐腐蚀性

传统的耐腐蚀涂层主要有用于钢铁结构表面耐腐蚀防护的热喷涂铝、锌、锌铝、稀土铝与铝镁合金等涂层。国内外的研究及大量应用表明,这是最有效和最经济的防护方法[17]。P.Volovitch等[18]在ZE41镁合金上通过激光熔覆了Al-Si合金涂层,研究表明,该涂层是由Al-Mg金属间化合物与Mg2 Si树枝状沉淀物组成,Mg固溶于A1中或形成Mg17-Al12金属间相,通过热处理或优化激光工艺参数而使微观组织均匀化,以达到提高其耐蚀性能的目的。张家锋等[19]通过微弧氧化和无铬化学氧化等表面处理方法,浸泡腐蚀和电化学腐蚀等分析方法,研究对比了不同表面处理工艺下压铸镁合金涂层的抗腐蚀性能。XRD分析表明,这2种处理方法得到的覆盖层中主体相均为Mg3Al2Si3012等含硅的尖晶石型氧化物和Mg0.36 Al244 04、MgAl2 04等不含硅的镁铝复合氧化物,有利于提高镁合金的耐蚀性能。匡建新等[20]采用最大输出功率为5kW的横流CO2激光器在45钢基材表面熔覆Ni60+70%镍包WC合金粉末,结果表明,添加适量CeO2的激光熔覆层的耐腐蚀能力比不含CeO2的激光熔覆层要高,且显著优于OCr18Ni9不锈钢。

1.3.3 耐高温性

Knut Partes等[8]在哈氏合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温氧化涂层,置于空气氧化炉(1100℃,450h)中进行试验。通过测试表明,氧化膜分为内、外两层,内层为混合尖晶石型氧化物,外层为氧化铝连续层。该涂层之所以耐高温氧化,是因为在涂层表面形成了连续的氧化铝膜层,阻止了空气向基体的扩散。Sheng W等[21]在AISI 304不锈钢上通过激光熔覆了Ni-Ti-Si三元金属硅化物涂层,该涂层包含Ni16Ti6Si7树枝状组织和枝晶间的Fe-Ni基γ-固溶体,在高温和金属干滑动磨损条件下具有良好的磨损性能。王东生等[22]研究了TiAl合金表面双层辉光离子渗Cr层、等离子喷涂以及激光重熔MCrAlY涂层在850℃的循环氧化行为。结果表明,渗Cr层组织均匀、致密,且与TiAl合金基体为梯度冶金结合;经过激光重熔处理后,等离子喷涂MCrAlY层的片层状组织得以消失,致密性提高;几种涂层均不同程度地提高了TiAl合金的抗高温氧化性能,其中渗Cr层在氧化初期表现出较好的抗氧化性能,但在长期循环氧化过程中存在局部氧化层剥落现象;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。

1.3.4 其它性能

通过激光熔覆不仅可以获得耐磨、耐蚀和耐高温等防护性涂层,而且还可以获得一些功能涂层,如生物陶瓷涂层、功能梯度涂层等。Zheng Min等[23]为了在金属植入物和骨组织之间建立生物活性界面,在Ti合金(Ti-6Al-4V)上激光熔覆了一层梯度磷酸钙生物陶瓷涂层。Yue T M等[24]在Mg上激光熔覆Ni/Cu/Al功能梯度涂层,以此来提高Mg的耐蚀性能和耐磨性能。

1.4 工业应用

进入20世纪80年代以来,激光熔覆技术得到了迅速的发展,目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践中的需要,激光熔覆技术在工业化前进道路上迈出了巨大的一步,其应用领域非常宽广,可应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。

利用激光熔覆来修复零件已获得了广泛的应用。早在1983年英国的Rolls-Royce公司将激光熔覆应用于RB211型燃气轮叶片连锁肩的修复[25];日本的尼桑公司在铝基发动机叶片上成功地熔覆铜基合金[26];Aihua等[27]采用Ni基和Co基合金粉末,对内燃发动机排气阀密封面进行激光熔覆,代替等离子喷涂和真空感应熔焊涂层工艺,不仅避免了涂层中的孔洞与微裂纹,而且获得了比常规等离子喷涂和真空感应熔焊层更高的显微硬度;Chang Jeny-Ming等[28]在Cu上熔覆Ag作为电接触材料,既可以节约大量的贵金属,也可消除原工艺中的有毒化学电镀物质,从而大大改善生产环境;重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺来制备生物陶瓷的基础上,在比强度高、耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光一步合成和涂覆含Ca5 (PO4)3-OH羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。

2 激光熔覆技术目前存在的主要问题

如上所述,通过合适的工艺方法在不同基体材料熔覆一层具有特殊性能的涂层,可以极大地改善基体材料的性能,尤其是提高硬度、耐磨性、耐蚀性等性能。目前,激光熔覆技术之所以尚未在工业生产中获得大规模的应用,主要是因为在激光熔覆过程中仍然存在一些问题尚未彻底解决。

(1)熔覆层的裂纹、剥落以及工件变形问题。裂纹是大面积激光熔覆过程中最为棘手的问题。熔覆层中的残余应力是造成开裂的主要原因,包括热应力、组织应力和约束应力。由于激光的能量密度集中,使得涂层完全熔化而基体表面微熔,熔覆层和基体之间存在极大的温度梯度。随着激光束与工件的相对移动,在凝固过程中,由于异种材料性能的差异,形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成涂层与基体收缩不一致,熔覆层受到周围环境的约束,在涂层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹,如图2所示(未预热,V=720mm/min)。

王东生等[29]就V2O5对NiCrBSiC涂层的裂纹敏感性进行了深层次的研究,结果发现,V2 O5的加入对裂纹的减少确实起到了明显的效果。这是由于V2 O5的加入使涂层中优先形成了钒硼化合物,这些钒硼化合物的产生对形成均匀分布的树枝状组织有利,正是这树枝状组织抑制了铬碳化合物的产生。剥落是由于结合强度不够高,涂层与基体未形成良好的冶金结合,在强大的载荷下,材料表层容易疲劳而与基体分离。只要选择合适的工艺参数与工艺方法,就能使激光熔覆层完全熔化,与基体之间达到冶金结合,此时结合强度很高,一般不会发生脱落。工件的变形也是激光熔覆技术的一大难题。由于激光束的能量极高并且集中,在熔覆过程中工件极易产生变形,因此,它不适合大型件、薄壁件的表面熔覆,一般在条件允许的情况下尽可能采用低功率熔覆,这样也可以节约能量,提高效率。

(2)熔覆层材料未形成完整体系的问题。涂层与基材的结合效果主要取决于熔覆层材料和基体材料的性质,如熔覆层材料与基材的熔点差异过大,就很难形成良好的冶金结合。2种材料的性质直接制约着熔覆层的质量,当然,熔覆层的质量还与激光熔覆的工艺参数等要素密切相关。因此,必须采用相对基体材料具有良好润湿性及适当熔点的表面合金,使其系统化、理论化、实践化,只有这样,熔覆层质量才能达到预期的效果。

(3)铝、镁等轻质金属合金的激光熔覆层质量问题。由于铝、镁等是熔点较低的轻金属材料,如果功率密度过大,基底材料表面熔深就会较大,使涂层的稀释度也较大[31]。而且,由于铝与氧的亲和力很大,所以常温下铝合金在空气中极易被氧化,在其表面产生一层致密的氧化膜A1203,该A1203氧化膜的熔点较高,在激光熔覆过程中的熔池内很难熔化,且密度比率大,在成型过程中很难上浮,易在界面上形成气孔,影响熔覆层的质量,如图3所示(P=2.5kW,V=5mm/s,Q=20L/min)。

3 激光熔覆技术的前景展望

随着计算机技术的不断发展以及科技的不断进步,激光熔覆技术具有更为广阔的发展前景。

(1)应进行更深层次的基础理论研究工作[17,33]。如建立熔池的温度场分布模型,研究熔池内流体的对流机制,以及凝固时熔覆层内组织发生变化的规律,进而优化工艺参数;建立科学的激光熔覆动力学及热力学模型,从热力学和外延生长的角度出发,系统地研究激光熔覆过程中的快速凝固行为,揭示材料微观结构的形成规律。

(2)对激光熔覆设备进行改进,以适应日后规模化生产与加工。近年来,对于使用连续CO2气体激光器进行熔覆,国内外学者都已经做出了大量的研究工作,而研制出主要应用于有色金属合金表面改性方面的高功率YAG激光器迫在眉睫。虽然目前激光熔覆技术还未规模化,但是随着激光熔覆的进一步发展和科技进步的日新月异,应尽早致力于大功率、小型化激光器的研制与开发工作。另外,激光熔覆用配套设备,如送粉器等,应进一步改进控制系统,使其更为精确,并朝着自动化、智能化、人性化的方向迈进。

(3)应尽早制备出适合于激光熔覆的专用材料,或粉末状,或棒状,或板状。如前所述,目前激光熔覆所用的材料大部分是喷涂用合金材料,对于激光熔覆过程中存在的一些疑难问题,除了工艺上存在不足之外,在涂层材料的选择上也需要多加考虑。因此,根据所需要的熔覆层性能定性甚至定量地设计出合金的成分,并根据不同的工况条件设计出不同形状的涂层材料,应是目前需要研究的课题之一。

(4)开发激光熔覆与其它表面改性技术复合的新技术,制订出新工艺新方法。通过工艺复合这种思路,可以达到“1+1>2”的功效,这是对激光熔覆技术的革新,不仅可以弥补由于激光熔覆工艺和材料等自身带来的不足,而且能拓宽激光熔覆技术未来的应用领域,以达到工业应用的目的。

摘要：首先从激光熔覆用设备与材料、熔覆层的性能以及工业应用等方面,综述了国内外激光熔覆技术的研究动态与进展。其中,着重介绍了激光熔覆层的性能,如耐磨、耐蚀、耐高温等。随后指出了激光熔覆技术目前存在的一些技术难题,如熔覆层的开裂与剥落、工件的变形、不完整的熔覆层材料体系以及轻金属的熔覆质量等问题。最后展望了激光熔覆技术的发展前景,并针对目前该技术存在的问题指明了今后的发展方向。