激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合課件

激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀研究意義：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層既具有陶瓷材料的高硬度、耐高溫、耐腐蝕同時也具有金屬材料的高韌性、高強(qiáng)度及高彈性模量等優(yōu)良的力學(xué)性能。激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層可減少金屬零部件表面的磨損和腐蝕破壞，有效的提高金屬零部件的使用壽命和安全可靠性。激光熔覆冷卻速度快，因此其熔覆層組織晶粒細(xì)?。辉谌鄹策^程中激光束對熔融材料產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，雜質(zhì)和氣泡等能夠浮出熔融材料，因此能夠形成成分均勻、完全致密無缺陷的涂層。此外，激光熔覆層還具有表面光潔度高、摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)。研究意義：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層既具有陶瓷材料的高硬度、2激光熔覆技術(shù)(Lasercladding)激光熔覆是通過在基材表面添加材料，并利用高能密度的激光束,使材料與基材表面薄層一起熔化、凝固，最終在基層表面形成冶金結(jié)合的添加層的工藝方法。在激光熔覆過程中，激光加熱工件表面，導(dǎo)致表面薄層金屬熔化，與被送入的粉末一起形成金屬熔池。隨著激光掃描運(yùn)動的持續(xù)，熔池不斷向前移動，已掃描區(qū)域的液態(tài)金屬冷卻凝固，進(jìn)而形成熔覆帶。激光熔覆技術(shù)(Lasercladding)激光熔覆是通過在3激光熔覆作為一種表面改性工藝，在普通材料的零件表面涂覆一層具有特殊性能的材料，改善零件表面的耐磨、耐腐蝕等性能，相對傳統(tǒng)表面改性工藝，具有多方面的優(yōu)越性。（1）可以實(shí)現(xiàn)對涂層的精確自動化控制，涂層的厚度變化范圍寬，可以從0.1毫米到幾個厘米。（2）與基體產(chǎn)生冶金結(jié)合。（3）對基體的熱影響小。（4）涂層材料的選擇范圍寬，可以使用各種金屬、陶瓷和金屬+陶瓷復(fù)合材料。激光熔覆作為一種表面改性工藝，在普通材料的零件表面涂覆一層具4激光熔覆材料基體材料熔覆材料金屬粉末陶瓷粉末復(fù)合粉末碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金（鈦合金，由于化學(xué)活性高，會和很多元素形成陶瓷相或金屬間化合物）激光熔覆材料基體材料熔覆材料金屬粉末陶瓷粉末復(fù)合粉末碳鋼、不5激光熔覆材料金屬粉末：常用的純金屬粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等

合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、Co-Cr-W、MCrAlY(M：Co，Ni，F(xiàn)e)、自熔性合金等自熔性合金粉末中含有硅和硼，能夠顯著降低合金熔點(diǎn)，增加液態(tài)金屬的流動性和對基體的潤濕性，可以極大地提高熔覆層的質(zhì)量。按照自熔性合金粉末主要基體成分不同，可以分為鐵基、鎳基和鈷基合金。

（其中鎳基自熔性合金性價比最高，研究和應(yīng)用的范圍最廣）激光熔覆材料金屬粉末：6激光熔覆材料陶瓷材料：激光熔覆陶瓷材料可以分為兩類：純陶瓷材料和復(fù)合陶瓷材料。純陶瓷材料：Al2O3、Al2O3-13％TiO2、Al2O3／CaF2、ZrO2等多種材料。純陶瓷材料和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差別大，而且本身硬度高、脆性大，熔覆后容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生剝落，影響使用壽命。更廣泛使用的還是復(fù)合粉末熔覆。激光熔覆材料陶瓷材料：7激光熔覆材料復(fù)合材料:復(fù)合粉末是指將單一金屬或合金粉末與高熔點(diǎn)陶瓷粉末按照一定比例混合。在激光熔覆過程中，金屬或合金粉末充當(dāng)粘結(jié)相，而陶瓷粉末充當(dāng)硬質(zhì)相，生成包覆型或非完全包覆型的熔覆層。通常使用的是自熔性合金，在其中加入碳化物(WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)，氧化物(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)，氮化物(TiN、Si3N4等)，硼化物，硅化物等。復(fù)合粉末熔覆層致密無缺陷，既有金屬的韌性，又有陶瓷材料的耐磨損、耐腐蝕以及抗氧化的特性，常稱為金屬陶瓷，是激光熔覆中應(yīng)用最廣泛的材料。激光熔覆材料復(fù)合材料:8激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒工業(yè)生產(chǎn)中常采用鎳基自熔合金粉末中加入WC、TiC、SiC、B4C等各種高熔點(diǎn)的超硬陶瓷顆粒，由于激光熔覆后形成復(fù)合涂層中M7C3、M23C6等自由碳化物強(qiáng)硬化的合金基體與極硬的主體硬質(zhì)相匹配，熔覆層的硬度和耐磨性得到了顯著提高。碳化鎢是工業(yè)應(yīng)用中最常加入的耐磨顆粒。激光熔覆過程中，在WC顆粒與其周圍合金之間發(fā)生了分解、溶解反應(yīng)，熔覆層組織的主要組成為未熔WC顆粒相、枝晶固溶體、碳化物及其包裹的共晶組織等組成。激光熔覆涂層中，由于WC硬質(zhì)相的出現(xiàn)，涂層能防止嚴(yán)重的粘著磨損和磨料磨損，提高涂層的磨粒磨損性能和耐沖蝕腐蝕磨損性能。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒9激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒法工藝簡單，但是熔覆過程容易造成燒損、分解等，導(dǎo)致涂層中增強(qiáng)相的損失；另外在加工過程中增強(qiáng)顆粒也容易受到污染，使得增強(qiáng)相與基體間潤濕性差，界面結(jié)合差，從而損害復(fù)合涂層的力學(xué)性能。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒法工藝簡單，但是熔覆過程10激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層原位自生碳化物激光熔覆原位自生工藝制備的陶瓷復(fù)合顆粒增強(qiáng)相是原位形核、長大的穩(wěn)定相，因此增強(qiáng)體表面干凈清潔，熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高；且通過選擇單質(zhì)或者化合物的成分類型及反應(yīng)特性，可制備出不同種類、大小和數(shù)量的陶瓷增強(qiáng)相；陶瓷顆粒增強(qiáng)相最先形核析出，有利于促使其它顆粒增強(qiáng)體依附其生長；在保證基體材料具有良好的延展性、高硬度和抗高溫性能的同時，又大大改善了基體材料的強(qiáng)度和彈性模量。國外采用Cr3C2、BN、TiC、B4C等材料與Ti基體反應(yīng)，原位生成TiB、TiB、TiC、TiN等硬質(zhì)相。國內(nèi)也有不少材料工作者進(jìn)行了這方面的研究，所采用的反應(yīng)原料不同，原位生成的陶瓷強(qiáng)化相以TiC和TiB為主。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層原位自生碳化物11激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層在自熔性合金激光熔覆時加人稀土或稀土氧化物，可顯著改善熔覆層的組織，提高熔覆層的性能。適量的稀土氧化物L(fēng)a2O3（氧化鑭）可明顯提高鎳基TiC金屬陶瓷復(fù)合層的耐磨性和耐蝕性。添加CeO2（氧化鈰）后的鎳基金屬陶瓷復(fù)合層耐硫酸腐蝕能力增強(qiáng)。La2O3加入到激光熔覆鐵基合金涂層后，細(xì)化了晶粒，凈化晶界，減小了二次枝晶間距，組織趨于均勻，提高了熔覆層的硬度和耐腐蝕能力，改善了熔覆層的摩擦磨損性能。釔加入激光熔覆原料中生成的氧化釔改變了涂層的顯微組織和力學(xué)性能，添加釔后，防止了碳原子滲入到基體金屬中，增加了涂層中的TiC相，涂層的斷裂韌性和硬度都得到了提升。激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層在自熔性合金激光熔覆時加人稀土或稀土氧12激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層納米顆粒加入金屬熔覆層后可以細(xì)化熔覆層組織，使得涂層界面處的結(jié)晶形態(tài)發(fā)生變化，同時有效抑制近界面處基體的裂紋等缺陷。

(添加納米CeO2，能顯著抑制結(jié)晶和晶體生長；納米Al203顆粒、納米TiC)激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層納米顆粒加入金屬熔覆層后可以細(xì)化熔覆層13激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層過渡金屬硅化物合金特別是W2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Mo2Ni3Si和Co3Mo2Si等具有拓?fù)涿芏?TCP)hp12MgZn2型Laves相晶體結(jié)構(gòu)的三元金屬硅化物合金由于其固有的高硬度、反常的硬度-溫度關(guān)系使其具有優(yōu)異的耐磨料磨損性能由于其以共價鍵為主的原子間強(qiáng)鍵結(jié)合特征，使其具有優(yōu)異的抗粘著磨損性能和較低的摩擦系數(shù)可望成為一種很有前途的在高溫和腐蝕工況下工作的新型耐磨材料。激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層過渡金屬硅化物合金14激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層研究表明MoNiSi和Co3MoSi增強(qiáng)相的摩擦磨損特性和高韌塑性固溶體基體使得涂層具有優(yōu)良耐磨損性能；而高含量的Cr、Si及Laves相的高溫穩(wěn)定性保證了激光熔覆涂層具有優(yōu)良抗氧化性能和耐腐蝕性能。然而硅化物嚴(yán)重的中低溫脆性一直是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要障礙，通過合金化方法在單相金屬間化合物組織中引人適量的韌性第二相，是改善過渡金屬硅化物韌性的有效方法之一。激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層研究表明MoNiSi和Co3MoSi增15參考文獻(xiàn)劉建明,楊素媛,于月光.激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展[J].有色金屬,2008,(4):13-16勵達(dá),劉愛國.激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展分析[J].焊接,2014,(9):11-14張杰.激光熔覆技術(shù)專利分析[J].科技視界,2012,(6):334-335劉全民.激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀[J].熱噴涂技術(shù),2014,6(2):1-5周思華,劉艷花.金屬表面激光熔覆處理技術(shù)的研究[J].周口師范學(xué)院學(xué)報,2013,30(5):60-63劉繼常.激光熔覆工藝?yán)碚撆c試驗研究[J].電加工與模具,2014,(4):46-53趙國宏.零部件的激光熔覆強(qiáng)化技術(shù)[J].昆鋼科技,2014,(1):45-51馮淑容,張述泉,王華明.鈦合金激光熔覆硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)金屬間化合物復(fù)合涂層耐磨性[J].中國激光,2012,39(2):3-6參考文獻(xiàn)劉建明,楊素媛,于月光.激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展[16注釋：拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合，得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其空間利用率及配位數(shù)均很高，由于具有拓?fù)鋵W(xué)的特點(diǎn)，故稱之為拓?fù)涿芏严?，。拓?fù)涿芏严嗟姆N類很多，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有：

（1）Laves相（MgCu2、MgNi2等）

（2）σ相（FeCr、FeV、FeMo等）

（3）μ相（Fe7W6等）

（4）Cr3Si型

（5）R相（Cr18Mo31Co51）

（6）P相（Ni40Cr18Mo42）注釋：拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合，得到全部或主要是17謝謝！謝謝！18激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀激光熔覆陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀研究意義：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層既具有陶瓷材料的高硬度、耐高溫、耐腐蝕同時也具有金屬材料的高韌性、高強(qiáng)度及高彈性模量等優(yōu)良的力學(xué)性能。激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層可減少金屬零部件表面的磨損和腐蝕破壞，有效的提高金屬零部件的使用壽命和安全可靠性。激光熔覆冷卻速度快，因此其熔覆層組織晶粒細(xì)小；在熔覆過程中激光束對熔融材料產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，雜質(zhì)和氣泡等能夠浮出熔融材料，因此能夠形成成分均勻、完全致密無缺陷的涂層。此外，激光熔覆層還具有表面光潔度高、摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)。研究意義：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層既具有陶瓷材料的高硬度、20激光熔覆技術(shù)(Lasercladding)激光熔覆是通過在基材表面添加材料，并利用高能密度的激光束,使材料與基材表面薄層一起熔化、凝固，最終在基層表面形成冶金結(jié)合的添加層的工藝方法。在激光熔覆過程中，激光加熱工件表面，導(dǎo)致表面薄層金屬熔化，與被送入的粉末一起形成金屬熔池。隨著激光掃描運(yùn)動的持續(xù)，熔池不斷向前移動，已掃描區(qū)域的液態(tài)金屬冷卻凝固，進(jìn)而形成熔覆帶。激光熔覆技術(shù)(Lasercladding)激光熔覆是通過在21激光熔覆作為一種表面改性工藝，在普通材料的零件表面涂覆一層具有特殊性能的材料，改善零件表面的耐磨、耐腐蝕等性能，相對傳統(tǒng)表面改性工藝，具有多方面的優(yōu)越性。（1）可以實(shí)現(xiàn)對涂層的精確自動化控制，涂層的厚度變化范圍寬，可以從0.1毫米到幾個厘米。（2）與基體產(chǎn)生冶金結(jié)合。（3）對基體的熱影響小。（4）涂層材料的選擇范圍寬，可以使用各種金屬、陶瓷和金屬+陶瓷復(fù)合材料。激光熔覆作為一種表面改性工藝，在普通材料的零件表面涂覆一層具22激光熔覆材料基體材料熔覆材料金屬粉末陶瓷粉末復(fù)合粉末碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金（鈦合金，由于化學(xué)活性高，會和很多元素形成陶瓷相或金屬間化合物）激光熔覆材料基體材料熔覆材料金屬粉末陶瓷粉末復(fù)合粉末碳鋼、不23激光熔覆材料金屬粉末：常用的純金屬粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等

合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、Co-Cr-W、MCrAlY(M：Co，Ni，F(xiàn)e)、自熔性合金等自熔性合金粉末中含有硅和硼，能夠顯著降低合金熔點(diǎn)，增加液態(tài)金屬的流動性和對基體的潤濕性，可以極大地提高熔覆層的質(zhì)量。按照自熔性合金粉末主要基體成分不同，可以分為鐵基、鎳基和鈷基合金。

（其中鎳基自熔性合金性價比最高，研究和應(yīng)用的范圍最廣）激光熔覆材料金屬粉末：24激光熔覆材料陶瓷材料：激光熔覆陶瓷材料可以分為兩類：純陶瓷材料和復(fù)合陶瓷材料。純陶瓷材料：Al2O3、Al2O3-13％TiO2、Al2O3／CaF2、ZrO2等多種材料。純陶瓷材料和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差別大，而且本身硬度高、脆性大，熔覆后容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生剝落，影響使用壽命。更廣泛使用的還是復(fù)合粉末熔覆。激光熔覆材料陶瓷材料：25激光熔覆材料復(fù)合材料:復(fù)合粉末是指將單一金屬或合金粉末與高熔點(diǎn)陶瓷粉末按照一定比例混合。在激光熔覆過程中，金屬或合金粉末充當(dāng)粘結(jié)相，而陶瓷粉末充當(dāng)硬質(zhì)相，生成包覆型或非完全包覆型的熔覆層。通常使用的是自熔性合金，在其中加入碳化物(WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)，氧化物(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)，氮化物(TiN、Si3N4等)，硼化物，硅化物等。復(fù)合粉末熔覆層致密無缺陷，既有金屬的韌性，又有陶瓷材料的耐磨損、耐腐蝕以及抗氧化的特性，常稱為金屬陶瓷，是激光熔覆中應(yīng)用最廣泛的材料。激光熔覆材料復(fù)合材料:26激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒工業(yè)生產(chǎn)中常采用鎳基自熔合金粉末中加入WC、TiC、SiC、B4C等各種高熔點(diǎn)的超硬陶瓷顆粒，由于激光熔覆后形成復(fù)合涂層中M7C3、M23C6等自由碳化物強(qiáng)硬化的合金基體與極硬的主體硬質(zhì)相匹配，熔覆層的硬度和耐磨性得到了顯著提高。碳化鎢是工業(yè)應(yīng)用中最常加入的耐磨顆粒。激光熔覆過程中，在WC顆粒與其周圍合金之間發(fā)生了分解、溶解反應(yīng)，熔覆層組織的主要組成為未熔WC顆粒相、枝晶固溶體、碳化物及其包裹的共晶組織等組成。激光熔覆涂層中，由于WC硬質(zhì)相的出現(xiàn)，涂層能防止嚴(yán)重的粘著磨損和磨料磨損，提高涂層的磨粒磨損性能和耐沖蝕腐蝕磨損性能。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒27激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒法工藝簡單，但是熔覆過程容易造成燒損、分解等，導(dǎo)致涂層中增強(qiáng)相的損失；另外在加工過程中增強(qiáng)顆粒也容易受到污染，使得增強(qiáng)相與基體間潤濕性差，界面結(jié)合差，從而損害復(fù)合涂層的力學(xué)性能。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層外加碳化物顆粒法工藝簡單，但是熔覆過程28激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層原位自生碳化物激光熔覆原位自生工藝制備的陶瓷復(fù)合顆粒增強(qiáng)相是原位形核、長大的穩(wěn)定相，因此增強(qiáng)體表面干凈清潔，熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高；且通過選擇單質(zhì)或者化合物的成分類型及反應(yīng)特性，可制備出不同種類、大小和數(shù)量的陶瓷增強(qiáng)相；陶瓷顆粒增強(qiáng)相最先形核析出，有利于促使其它顆粒增強(qiáng)體依附其生長；在保證基體材料具有良好的延展性、高硬度和抗高溫性能的同時，又大大改善了基體材料的強(qiáng)度和彈性模量。國外采用Cr3C2、BN、TiC、B4C等材料與Ti基體反應(yīng)，原位生成TiB、TiB、TiC、TiN等硬質(zhì)相。國內(nèi)也有不少材料工作者進(jìn)行了這方面的研究，所采用的反應(yīng)原料不同，原位生成的陶瓷強(qiáng)化相以TiC和TiB為主。激光熔覆碳化物增強(qiáng)涂層原位自生碳化物29激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層在自熔性合金激光熔覆時加人稀土或稀土氧化物，可顯著改善熔覆層的組織，提高熔覆層的性能。適量的稀土氧化物L(fēng)a2O3（氧化鑭）可明顯提高鎳基TiC金屬陶瓷復(fù)合層的耐磨性和耐蝕性。添加CeO2（氧化鈰）后的鎳基金屬陶瓷復(fù)合層耐硫酸腐蝕能力增強(qiáng)。La2O3加入到激光熔覆鐵基合金涂層后，細(xì)化了晶粒，凈化晶界，減小了二次枝晶間距，組織趨于均勻，提高了熔覆層的硬度和耐腐蝕能力，改善了熔覆層的摩擦磨損性能。釔加入激光熔覆原料中生成的氧化釔改變了涂層的顯微組織和力學(xué)性能，添加釔后，防止了碳原子滲入到基體金屬中，增加了涂層中的TiC相，涂層的斷裂韌性和硬度都得到了提升。激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層在自熔性合金激光熔覆時加人稀土或稀土氧30激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層納米顆粒加入金屬熔覆層后可以細(xì)化熔覆層組織，使得涂層界面處的結(jié)晶形態(tài)發(fā)生變化，同時有效抑制近界面處基體的裂紋等缺陷。

(添加納米CeO2，能顯著抑制結(jié)晶和晶體生長；納米Al203顆粒、納米TiC)激光熔覆氧化物增強(qiáng)涂層納米顆粒加入金屬熔覆層后可以細(xì)化熔覆層31激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層過渡金屬硅化物合金特別是W2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Mo2Ni3Si和Co3Mo2Si等具有拓?fù)涿芏?TCP)hp12MgZn2型Laves相晶體結(jié)構(gòu)的三元金屬硅化物合金由于其固有的高硬度、反常的硬度-溫度關(guān)系使其具有優(yōu)異的耐磨料磨損性能由于其以共價鍵為主的原子間強(qiáng)鍵結(jié)合特征，使其具有優(yōu)異的抗粘著磨損性能和較低的摩擦系數(shù)可望成為一種很有前途的在高溫和腐蝕工況下工作的新型耐磨材料。激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層過渡金屬硅化物合金32激光熔覆硅化物增強(qiáng)涂層研究表明MoNiSi和Co3MoSi增強(qiáng)相的摩擦磨損特性和高韌塑性固溶體基體使得涂層具有優(yōu)良耐磨損性能；而高含量的Cr、Si及Laves相的高溫穩(wěn)定性保證了激光熔覆涂層具有優(yōu)良抗氧化性能和耐腐蝕性能。然而硅化物嚴(yán)重的中低溫脆性一直是其走向?qū)嶋H應(yīng)