激光熔覆技術(shù)的研究進(jìn)展

激光熔覆技術(shù)的研究進(jìn)展

激光覆蓋是用激光束將制備的金屬粉末層熔融形成的主要墓志銘。同時(shí)，金屬主體的銅有一層熔融，形成了金屬絲表面處理技術(shù)。這是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程,此過程中的工藝參數(shù)主要包括激光功率、光斑直徑(或矩形光斑)、掃描速度、送粉速度(同步法)、離焦量、氣流量、搭接率等,它們之間也相互作用、相互制約,共同影響著熔覆層的質(zhì)量。按涂層材料的添加方式,激光熔覆的工藝方法主要有預(yù)置法和同步送粉法2種,如圖1所示。預(yù)置法是將要涂覆的材料通過噴涂或粘接等方法預(yù)置于基體表面,然后經(jīng)激光束輻射進(jìn)行重熔;同步送粉法是將粉末直接噴在激光輻射所形成的移動(dòng)熔池上,涂層一次性成型。前者工藝簡(jiǎn)單、操作靈活,但不易控制基體熔深,稀釋度大;后者可以充分利用激光能量,工藝參數(shù)易控制,覆層質(zhì)量較好,生產(chǎn)效率高,但需配置計(jì)數(shù)精確的送粉裝備,對(duì)粉末也有特殊要求,如粒度、流動(dòng)性等,另外,粉末浪費(fèi)量較大,與噴涂相當(dāng)。從總體上來看,同步送粉法是今后激光熔覆工藝的發(fā)展趨勢(shì)。激光熔覆技術(shù)具有如下工藝特點(diǎn):①由于激光具有近似絕熱的快速加熱過程,激光熔覆對(duì)基體的熱影響較小,引起的變形也小,因而引起的零件報(bào)廢率也很低;②控制激光的輸入能量,可以將基體材料的稀釋降到較低的程度,從而在保證熔覆層與基體形成冶金結(jié)合的前提下,又保持原選定的熔覆材料的優(yōu)異性能,;③適用范圍廣,理論上幾乎所有的金屬或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。正是由于這些特點(diǎn),才使得激光熔覆技術(shù)近10年來在材料表面改性方面受到了廣泛的關(guān)注。1激光熔覆技術(shù)的國內(nèi)外研究1.1國內(nèi)外激光熔覆技術(shù)現(xiàn)狀“工欲善其事,必先利其器”,激光熔覆技術(shù)的發(fā)展也不例外。目前,激光器主要有3種:CO2氣體激光器、YAG固體激光器和準(zhǔn)分子激光器。國內(nèi)外常用于激光熔覆的激光器主要有2種:一種是輸出功率為0.5～10kW的CO2氣體激光器,另一種是輸出功率為500W左右的YAG固體激光器。其中工業(yè)上用來進(jìn)行表面強(qiáng)化的激光器多為CO2大功率激光器。近年來,華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)多家單位在激光熔覆設(shè)備及過程控制方面做了許多研究工作,如華中科技大學(xué)激光加工國家工程研究中心已相繼成功研制出500～10000W大功率CO2氣體激光器、100～500W固體激光器等系列激光產(chǎn)品,中科院則開發(fā)出集成化激光智能加工系統(tǒng),清華大學(xué)激光加工研究中心已研制出各種規(guī)格的同軸送粉噴嘴和自動(dòng)送粉器等。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,激光熔覆技術(shù)也在朝著自動(dòng)化、智能化的方向邁進(jìn)。國外在這方面起步較早。自1974年Gnanamuthu申請(qǐng)了一項(xiàng)利用激光熔覆法在金屬基體上熔覆一層金屬的專利之后,美國AVCO和METCO公司都做了大量基礎(chǔ)研究工作。2005年,Grunewald等設(shè)計(jì)了一種新的送粉系統(tǒng),配套測(cè)量裝置可反饋信息,從而能夠保證整個(gè)處理過程供給速度恒定。由于其高度集成且質(zhì)量較輕,整個(gè)供給裝置可安裝在激光工作頭上。為了實(shí)現(xiàn)全方位送粉,J.Lin等設(shè)計(jì)出一種最新的噴嘴裝置,粉末材料、氣體與激光束一起,三者同軸射入移動(dòng)基體形成熔池,粉末利用率可達(dá)40%,比以往有較大的提高。1.2金屬陶瓷復(fù)合涂層激光束由于具有較高的能量密度,不僅可以熔覆金屬和合金涂層,而且還可以熔覆陶瓷等一些高熔點(diǎn)難熔涂層。目前,應(yīng)用于激光熔覆的材料大多沿用的是噴涂用粉末狀材料,如金屬、合金和陶瓷等,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、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等金屬陶瓷粉末。但隨著近年來復(fù)合材料的興起,激光熔覆用材料逐漸由單一的噴涂用純金屬粉末、合金粉末和陶瓷粉末等逐漸向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變,如合金+陶瓷等。M.Alhammad等在Ti-6Al-4V合金上使用Nd:YAG激光器以不同的掃描速度沉積了一層Ti-Si化合物;KnutPartes等在耐鹽酸鎳基合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高溫涂層;渠通洋等在不銹鋼基材上通過激光合成Ni-Cr-Al-Co-X(X=Mo、W、Nb、Ti、C、B)+TiC粉末制備了TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)Ni-Al基高溫耐磨復(fù)合材料涂層,試驗(yàn)證明該涂層具有良好的高溫穩(wěn)定性;王華昌等在指定的W6Mo5Cr4V2基體上激光熔覆金屬陶瓷Ni60/Ni-Cr-Cr3C2涂層,該涂層組織具有晶粒細(xì)小、硬度較高等優(yōu)良性能。此外,隨著表面科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,在激光熔覆層中添加稀土材料對(duì)提高熔覆層的性能有著重要意義。汪新衡等用CO2橫流激光器在45鋼基體表面熔覆稀土氧化物(Ce02)鎳基TiC金屬陶瓷復(fù)合層。試驗(yàn)結(jié)果表明,加入適量的稀土氧化物CeO2(0.6%)可以有效地減少復(fù)合層中的裂紋、孔洞和夾雜物,促進(jìn)晶粒細(xì)化,提高熔覆層的組織均勻性及表面硬度,并且可明顯改善熔覆復(fù)合層的耐磨及耐蝕性能。1.3工件表面改性激光熔覆技術(shù)作為一種新興的表面改性技術(shù),其涂層不僅極大地提高了工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和耐疲勞等力學(xué)性能,而且也延長了材料的使用壽命,尤其在廢品件維修處理方面的應(yīng)用具有不可估量的價(jià)值,目前已被廣泛應(yīng)用于軍事、航空、石油、化工和醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域。1.3.1激光熔覆原位合成其他金屬基復(fù)合涂層JanneNurminen等通過激光熔覆得到了具有耐磨性的金屬基復(fù)合材料(MMC)涂層,該涂層包含V、W、Ti和Cr3C2硬質(zhì)相,這些硬質(zhì)相與金屬工具鋼、Stellite21、NiCrB-Si和Inconel625合金混合在一起,具有優(yōu)良的耐磨性,其主要原因就在于金屬基內(nèi)共存著大量、各種各樣的碳化物。晁明舉等在低碳鋼板上使用Ni60合金+(Ta2O5+C)混合粉末材料,采用激光熔覆原位合成了顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合鍍層,該涂層與基體形成冶金結(jié)合,并具有同種均質(zhì)細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu),包含近似的立方TaC晶粒和均勻分布的碳化鉻,這些碳化鉻與γ-Ni固溶體以彌散共晶的形式存在,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),TaC/Ni60涂層較Ni60涂層具有更高的耐磨性。為了提高AZ91D鎂合金的耐磨性,YangY等使用Nd:YAG激光器在其表面熔覆了一層Al-Si合金粉末,通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)和Al、Si的比例得到了無微裂紋、無氣孔的優(yōu)質(zhì)涂層,該涂層的主要相為Mg2Si和Mg17Al12,表面硬度由35HV提高到170HV,耐磨性與基體相比提高了4倍多。GuoBaogang等通過激光熔覆與激光滲氮在Ti上原位合成了TiN/Ti3Al金屬基復(fù)合涂層。研究表明,TiN/Ti3Al金屬基復(fù)合涂層比Ti3Al的硬度高,這是由于TiN相較多,通過摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TiN/Ti3Al涂層的耐磨性能要明顯優(yōu)于純Ti和Ti3Al涂層。GonzalezR等研究了火焰噴涂+火焰重熔NiCrBSi涂層和火焰噴涂+激光重熔NiCrBSi涂層的磨損性能,通過磨損試驗(yàn)精確測(cè)定了2種涂層的磨損率,發(fā)現(xiàn)2種涂層的摩擦性能沒有明顯差異。高載荷磨損條件下,表層氧化物破壞加劇,此時(shí)磨損機(jī)制為粘著;低速磨損條件下,在表面形成氧化物致使磨損率降低,此時(shí)主要的磨損機(jī)制為氧化。1.3.2金屬間互作用傳統(tǒng)的耐腐蝕涂層主要有用于鋼鐵結(jié)構(gòu)表面耐腐蝕防護(hù)的熱噴涂鋁、鋅、鋅鋁、稀土鋁與鋁鎂合金等涂層。國內(nèi)外的研究及大量應(yīng)用表明,這是最有效和最經(jīng)濟(jì)的防護(hù)方法。P.Volovitch等在ZE41鎂合金上通過激光熔覆了Al-Si合金涂層,研究表明,該涂層是由Al-Mg金屬間化合物與Mg2Si樹枝狀沉淀物組成,Mg固溶于A1中或形成Mg17-Al12金屬間相,通過熱處理或優(yōu)化激光工藝參數(shù)而使微觀組織均勻化,以達(dá)到提高其耐蝕性能的目的。張家鋒等通過微弧氧化和無鉻化學(xué)氧化等表面處理方法,浸泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕等分析方法,研究對(duì)比了不同表面處理工藝下壓鑄鎂合金涂層的抗腐蝕性能。XRD分析表明,這2種處理方法得到的覆蓋層中主體相均為Mg3Al2Si3012等含硅的尖晶石型氧化物和Mg0.36Al24404、MgAl204等不含硅的鎂鋁復(fù)合氧化物,有利于提高鎂合金的耐蝕性能?？锝ㄐ碌炔捎米畲筝敵龉β蕿?kW的橫流CO2激光器在45鋼基材表面熔覆Ni60+70%鎳包WC合金粉末,結(jié)果表明,添加適量CeO2的激光熔覆層的耐腐蝕能力比不含CeO2的激光熔覆層要高,且顯著優(yōu)于OCr18Ni9不銹鋼。1.3.3納米金屬薄膜層KnutPartes等在哈氏合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高溫氧化涂層,置于空氣氧化爐(1100℃,450h)中進(jìn)行試驗(yàn)。通過測(cè)試表明,氧化膜分為內(nèi)、外兩層,內(nèi)層為混合尖晶石型氧化物,外層為氧化鋁連續(xù)層。該涂層之所以耐高溫氧化,是因?yàn)樵谕繉颖砻嫘纬闪诉B續(xù)的氧化鋁膜層,阻止了空氣向基體的擴(kuò)散。ShengW等在AISI304不銹鋼上通過激光熔覆了Ni-Ti-Si三元金屬硅化物涂層,該涂層包含Ni16Ti6Si7樹枝狀組織和枝晶間的Fe-Ni基γ-固溶體,在高溫和金屬干滑動(dòng)磨損條件下具有良好的磨損性能。王東生等研究了TiAl合金表面雙層輝光離子滲Cr層、等離子噴涂以及激光重熔MCrAlY涂層在850℃的循環(huán)氧化行為。結(jié)果表明,滲Cr層組織均勻、致密,且與TiAl合金基體為梯度冶金結(jié)合;經(jīng)過激光重熔處理后,等離子噴涂MCrAlY層的片層狀組織得以消失,致密性提高;幾種涂層均不同程度地提高了TiAl合金的抗高溫氧化性能,其中滲Cr層在氧化初期表現(xiàn)出較好的抗氧化性能,但在長期循環(huán)氧化過程中存在局部氧化層剝落現(xiàn)象;等離子噴涂MCrAlY層能顯著提高TiAl合金的抗高溫氧化性能,經(jīng)過激光重熔后可進(jìn)一步提高其抗高溫氧化性能。1.3.4梯度磷酸鈣生物陶瓷涂層通過激光熔覆不僅可以獲得耐磨、耐蝕和耐高溫等防護(hù)性涂層,而且還可以獲得一些功能涂層,如生物陶瓷涂層、功能梯度涂層等。ZhengMin等為了在金屬植入物和骨組織之間建立生物活性界面,在Ti合金(Ti-6Al-4V)上激光熔覆了一層梯度磷酸鈣生物陶瓷涂層。YueTM等在Mg上激光熔覆Ni/Cu/Al功能梯度涂層,以此來提高M(jìn)g的耐蝕性能和耐磨性能。1.4在其他領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,目前已經(jīng)成為國內(nèi)外激光表面改性研究的熱點(diǎn)。正是由于理論上的支持和實(shí)踐中的需要,激光熔覆技術(shù)在工業(yè)化前進(jìn)道路上邁出了巨大的一步,其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣,可應(yīng)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。利用激光熔覆來修復(fù)零件已獲得了廣泛的應(yīng)用。早在1983年英國的Rolls-Royce公司將激光熔覆應(yīng)用于RB211型燃?xì)廨喨~片連鎖肩的修復(fù);日本的尼桑公司在鋁基發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上成功地熔覆銅基合金;Aihua等采用Ni基和Co基合金粉末,對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥密封面進(jìn)行激光熔覆,代替等離子噴涂和真空感應(yīng)熔焊涂層工藝,不僅避免了涂層中的孔洞與微裂紋,而且獲得了比常規(guī)等離子噴涂和真空感應(yīng)熔焊層更高的顯微硬度;ChangJeny-Ming等在Cu上熔覆Ag作為電接觸材料,既可以節(jié)約大量的貴金屬,也可消除原工藝中的有毒化學(xué)電鍍物質(zhì),從而大大改善生產(chǎn)環(huán)境;重慶大學(xué)在完成了奧氏體不銹鋼表面同步實(shí)現(xiàn)合成與涂覆工藝來制備生物陶瓷的基礎(chǔ)上,在比強(qiáng)度高、耐蝕性好、醫(yī)療用途更廣泛的鈦合金表面成功地實(shí)現(xiàn)激光一步合成和涂覆含Ca5(PO4)3-OH羥基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂層。2涂層缺陷引發(fā)的損傷如上所述,通過合適的工藝方法在不同基體材料熔覆一層具有特殊性能的涂層,可以極大地改善基體材料的性能,尤其是提高硬度、耐磨性、耐蝕性等性能。目前,激光熔覆技術(shù)之所以尚未在工業(yè)生產(chǎn)中獲得大規(guī)模的應(yīng)用,主要是因?yàn)樵诩す馊鄹策^程中仍然存在一些問題尚未徹底解決。(1)熔覆層的裂紋、剝落以及工件變形問題。裂紋是大面積激光熔覆過程中最為棘手的問題。熔覆層中的殘余應(yīng)力是造成開裂的主要原因,包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力。由于激光的能量密度集中,使得涂層完全熔化而基體表面微熔,熔覆層和基體之間存在極大的溫度梯度。隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng),在凝固過程中,由于異種材料性能的差異,形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成涂層與基體收縮不一致,熔覆層受到周圍環(huán)境的約束,在涂層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋,如圖2所示(未預(yù)熱,V=720mm/min)。王東生等就V2O5對(duì)NiCrBSiC涂層的裂紋敏感性進(jìn)行了深層次的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),V2O5的加入對(duì)裂紋的減少確實(shí)起到了明顯的效果。這是由于V2O5的加入使涂層中優(yōu)先形成了釩硼化合物,這些釩硼化合物的產(chǎn)生對(duì)形成均勻分布的樹枝狀組織有利,正是這樹枝狀組織抑制了鉻碳化合物的產(chǎn)生。剝落是由于結(jié)合強(qiáng)度不夠高,涂層與基體未形成良好的冶金結(jié)合,在強(qiáng)大的載荷下,材料表層容易疲勞而與基體分離。只要選擇合適的工藝參數(shù)與工藝方法,就能使激光熔覆層完全熔化,與基體之間達(dá)到冶金結(jié)合,此時(shí)結(jié)合強(qiáng)度很高,一般不會(huì)發(fā)生脫落。工件的變形也是激光熔覆技術(shù)的一大難題。由于激光束的能量極高并且集中,在熔覆過程中工件極易產(chǎn)生變形,因此,它不適合大型件、薄壁件的表面熔覆,一般在條件允許的情況下盡可能采用低功率熔覆,這樣也可以節(jié)約能量,提高效率。(2)熔覆層材料未形成完整體系的問題。涂層與基材的結(jié)合效果主要取決于熔覆層材料和基體材料的性質(zhì),如熔覆層材料與基材的熔點(diǎn)差異過大,就很難形成良好的冶金結(jié)合。2種材料的性質(zhì)直接制約著熔覆層的質(zhì)量,當(dāng)然,熔覆層的質(zhì)量還與激光熔覆的工藝參數(shù)等要素密切相關(guān)。因此,必須采用相對(duì)基體材料具有良好潤濕性及適當(dāng)熔點(diǎn)的表面合金,使其系統(tǒng)化、理論化、實(shí)踐化,只有這樣,熔覆層質(zhì)量才能達(dá)到預(yù)期的效果。(3)鋁、鎂等輕質(zhì)金屬合金的激光熔覆層質(zhì)量問題。由于鋁、鎂等是熔點(diǎn)較低的輕金屬材料,如果功率密度過大,基底材料表面熔深就會(huì)較大,使涂層的稀釋度也較大。而且,由于鋁與氧的親和力很大,所以常溫下鋁合金在空氣中極易被氧化,在其表面產(chǎn)生一層致密的氧化膜A1203,該A1203氧化膜的熔點(diǎn)較高,在激光熔覆過程中的熔池內(nèi)很難熔化,且密度比率大,在成型過程中很難上浮,易在界面上形成氣孔,影響熔覆層的質(zhì)量,如圖3所示(P=2.5kW,V=5mm/s,Q=20L/min)。3對(duì)表面改性技術(shù)的建議隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及科技的不斷進(jìn)步,激光熔覆技術(shù)具有更為廣闊的發(fā)展前景。(1)應(yīng)進(jìn)行更深層次的基礎(chǔ)