激光熔覆技術(shù)的研究進展

激光熔覆技術(shù)的研究進展

激光吸附技術(shù)是20世紀70年代隨著大規(guī)模計算機的發(fā)展而開發(fā)的一種新的表面改性技術(shù)。這是指以不同的填充方法在覆蓋的樣品表面上放置所需的涂層材料。通過激光輻射，它與主干表面同時硬化，并迅速硬化，稀釋率很低。與金屬結(jié)合的表面材料的導(dǎo)電性和性質(zhì)，大大提高了大規(guī)模修復(fù)體表面的耐腐蝕性、耐候性、耐寒性和電氣性。激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟效益很高的新技術(shù),它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面,不影響基體的性質(zhì),降低成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料,因此,世界上各工業(yè)先進國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。1維激光熔覆法目前應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1～10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對于連續(xù)CO2激光熔覆,國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。近年來高功率YAG激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻報道,采用CO2激光進行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷。YAG激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個數(shù)量級,因而更適合此類金屬的激光熔覆。激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預(yù)置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現(xiàn)自動化控制,激光能量吸收率高,無內(nèi)部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能,使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點。國外目前多采用同步送粉法,而國內(nèi)由于受送粉設(shè)備的限制,主要以預(yù)置粉末法居多。2特殊合金表面的激光熔覆激光熔覆技術(shù)是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)。它由上個世紀60年代提出,并于1976年誕生了第一項論述高能激光熔覆的專利。進入80年代,激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,近年來結(jié)合CAD技術(shù)興起的快速原型加工技術(shù),為激光熔覆技術(shù)又添了新的活力。目前已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)穩(wěn)定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下,純的Ni基、Co基和Fe基合金粉末已經(jīng)滿足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點,目前已經(jīng)進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究。如在鋼表面激光熔覆NiCrBSi-WC涂層、MoSi2/TiC/Ni涂層、CaHPO4.2H2O/CaCO3涂層、Ni-Cr3C2和Ni-WC涂層及Al2O3-TiO2涂層等等;在鈦合金表面激光熔覆Ni-Ti-Si、NiCrBSi-TiC、Al2O3-SiC、TiN、Ti-Cr3C2涂層、B4C-NiCrBSi涂層:在鋁合金表面激光熔覆Mo-WC涂層,Mo-TiC涂層、MoSi2-SiC涂層,Si-TiC涂層等等。3提高送粉速度和影響生物熔覆率的因素,可減少熔覆層區(qū)域比評價激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應(yīng)測定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結(jié)合,必要時要進行質(zhì)量壽命檢測。目前研究工作的重點是熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動力學(xué)、合金成分的設(shè)計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。稀釋率是表征熔覆層品質(zhì)的重要參數(shù)之一,是指在激光熔覆過程中由于熔化的基體材料的混入而引起的熔覆合金成分變化的程度?；w材料對熔覆層的稀釋是不可避免的,要使界面處為冶金結(jié)合就必須使基材表面熔化;但為了保持基體材料及熔覆層各自的性能又要盡量避免基材稀釋的影響?？刂葡♂屄试谶m當(dāng)?shù)姆秶?一般認為在8%以下為宜。張慶茂等的研究表明,對于寬帶送粉激光熔覆,在激光處理參數(shù)保持不變的條件下,稀釋率隨掃描速度的增加而減小,隨送粉速度的增大而變小。激光熔覆技術(shù)在國內(nèi)尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。裂紋是激光熔覆技術(shù)中最棘手的問題。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應(yīng)力,包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力。由于激光束的快速加熱,使得熔覆層完全熔化而基體微熔,熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度,在隨后的快速凝固過程中,形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致,而且一般而言,熔覆層的收縮率大于基體材料,熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體)的約束,因此在熔覆層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過材料的強度極限時,就會產(chǎn)生裂紋。實際上固態(tài)金屬在冷卻的過程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應(yīng)力的影響。但是由于在快速凝固過程中,各處的體積收縮極大的不同時性,因此熱應(yīng)力的影響占主導(dǎo)地位。此外,裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過程中工藝參數(shù)、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快,熔池存在的時間極短,使得熔覆層中存在的氧化物,硫化物和其它雜質(zhì)來不及釋放出來,很容易形成裂紋源;熔覆層在瞬間凝固結(jié)晶,晶界位錯、空位增多,原子排列極不規(guī)則,凝固組織的缺陷增多,同時熱脆性增大,塑韌性下降,開裂敏感性增大,熔覆層越厚,上述情況就越明顯;自熔性合金元素B和Si能夠生成硬質(zhì)相,其含量越大,形成裂紋的傾向越嚴重;此外,B在Fe及Ni中的溶解度均為零,因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對NiCrBSi合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進行了研究,趙海鷗等人的研究表明,激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會增大熔覆層的裂紋敏感性,激光熔覆前試樣進行預(yù)熱和單道熔覆后的回火去應(yīng)力均會顯著降低裂紋敏感性;董世運等發(fā)現(xiàn)在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀裂紋,在熔覆層頂層存在微裂紋,且界面處和熔覆層頂部產(chǎn)生了最嚴重的應(yīng)力集中。4今后的發(fā)展前景