激光熔覆技术研究进展

1激光熔覆技术的研究进展摘 要：激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，具有广泛的应用领域。本文综述了国内外激光熔覆技术的研究进展，重点介绍了激光熔覆工艺方法、激光熔覆材料及激光熔覆层的性能，最后对激光熔覆技术的发展趋势做了展望。关键词：激光熔覆；熔覆材料；涂层性能Developments of laser cladding technology(School of Materials Science and Engineering, Shandong Architecture University, Jinan 250101)Abstract: Laser cladding is an advanced surface modification technique, which has a broad prospect of applications. The development of laser cladding technique were summarized in China and abroad. The usual laser cladding materials, the laser cladding process and the properties of laser cladding coating were mainly introduced. Finally, the development tendency of Laser cladding was forecast.Keywords: laser cladding; cladding materials; coating properties0 前言激光熔覆，就是以激光作为热源，用不同的添料方式在被熔覆的基体上放置所选择的涂层材料，经过激光照射使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料形成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的工艺方法 1。该技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。该技术自上世纪 90 年代开始发展以来，在短短十几年的时间里得到了广泛的应用，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形（LENS） 、直接光制造技术（DLF） 、直接金属沉积（DMD） 、堆积成形制造（SDM） 、激光固结（LC ） 、激光增材制造（ LAM） 、选择性激光烧结（SLM ）以及直接激光烧结（DSM）等，这些技术原理和加工方法基本相同，统称为激光熔覆成形技术 2。1 激光熔覆工艺方法、工艺参数及特点1.1 激光熔覆工艺方法按照图层材料的添加方式的不同，激光熔覆的工艺方法分为预置法和同步送粉法，其原理如图 1 所示 3。预置法的工艺流程为先对基体将要熔覆的表面进行预处理，然后将要涂层的材料通过喷涂或粘结等方式预置于基体表面，然后经激光束辐射进行重熔，熔覆后可根据不同需要再进行适当的热处理；同步送粉法的工艺流程为根据需要对集体待熔覆表面进行预处理，然后将粉末直接喷涂在激光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性成型。比较两种送粉方式可以发现，前者工艺简单、操作灵活，但不易控制基体熔深，稀释度大，所得熔覆层的结合强度相对较低，易产生气泡等缺陷；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2送粉法是今后激光熔覆工艺的发展趋势 4。图 1 激光熔覆原理示意图 3Fig 1 Principle diagram of laser cladding31.2 激光熔覆工艺参数激光熔覆工艺参数主要包括激光功率 P、光斑尺寸（直径 D 或面积 S） ，激光扫描速度 V、多道搭接系数、涂层材料的添加方式和保护方式等 5。上述工艺参数是决定激光熔覆层的宏、微观质量的关键因素。此外还有一些综合性的工艺参数，如：比能量、功率密度、线能量等 6。其中，激光功率是影响熔覆层品质的主要因素。随着功率增加，熔覆层深度增加，周围的液体流向气孔而使气孔的数量减少，裂纹的数量也减少；如果激光功率密度过低会使熔覆层表面出现局部气球、空洞等外观，达不到表面熔覆和掺杂的目的 7。扫描速度的大小决定了粉末的加热时间和熔池的维持时间。扫描速度越低，粉末的加热时间越长，熔池的维持时间越长。扫描速度提高，生成效率高，但是扫描速度过快，容易在熔覆层间产生气孔。光斑形状的不同使所获得的熔覆层形貌和力学性能存在较大的差别。比热能减小有利于降低稀释率，只有把熔覆比热能控制在一定范围内，才能获得品质优良的涂层 8。综上可知，在实际的生产中，我们必须找到最佳的工艺参数才能提高产品质量、降低成本。1.3 激光熔覆技术的特点激光熔覆技术作为一种先进的激光表面改性技术，具有如下的特点 9：（1）激光束的能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小；（2）控制激光的输入能量，可以将基体材料对熔覆材料的稀释控制在很低的程度，从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下，保持原选定的熔覆材料的优异性能；（3）可通过混合不同合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合涂层；（4）能进行选区熔覆，材料消耗少；（5）由于快速加热和冷却，激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其它工艺；（6）属于无接触型处理，便于自动化，实现柔性加工；（7）激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且对基体的热影响甚微；（8）熔覆层的稀释度小，目可精确控制。2 激光熔覆材料及熔覆层的性能2.1 激光熔覆材料激光熔覆材料一般是以粉材的形式存在的，其范围相当广泛，主要包括镍基、钴基和3铁基合金材料、陶瓷材料以及复合材料和纯金属等。镍基合金材料：镍基合金适于要求局部耐磨、耐热腐蚀及热疲劳的构件，如可用于碳钢、合金钢、铸铁以及铝合金等的表面熔覆。这种合金材料具有合理性价比和良好材料性能，如具有很好的耐蚀性、耐磨性以及良好的化学稳定性和抗氧化性等性能，因而在激光熔覆材料中被研究的最多、应用的最广 10,11。盛伟等 12在 Cr18Ni9 奥氏体不锈钢基材上，以 70Ni-21Ti-9Si 合金粉末作为熔覆材料，制备了以 Ni16Ti6Si7 为增强相，Cr-Fe-Ni 固溶体为集体的耐磨涂层，该熔覆涂层具有优异的高温磨损性能。基合金粉末。邱星武等 13对激光熔覆 NiCrBSi 合金粉末做了系统的研究。结果表明，激光熔覆能获得极细的熔覆层组织，熔覆层与基体呈冶金结合，涂层表现出优异的耐磨耐蚀性能。从涂层至基体，试样显微硬度分布呈阶梯状，分别对应熔覆区、热影响区、基体。熔覆层显微硬度 300 1100HK，最高硬度是基体硬度的 4 倍。钴基合金材料：具有良好耐高温性能，耐磨耐蚀性能也比较强，经常被应用于石化和冶金等领域。另外，钴基粉末合金在熔化时有很好的润湿性，其熔点相比碳化物要低，受热后 Co 元素最先熔化，与合金凝固时最先形成新物相，得到光滑平整的熔覆涂层，提高熔覆层与基体的结合强度 14。目前，常用的 Co 基合金的主要元素是 Ni,W,Cr,B 和 Si 等，其中 Ni 元素用来降低 Co 基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效抑制熔覆层开裂现象，提高熔覆层对基体的润湿性。Co 基合金粉末不足之处是价格较高，所以一般情况下可优先选择铁基或镍基合金，在高温腐蚀、高温磨损等条件下可考虑用钴基合金 15。铁基合金：铁基合金主要适于要求局部耐磨且容易变形的零件，铁基合金深层的基材多用铸铁和低碳钢熔覆 16。张大卫等 17通过对比试验证明，铁基合金熔覆层和 Cr12 淬火基体相比，耐磨性有较大的提高。李胜等 18研究了 Ni、Cr 和 Mo 合金元素含量对铁基合金激光熔覆性能的影响。研究表明，随 Ni 含量的增加，熔覆层的硬度开始平稳下降，Ni 含量超过 7%后，熔覆层硬度急剧下降； Cr 的含量较少时，熔覆层的硬度略微的增加，但其含量超过 4.6%时，熔覆层的硬度略微下降，但是进一步增加其含量，熔覆层的硬度有较明显的下降；随 Mo 含量增加，熔覆层的硬度增加，但当 Mo 的含量超过 5.7%时，熔覆层的硬度下降，进一步增加时，熔覆层的硬度没有明显的变化。陶瓷材料：陶瓷材料作为熔覆层有很多优点，如耐磨性、耐蚀性等都比较强，所以陶瓷材料常被用于制备高性能熔覆层，目前，研究生物陶瓷材料也是研究的热点 19。另外，将低熔点金属粉末和陶瓷粉末按照一定的比例混合均匀后置于基体表面进行激光熔覆，得到的熔覆层既有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化等性能，又有较好的金属韧性和可塑性 20。另外，纯金属也是应用较多的粉末材料。如徐春鹰等 21用激光在 PcrNi3Mo 钢上熔覆纯 Cr 粉末，发现纯 Cr 熔覆层能与基体发生冶金结合，具有较高的硬度和良好的耐磨性。2.2 熔覆层的性能（1）耐磨性能 激光熔覆层的耐磨性能主要取决于熔覆层各组成相的性质、含量及分4布状态等。Abbas 等 22在 En3b 钢表面激光熔覆 Stellite6 和 Stellite6+SiC 涂层，其磨损试验表明，激光熔覆 Stellite6 合金涂层的耐磨性能比基底材料提高 5 倍；在 Stellite6 合金中加入 10%的 SiC 后，其耐磨性能比 Stellite6 合金涂层增加 2 倍。Ayers 23利用激光熔化铝合金和钛合金表面并注入 TiC 和 WC 陶瓷粒子，磨粒磨损试验结果表明，在铝合金表面注入 TiC 粒子，可使其耐磨性能提高 7 38 倍；在 Ti-6Al-4V 合金表而注入 TiC 和 WC 粒子可使其耐磨性能提高 7 13 倍。（2）耐蚀性能 胡乾午等 24对 Mg-SiC 复合材料喷涂铜合金，然后用 2 kW-Nd:YAG激光器进行激光熔覆，熔覆后表层 Cu60Zn40 合金与 Mg-SiC 基体熔合良好，激光熔覆试样的腐蚀电位 Ecorr 比未处理的提高 3.7 倍，其相对腐蚀电流密度 Jcorr 降低约 22 倍。另外，抗高温氧化涂层在火箭发动机、汽轮机和热交换装置等高温部件上有着非常广泛的应用。（3）耐高温性 王东生等 25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。（4）其他性能 比如，利用激光熔覆方法制备热障涂层在火箭发动机的燃料室等高温部件上得到了应用。另外，利用激光熔覆技术还可以获得一些功能涂层。如在铜合金表面激光熔覆银涂层可以作为电接触材料 26。激光熔覆生物陶瓷涂层也是今年来研究的热点，文献 27通过将激光熔覆原位合成的钙磷涂层植入动物体内，发现钙磷涂层在动物体内表面有新骨产生，说明了涂层材料在机体内具有诱导骨生长的生物活性。3 激光熔覆研究现状3.1 国外研究现状激光熔覆技术于上世纪 60 年代提出，在 1976 年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。国外在激光熔覆成形技术的研究方面，美国的 Los Alamos 国家实验室、Sandia 国家实验室、密执安(Michigan)大学和 AeroMet 公司等的工作较具代表性。20 世纪 90 年代中期，美国 Sandia 国家实验室在美国能源部资助下与 United Technologies Pratt &Whitney(UTPW)公司的合作研发项日中，开发了激光近形制造技术(LENSTM)。LENS 系统主要由四部分构成：高功率 Nd:YAG 固体激光器、可控气氛手套箱、二轴数控工作台和送粉系统。他们对多种材料的激光熔覆成形工艺进行了研究，制造了镍基超合金、H13 工具钢、不锈钢以及钛合金等零件，成形件性能相对于锻造件在强度和塑性方面均有显著提高 2。Los Alamos 国家实验室开发的 DLF 系统采用 2 kW Nd:YAG 激光器和五轴数控工作台，在充满氩气的不锈钢乎套箱中进行，氧气和水的质量分数小于0.00528。AeroMet 公司开发了 LasformSM 工艺，进行航空钦合金的激光熔覆成形制造5和零件修复。该系统内装有自动反馈控制传感器，工作台定位精度为0.007 62 cm(3/1000 in)，可加工长度 243.84 cm(8ft)、质量为 272.154 kg(600 b)的飞机原型。AeroMet 公司在2000 年 3 月为波音飞机公司(Boeing Company)制造了 F/A-18 E/F 机翼零件。这种加工方法使得零件成本降低 20%40%，生产周期缩短 80%29。3.2 国内研究现状国内对激光熔覆技术的研究较晚，直到进入本世纪之后才陆续有文献报道。其中，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、长春光机所、中国有色金属研究总院、清华大学、北京航空航天大学以及上海交通大学等开展这方面的研究较早，内容涉及了快速成形组织、理论、工艺、设备、软件和材料等各方面，并取得了阶段性的成果。如清华大学开发出了应用于激光熔覆成形的同轴送粉系统，并研究了加工过程的闭环控制；西北工业大学在快速成形工艺、快速成形组织的定向凝固及力学性能方面作了大量的研究工作等。近几年，激光熔覆技术在国内发展较快，更多的企业、高校和研究机构都已开始在成形技术的工艺和应用方面开展了研究工作，现在的研究多数是针对各行各业的特殊用途，针对不锈钢、低中碳钢、可锻铸铁、铝合金及特殊合金上用钻基、镍基或铁基等自熔合金粉末及陶瓷进行激光熔覆，增加其耐磨及耐腐蚀性能 30,31。4 激光熔覆技术发展趋势经过十几年来各国研究者的不懈努力，激光熔覆成形技术己经获得了长足的进步，积累了很多成功的经验。但是，要使该技术真正在工业上获得广泛应用，还须对以下几个方面进行深入研究 32-35：（1）激光熔覆的基础理论研究。现有的激光熔覆理论模型多是借助于激光熔覆表面强化，而对于三维同步送粉激光熔覆成形这样的复杂过程，模型通常做了大量的简化，影响了计算的准确性。并且该技术所涉及的快速凝固方面的理论还不够完善，激光熔覆成形组织形成规律及组织性能控制等还没有完善的理论做指导，这方面的研究还须进一步深化和系统化。（2）熔覆材料的设计与开发。目前激光熔覆成形加工所使用的材料大都是热喷涂用的自熔性合金粉末和实用工程材料，这些粉末的成分是针对具体的工艺设计的，目每一层熔覆后上浮的熔渣有可能夹杂在熔覆层中间而成为裂纹源，并不一定适合于激光熔覆成形。因此，有必要寻求和开发适合于激光熔覆成形的合金粉末。（3）加强激光熔覆成形在零件修复领域的研究和应用。激光熔覆成形技术可以用来对破损零部件进行形状修复、尺寸修复、功能修复和增强功能修复，提高易损易耗件的使用寿命，推进企业和资源的可持续发展。（4）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6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。5 总结激光熔覆成形技术作为一种新兴的先进制造技术，集大功率激光技术、数控技术、测控技术及材料加工技术于一体，是对激光表面强化技术和快速原型制造技术的集成和升华。它可实现复杂形状、全密度金属零件的快速制造而无需工模具，具有成形组织细小、成形零件性能优良、仅需少量精加工就能满足使用要求等独特优越性。通过成形材料的设计，结合不同的送粉速度，激光熔覆成形技术可在零件不同部位实现梯度功能和智能制造以满足不同的使用要求，特别是在复杂零件制造、航空航天、零件修复等方面具有非常巨大的应用前景。参考文献1 关振中激光加工工艺手册M北京：中国计量出版社，1998：265-302 2 宋建丽，李永堂，邓琦林，等激光熔覆成形技术的研究进展J机械工程学报，2010, 46（14）：29-393 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