（机械制造及其自动化专业论文）激光熔覆ni基粉末和co基粉末对比试验研究.pdf

摘要 本试验研究，在g c r l 5 钢表面上，采用预置涂层法在基材表面预置 金属n i 基粉末和c o 基粉末，通过不同的激光工艺参数对涂层表面进行 多道搭接激光熔覆试验研究，进行了参数优化，获得了最佳的激光熔覆 工艺参数。在此基础上借助光学显微镜、扫描电镜、x 射线衍射仪、透 射电镜、显微硬度计和摩擦磨损实验机等对激光熔覆层的合金元素分布、 组织结构、显微硬度和磨损特性等进行了系统的研究。 研究结果表明：激光熔覆镍基和钴基粉末可以获得宏观质量好、无裂 纹、气孔等缺陷且与基体呈冶金结合的熔覆层：激光熔覆层的硬度比基 材的硬度有提高，抗磨损性能提高了2 倍，激光熔覆层的组织紧密，覆 层质量较高。 关键词：激光熔覆n i 基粉末c o 基粉末参数优化 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，i n o r d e rt oi m p r o v et h ep r o p e r t yo fg c r l 5s t e e l ，l a s e r c l a d d i n go fn ip o w d e ra n dc op o w d e r w c r ci n v e s t i g a t e d t h el a s e rc l a d d i n g p a r a m e t e r s i nt h ec o n d i t i o n so f m u l t i - p a s sl a s e r j o i n e dc l a d d i n g w e r e s t u d i e d ，t h em i c r o s t m c t u r e ，h a r d n e s s ，o fl a s e rc l a d d i n gs p e c i m e n sw e r e s t u d i e db yu s i n gs e m ，t e m ，e d s ，x r d 、m i c r o h a r d n e s st e s t e ra n dw e a l t e s t e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb yp a r a m e t e r so p t i m i z i n go fl a s e rc l a d d i n g ，t h e c l a d d i n gl a y e rw i t h o u to fp o r e sa n dc r a c k sc a nb eo b t a i n e d ，a n da ne x c e l l e n t b o n d i n gb e t w e e nt h ec l a d d i n gl a y e ra n dt h es u b s t r a t ew a sg o t t e nw i t ha s t r o n gm e t a l l u r g i c a l i n t e r f a c e t h e p e r f o r m a n c e o fa n t i 。w e a r i n e s si s i m p r o v e db y2t i m e s t h em i c r o s t m c t u r eo fl a s e rc l a d d i n gl a y e rw a s i ng o o d q u a l i t y k e yw o r d s ：p a r a m e t e r so p t i m i z i n g n ip o w d e rc op o w d e rl a s e r c l a d d i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文激光电弧复合焊接技 术的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名：塑! 缝1 1 生垒i 旦丛旦 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：逊叠q ：2 生q 王旦墨! 旦 指导导师签名 琴。盟生_ 匝越姬 第一章绪论 1 1 激光加工概述 激光与计算机是人类2 0 世纪两项最伟大的发明，深刻地影响和改 变了人类文明的历史进程。作为一种特殊光波，激光具有一系列普通光 波所无法比拟的优点，即高度的方向性、单色性、相干性、高亮度、超 短脉冲及可调谐性等。由于激光的这些特性，其应用领域极其广泛，潜 力十分巨大。因此，激光自1 9 6 0 年一问世就受到世界各国的高度重视， 发展极其迅速。具有极高单色性和空间相干性的激光束表现出良好的聚 焦特性，聚焦后的激光在焦点附近可以达到1 0 7 1 0 1 2 w c m t 以上的能 量密度，产生数千度乃至上万度的高温，这使得激光可以熔化和汽化任 何材料，从而实现各种加工。在不计其数的诸多应用中，激光加工是目 前激光技术市场所占份额最大的领域。 激光加工是指通过激光与物质的相互作用而引起材料物理状态、成 份、组织结构和性能等改变的加工过程。按照光与物质的相互作用机理， 激光加工可分为热加工和冷加工两种。 激光热加工是指激光作用在金属或非金属材料上，材料吸收激光能 量引起温度升高、熔化或汽化，以实现各种加工。激光热加工是目前激 光加工的主流，主要采用各种红外激光器，如c o ，激光器和n d ：y a g 激 光器，在电子、机械、汽车、冶金、造船及航空航天等工业部门广泛应 用于电阻微调、镀膜、基板划片、零件打标、焊接、切割、打孔、表面 处理( 相变硬化、重熔硬化、合金化、熔覆、冲击硬化) 、切削等。 紫外激光作用在物质上将有可能直接破分子阅的结合键，从而实现 对该种材料的剥蚀a n t ，这种加工方法称为激光冷加工。 与传统加工方法相比，激光加工具有以下主要特点： ( 1 ) 激光能量密度高，可以在瞬间熔化和汽化任何材料，实现各种金 属和非金属的加工，包括各种难熔材料和高导热性材料。 ( 2 ) 激光加工为非接触加工，与被加工工件之间没有力的作用，不存 在刀具的磨损，可以加工脆性材料和高硬度材料，激光被称为永 远不钝的“工具”。 ( 3 ) 激光束易于聚焦和成型，根据需要可以任意改变光斑形状、大小 和能量密度，实现材料的表面改性、焊接、切割、打孔等多种加 工。激光享有“万能加工工具”的美誉。 ( 4 ) 激光束的导向和能量传递方便快捷，与光传输数控系统配合，可 以实现高度自动化的三维柔忖加t 。 ( 5 ) 激光与被加工材料之阃相互作用可以精确控制，加丁质罨高。 ( 6 ) 激光加工节省能源，不产生环境污染，是一种绿色制造技术，符 合世界经济技术发展潮流，激光加工被誉为“未来制造系统共同 的加工手段”。 1 2 金属激光表面改性种类及特点 根据激光与金属材料表面作用时的激光功率密度、作用时间及方式 不同，金属激光表面改性技术可分为激光相变硬化、激光熔融及激光表 面冲击三类。在激光熔融一类中包括：激光熔化一熔凝处理、激光表面 合金化和激光表面熔覆等。详细分类如下： 激光相变硬化，激光相变硬化主要应用于表面的处理，与其它方法 相比，有以下一些特点： ( 1 ) 激光光束能量高，对工件加热快，冷却快，淬硬层马氏体比较细， 硬度比常规淬火高1 5 2 0 ( 2 ) 激光热处理中，由于冲击加热，有促进碳化物溶解的可能性，因 而造成碳化物超细化。同时淬硬层中残余奥氏体密度增大，对获 得超硬马氏体也有较大的贡献。 ( 3 ) 仅对工件表面一薄层金属加热，几乎不发生热变形，工件变形小， 可以省去校直及精磨工序，便于进行精密件局部表面淬火。 ( 4 ) 能进行内孔及沟槽的侧面及底部的淬火和复杂工件的局部淬火， 而其它力法很难解决。 ( 5 ) 由于聚焦光束焦深相当大，可以允许工件表面有相当大的不平 度，便于进行花键及齿轮的淬火。 ( 6 ) 硬化深度和面积可以精密控制。 ( 7 ) 激光淬火除薄件外，一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂， 无公害。 ( 8 ) 由于工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。 激光相变硬化亦存在一些缺点： ( 1 ) 淬硬层深度受限，一般在2 m m 以下。 ( 2 ) 由于金属对波长l o 6f 聊的激光反射率很高，为增大对激光的吸 收，须作表面涂层或其它处理。 激光表面熔凝处理，这一类激光表面处理的特点是表面有一层达到 熔化状态，根据处理条件的不同，可分为如下几种： ( 1 ) 激光熔化淬火：这种方法是单纯地将表面用激光加热到熔化，然 后自身冷却得到淬火组织，也可用于铸锭表耐晶粒细化。 ( 2 ) 激光合金化：这项技术是在材料表面被激光熔化的部分加入合金 元素( 可事先放置也可在加工同时加入) ，经过短暂的液态对流扩 散而形成一层有一定均匀度的高合会层，从而使表面获得酬磨、 别腐蚀、抗氧化和耐热等特殊的性能。 ( 3 ) 激光熔覆：其工艺过程j 激光合金化相似，f 避不同的是所加入的 2 不是一种或几种元素，而是事先配好的具有一定组成的合金粉 末。粉末经熔凝处理而形成特殊的合金，具有一定的高性能。后 文将详细讨论激光熔覆的有关问题。 ( 4 ) 激光非晶化：这种方法采用很高的激光功率和很快的扫描速度， 使表面瞬时达到熔化温度并超激冷，而将液态时的各向同性保留 到固态，使材料的机械性能、磁性、电气性质和耐蚀性等提高。 1 3 激光熔覆技术 1 3 1 激光熔覆技术的基本概念和工艺方法 激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择 的涂层材料，经激光辐照使之和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、抗氧化及电气特性等的工艺方法。 激光熔覆技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的材料表面工程领域的前 沿课题之一，作为一种新型的热处理技术，涉及到物理、冶金、材料科 学等领域，能够在廉价的基体材料上熔覆性能各异的合金粉末，可提高 工件表面的耐蚀、耐磨、耐热及电气特性等，从而节省大量的贵重合金 战略元素，具有广阔的发展前景。正因为其发展潜力很大，经济效益可 观，所以引起了国内外的普遍关注，纷纷投入人力、物力、财力等进行 研究。 根据熔覆材料的供料方式，激光熔覆方法主要分为两种：一步法和 两步法，即预置粉末法和同步送粉法。预置粉末法是将熔覆材料在激光 熔覆前沉积在基体材料的表面上。对于较薄的合金层( 小于5 0 0 r a m ) ，预 沉积方式一般为真空蒸发、离子注入或溅涂法。对于较厚的合金层，可 采用电镀法、喷涂法、轧制法及机械或人工刷涂法。目前，较广泛采用 的是机械或人工刷涂法，这种方法主要采用各种粘合剂在常温下将合金 粉末调成膏状或糊状，覆在待处理会属表面，待烘干后进行激光熔覆。 常用的粘合剂有清漆、硅酸盐胶、水玻璃、醋酸纤维素、丙酮硼砂溶液、 透明胶、甚至浆糊等，其优点是经济方便，缺点是这种沉积层导热性不 佳，需消耗更多的激光能量，同时由于粘结剂的气化和分解也易对熔覆 合金造成气孑l 和污染等缺陷。同步送粉法是将粉末由送粉器经送粉管送 入激光辐照区，粉末先经过光束加热冉落入溶池。送粉方式分两种：一种 正向送粉，即i = 件运动方向与合金粉未气流的运动方向夹角小于9 0 c ； 另一种是逆向送粉，即工件运动方向与合令粉末气流的运动方向央角大 于9 0 c t “。 两种激光工艺方法的示意图如下： 图1 预置涂层法激光熔覆工艺示意图 遂髑 r 一 _ i 冀撵逮动方嘲 图2 同步送粉法激光熔覆j ：艺示意幽 1 3 2 激光熔覆技术的特点 激光表面涂层技术主要包括激光表面合会化、激光气相沉积与激光 熔覆三个分支。与激光合会化不同，激光熔覆可以不受基体材料的限制， 直接根掘使用要求设计熔覆层的组成，以获得弥补基体性能不足的优异 表面改性涂层；和激光气相沉积比较，激光熔覆无论是涂层质量、与基 4 体的结合强度还是涂层可达到的厚度及经济性都要高出一筹，因而倍受 重视。目前，有关激光熔覆的研究工作主要集中在工艺开发、熔覆层材 料体系的选择、激光熔化区的快速凝固组织及与基体的界面结合性能测 试等方面。作为- - f 7 新兴的边缘学科，激光熔覆乃至激光涂层技术无论 在理论上还是在实践上都有许多问题尚待解决和完善。 同其它表面涂层技术相比，激光熔覆技术具有以下的特点： ( 1 ) 局部表层区域的快速熔覆对基体或被涂工件的热影响甚微，易实 现选区熔覆。 ( 2 ) 熔覆层与基体的结合得到改善，结合带为冶金结合。 ( 3 ) 高达1 0 口s 的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的组 织结构如：亚稳相、超硬弥教相、非晶等。 ( 4 ) 熔覆层受基体金属的稀释程度可降低到最低限度，从而得到所设 计的表面性能。 ( 5 ) 熔覆层成分、厚度可控、工艺过程易实现自动化。 ( 6 ) 热输入和畸变形小，熔覆层稀释率低( 一般小于5 ) 。 ( 7 ) 粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点表面熔覆高熔点合 金。 ( 8 ) 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。 激光熔覆的凝固特点： ( 1 ) 非平衡相的形成。在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制， 而析出非平衡的亚稳定相。 ( 2 ) 细化凝固组织。大的冷却速率不仅可细化枝晶，而且由于形核速 率的增大而使晶粒细化。随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小， 获得微晶，乃至纳米晶。在本文后续章节中，可以明显看到，如 果在比较合理的工艺条件下，激光熔覆层的组织要比等离子喷焊 组织细小得多。 ( 3 ) 非晶态的形成。当冷却速率极高时，结晶过程将被完全抑制，获 得非晶态的固体。 国内外研究表明：决定激光熔覆宏观、微观质量的因素主要是激光 参数、材料特性、加工工艺及环境条件、激光束、粉末和基体之问的相 互作用时间等。一个良好的熔覆层应该具有较低的稀释率、无开裂、无 气孔、无央渣，使用时无脱落、熔覆层与基体呈冶会结合、性能均匀、 外观平整，能满足预定的使用性能要求，如：耐磨、删蚀、抗氧化、高 硬度等。国内外学者剧绕着影响熔覆层质量的因素，做了大量深入的研 究二厂作，取得了可喜的进展。对激光熔覆的研究可归纳为以下几个方而： ( 1 ) 激j 匕参数、工艺参数对熔覆层性能的影响；( 2 ) 熔覆层组织、性能及 界甬1 问题；( 3 ) 熔覆材料；( 4 ) 激光熔覆过程中热传导的机理研究；( j ) 熔覆设备的研制与开发，包括激光器、送粉、吹气等辅助装置、检测控 制系统等；( 6 ) 激光熔覆应用研究。这些研究与探索，为其工业化应用奠 定了基础【3 1 。 1 3 3 激光熔覆的装备 激光熔覆实验中最基本的装置是高功率激光器、定位系统和供料设 备。国内针对不同处理对象分别设计出矩形积分反射镜，点状振动扫描 反射镜和透射式或透反射式的导光系统。对于覆层材料预置设备，国内 外都进行了积极的研究，并取得一些成果。最近，g r u n e w a l d 等设计了 种新的送粉系统，配套测量装置可反馈信息，保证整个处理过程供给 速度恒定。由于其高度集成和重量较轻，整个供给装置可安装在激光工 作头上。另外，如果设计合理，还可采用侧向送粉法( g a t e r a lp o w d e r f e e d i n gs y s t e m ) ，其优点是可采用的工艺参数范围大、廉价、坚固、容 易建立。缺点是所送出的粉末不呈轴向对称，且不能实现全方位送粉。 为了实现全方位送粉，j l i n 和w m s t e e p 设计出一种最新的喷嘴装置， 粉末材料和气体随同激光束起，同轴射入移动基体形成熔池，粉末利 用率可达4 0 。因为其熔覆粉末流向与激光走向一致，所以能够适应全 方位的熔覆要求。国内则研制出了一种宽带激光熔覆送粉器，这种送粉 器不采用辅助气体送粉，主要靠粉末自重并辅以微振动输送粉末，粉末 利用率可达9 8 2 ，送粉量0 5 - - 2 0 0 9 m i n 。 1 4 激光熔覆的理论基础 激光熔覆的原理就是利用激光的光子和材料表面的声子( 代表点阵 能量的量子) 的相互作用，吸收激光的能量而被加热的。电子与电子、声 子与声子的能量交换，使处理层材料的温度急速提升。激光熔覆时，光 束的功率密度约1 0 2 1 0 5 w c m2 ，照射时间极短，当光束移开时，热量 从工件表面向内部传导发散而冷却，金属材料本身具有优良的导热性， 使加热部位快速冷却，只要工件具有足够的热容量，即使不附加其他冷 却措施，冷却也可达1 0 3 ，s 甚至1 0 6 s 以上。 激光熔覆是一个动态熔化过程，熔池尺寸小，不仅存在着传热现象， 而且也存在着对流、质量传递等。它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、 组织和成分的均匀性及其它物理冶金性能，因而搞清激光熔覆过程中的 热传导、对流和质量传递问题，对于理论研究和实际工业应用都有着重 要的理论价值。到 if i i 为止，很多研究者己经做了大量的工作，进行了 激光熔覆理论模型的研究及激光一材料交互作用的理论和实验研究，从 不同方面建立了激光熔覆的热计算模型。温度场模拟是其中最主要的工 作。 由于激光熔覆采用的激光功率较高，加热和冷却速率都极快；川时 熔池的尺寸较小、温度极高，用实验的方法测量熔池中液体的温度分布 有一定的困难。目前，对激光作用下材料温度场主要采用模拟计算的方 法，包括两种方法：解析法和数值计算法。数值计算又包括有限差分法 和有限单元法，特点是物理意义明确，易于考虑边界条件，被广泛采用 和研究。 许多研究者做了大量研究工作，从不同的方向建立了激光熔覆的热 计算模型，这些工作主要分为两个方向：一是对激光熔覆所需的功率参数 进行计算预测；二是激光加热温度场的计算模拟。通过激光加热温度场 来分析激光熔覆中的温度场、流场及传质等情况。随着计算机技术和红 外测温技术的发展，人们开始尝试利用红外热成像技术实际测量激光熔 覆的温度场，利用专门软件对红外热图像进行分析，得到最高温度、单 点温度、等温分布、冷却速率等结果，为激光熔覆温度场的获得开辟了 一条新的思路。 在a s h i b y 模型使用的运动高斯热源附近温度场的解析式中，引入了 特征长度。其作用是在有限热作用时间内限制工件表面温度为有限值， 即人为假设真实表面在模型表面下z 。处。由此可见，早期的数学物理模 型与激光熔覆及合金化、焊接传热的实际情况有较大差距，至使距离热 源较近部位的温度计算发生了极大的偏差，但这里恰恰是我们最关注的 部位。对于激光熔覆，从工艺上讲，确定熔化区的尺寸及形状是十分有 意义的；从冶金动力学角度上讲，相变点以上的加热范围是研究的重点。 早期研究者都只涉及到固体传热过程。为了准确地计算激光熔覆及合金 化、激光焊接热过程，必须考虑熔池内的流体流动状态对热过程的影响。 即熔池内液态金属以对流为主( 也有液态导热) 的传热过程和熔池外以导 热为主的传热过程，才符合激光熔覆及合金化传热的实际情况弘“。 基于上述模型的缺陷，国内外众多学者采用数值模拟技术，对激光 熔覆及合金化、焊接熔池动力学过程进行了大量的研究，建立了众多的 数学物理模型。为了使问题简化，早期熔池流体流动和传热学模型是建 立在一种比较理想的基础之上的，即做了如下假设：工件尺寸无限大、 静止热源、温度场和流场呈轴对称分向，熔池形貌作为数值分析的前提 条件预先确定下来等。应用早期的数学物理模型进行数值分析，结果表 明，流体流动对确定熔池中的传媳过程和温度分1 】起着蕈要的影响，对 熔池形状和随后的结晶过程有喾明显的影响。但这些模型与实际熔池存 在较大差距，只能是一种定性分析，随着时间的推移和研究的不断深入， 建立了众多与实际熔池流体流动和f 热过程较杓台的真三维数学物理模 型。 s k o u 教授等建立了运动商斯热源i 维准稳志激光熔化熔池流体流 划j 及f 0 热槿，型，考虑了浮力和灰i f i 】张力梯度作为熔池流体流动的驱动力。 熔池的形状是通过计算得到，向小是事先给定的。蚌j 该模型计算了 3 2 聊川厚6 0 6 3 铝板熔化熔池中的流场和温度场。s k o u 讨论了表面张 力温度系数d x d r 对熔池形状的影响，d x d r 为正时，金属液体从熔池 中心高温区流向熔池边缘低温区，溶池变宽变浅，宽深比较大；a x i a l 为 负时，金属液体从熔池中心高温区流向熔池底部低温区，宽深比较小。 同时s k o u 还考虑了雷诺数对熔池流动方式的影响，通过计算，熔池的 雷诺数小于临界雷诺数，对流被认为是层流吲。 t z a c h a r i a 等建立了运动电弧非自动焊t i g 焊熔池中的流体及传 热过程的三维瞬态模型。模型把焊接熔池熔化表面作为完全的变形表面 来处理，并把熔池表面的升高h ( x ，y ) 作为主要控制变量，模拟了焊遭凸 起、焊缝表面波纹和重力波等现象。在模型算法中使用单元标子技术 ( m a r k e d - - e l e - - m e n t t e c h n i q u e ) 跟踪固一液界面的瞬态发展，固一液界 面是由计算元素中与温度和质量有关的液态质量分数来确定的，模型在 能量方程中还加入了局部瞬态相变的影响，考虑了由温度变化而引起的 密度变化，模型采用了有限差分法对控制方程进行求解，综合考虑7 烙 池中的电磁力、浮力、表面张力、表面张力梯度和表面变形的影响i j 。 随着激光熔覆在国内的发展，国内的一些学者也在温度场方面做7 一些探讨。 曾大文等建立了三维准稳态激光熔覆的熔池流场及温度场的数值模 型，除考虑对流换热外，模型还考虑了局部大变形自由表面。在贴俸正 交曲线坐标系下采用了非交错网格s i m p l e 算法离散求解动量方程，计算 出了激光熔覆熔池自由表面形状和温度场、速度场及局部特征凝固参数。 数值结果表明，表面张力温度系数和扫描速度对熔池自由表面形状及烙 池内温度分布、速度分布有重要影响。 路有勤等在综合考虑了激光熔覆中热流旌加、材料传热两方面自身 特点的基础上建立了合理的激光熔覆数值模型。利用有限元法，遭过 计算模拟，结果表明，所得激光熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻 合良好。 应丽霞等通过建立移动激光高斯热源作用下三维熔覆温度场的计算 机数值分析模型，在分析过程中引入了复合材料热物性参数的计算方法， 考虑了相变潜热和辐射对流散热等因素，用a n s y s 中的a d p l 语言编制j 相应的计算机程序，具有较高的计算精度。在不同的工艺参数条件f ， 用该模型对激光熔覆陶瓷令属复合涂层温度场进行了分析计算，得出j 熔覆过程中试样表面、端面的温度等值线分仉和温度梯度分布，预测j 熔池的轮廓、热影响区的形状、交界面的结合情况等 徐庆鸡等综合考虑了激光熔覆热流施加、材料传热西方面的自身特 点( 存热源施加方面，激光熔覆是小面积、快速、分佃小均匀的热流输八 形式；在材料f 热力，激儿熔覆是多层异质、顺胃涂坛多孔的材料1 热方式) ，建立了合理的激光熔覆数值模型，利用有限元法，通过计算模 拟，结果表明，所得激光熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻合良好。 早期的焊接、激光淬火、重熔和合金化热过程的研究采用解析法和 数值分析两种方法进行，得出了大量有价值的结论，特别是对于激光相 变工艺，计算值和实际符合得比较好，对实际生产具有重大指导意义。 1 5 激光熔覆的材料体系 目前激光熔覆尚未有专门的熔覆材料体系，而是采用喷焊或喷涂用 材料。在进行激光熔覆材料设计时，必须满足以下几方面的要求： ( 1 ) 熔覆材料应具有所需要的使用性能，如；耐磨，耐蚀、耐高温和 抗氧化等特殊性能。 ( 2 ) 熔覆材料的热膨胀系数、导热性能应尽量与基体材料相接近，以 免在熔覆层中产生过大的残余应力，而造成裂纹等缺陷。 ( 3 ) 熔覆材料与基体材料间应具有良好的润湿性，润湿性与表面张力 有关，表面张力愈小，液态流动性越好，易于得到平整光滑的熔 覆层。 ( 4 ) 熔覆材料的熔点不易过高，以有利于控制熔覆层的稀释率。 ( 5 ) 熔覆材料应具有良好的脱氧、造渣能力，合金粉末在使用过程中， 不可避免地要受到氧化，也会在熔化过程中溶解一些气体，因此 合金在熔化状态时应具有良好的脱氧、除气能力，脱氧产物应形 成比重小、熔点低的熔渣覆盖在液态金属表面，对表面起保护作 用，以防止产生夹渣、气孔、氧化等缺陷。 ( 6 ) 对送粉法激光熔覆还要求粉术应具有良好的固态流动性。通常， 在激光熔覆技术中广泛采用的熔覆材料主要有n i 基、c o 基、f e 基三类自熔性合金粉末。 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的状况来选配。对于一定的工 作环境，对于某一基体而言，存在最佳涂层合会。目前，对于涂层材料 及基体材料的许多物理性质无法知道，因此涂层材料与基材是否具有良 好的匹配关系，成为激光熔覆技术的一个重点。另外，在设计时不能一 味的追求涂层材料的使用性能，还要考虑涂层材料是否具有良好的涂覆 工艺性，尤其是基材的在线膨胀系数、熔点等物理性质是舀具有良好的 匹配关系，要求如f ： 1 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配 激光熔覆层巾产生j f 裂、裂纹的重要蟓因之一是熔覆台令弓皋材之 问的线膨胀系数的葶异，所以在选择涂联材料时首先要考虑涂层1j 皋材 在线膨胀系数卜的p l 配，考虑涂层与幕材的线膨胀系数筹异对涂层的结 合强度、执热震一能，特别是抗丌裂，h 能的影响。一般沙、为，为阴j k 涂 层丌裂与剥；窖，涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性原则，即：告应 9 尽可能接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基材和涂层的加热和冷却过 程不同步，熔覆层的线膨胀系数在一定的范围内越小，熔覆层对开裂越 不敏感。 2 激光熔覆材料与基材熔点的匹配 在激光熔覆技术中，需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质 是其熔点，熔覆合金与基材的熔点之间的差异过大，形成不了良好的冶 金结合。若是熔覆材料熔点过高，加热时熔覆材料熔化少，会使得涂层 表面粗糙度高且基体表层过烧，严重污染熔覆层；反之，则使熔覆层过 烧，且与基体问产生孔洞和夹杂。因而力求采取具有合适熔点的涂层材 料。 3 激光熔覆材料对基材的润湿性 除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速加热下 的流动性、化学稳定性、硬化相质点与基材金属的润湿性以及高温快冷 时的相变特性等。熔覆过程中，润湿性也是一个重要的因素。特别是要 获得满意的金属陶瓷涂层，必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性。 在提高润湿性方面，主要基于以下原则： ( 1 ) 选择适宜的激光熔覆工艺参数，如：提高熔覆温度以降低覆层金 属液体的表面能。 ( 2 ) 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金元素， 如：在材料体系中加入t i 提高相间湿润性，在基体中添加活性 元素也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。 ( 3 ) 改善陶瓷粒子的表面状态和结构，即对熔覆用陶瓷颗粒进行表面 处理，以提高其表面性能。常用的处理方法有机械、物理和化学 清洗、电化学抛光和涂覆等。如在a 1 基复合材料中，用a g 浸润 于陶瓷表面形成胶状熔体而构成a g 涂层，而a g 和a 1 有很好的 润湿性，从而形成了a l 与陶瓷问良好的润湿与结合。 通常，在激光熔覆技术中广泛采用的熔覆材料主要有n i 基、c o 基、 f e 基三类自熔性合金粉末。 n i 基合金粉末主要有n i b s i 和n 卜c r b s i 两个合会系列。其中 n i - c r b s i 合金是激光熔覆技术中应用最广泛的熔覆材料。它是在 n i b s i 合会系列的基础上加入适当的c r 而形成的。c r 能溶于n i 中形 成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化忡和耐蚀性。c r 还能与b 和c 形成碳化物和硼化物，1 1 丁提高熔覆层的硬度和耐磨性。增 加 4 i - o r b s i 合金中c 、b 、车l is j 的含鹭，可使熔覆层硬度从h r c 2 5 提 高到t l r c 6 0 左右，但熔覆层的铷。r 应有所一f 降。 1 的性能仅次于于钴，可以册ji ： 濡，但价格比钻却便宵得多，因此 存i 7 多耐酸、耐热的合会l j ，镍r 与i 爱地位。镍基合仑的激光熔覆也引 起了以多彬f 究者的重视，由卜过上皆经试图用等离f 喷涂镍望台会的方 法去提高工件的耐热、耐蚀性能，但热喷涂层有孔隙、不致密，影响效 果。所以激光熔覆镍基合金的研究不少是从热喷涂后用激光重熔开始， 后来发展成为送粉式激光熔覆。 1 9 8 6 年，c h b e 和w c e r r i 用6 2 5 粉末( n i 基，含c o 7 5 ；b 3 1 ： s i 4 3 ；c r l 3 ；f e 3 5 ) 和1 5 e 粉末( n i 基，含c 1 ；b 3 5 ；s i 4 ；c r l 7 ； f e 4 ) ，热喷涂于不锈钢上，然后进行激光重熔处理，得到的试样与热 喷涂试样一起进行热腐蚀试验，后者己严重腐蚀的情况下，前者基本上 未见腐蚀。 1 9 8 7 年，阎毓禾和杨洗陈等在低碳钢板上激光熔覆了一层n i 基合 金粉末( 组成：n i 7 5 w t ：c o 8 4w t ：b 3 8w t ：s i 4 2w t ：c r l 6w t ) ， 熔覆层基本上无气孔和夹渣。熔化区硬度平均b v 8 6 2 ，试样的蠕变性能、 抗氧化性能已接近于常用来制造涡轮机叶片的k 6 高温合金。 1 9 9 7 年，徐春、罗源英等在4 5 钢上激光熔覆了一层n i c r s i b 自熔 性合金得到了一层硬度高达h v1 2 0 0 以上的熔覆层。经分析认为整个熔 覆层合金成分分布均匀、偏析较小、在过渡层附近稍有下降。由于熔化 区内存在合金渗碳体等硬质相和层错现象，使得熔化区的硬度高达h v 1 2 0 0 以上。 c o 基合金粉末主要用于钢或铁基合金基体上，已有不少学者进行了 钻基合金的激光熔覆试验，其中尤以司太立合金为多。适用于要求耐磨、 耐蚀和抗热疲劳的零件。c o 基合金润湿性较好，其熔点较碳化物低，受 热后c o 元素最先处于融化状态，而在凝固时它最先与其他元素结合形成 新的物相，对熔覆层的强化极为有利。c o 基合金的成分设计上，品种比 较少，所用的合金元素主要是c r 、f e 、n i 和c ，此外，添加b 、s i 以形 成自熔合余。加入a i ，可以增加熔池的流动性，从而抑制熔覆层气孔的 产生。 由于钴基合金粉末的主要成分是c o 、c r 、w ，因此，具有良好的高 温性能和综合机械性能。c o 与c r 生成稳定的固溶体，在此基础上弥散 分御着c r ，c ，和w c 等各种碳化物以及c r 8 等硼化物，导致合金具有更高 的红硬性、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。在此合令中一般还会添加一些 、i ，有利于改善合会的熔覆工艺性、提高韧性、降低成本。 ， c o 萆合会由于在常温和高温下都具有良好的蚶磨制蚀性能，所以在 i 业界得到广泛应用。特别是在气门工业中，由j 。气fj 密封面要在高温 f 承受燃气中v ，0 ；、a ，0 、s 0 ，等的侵蚀，而坐f i 气门的高速运动和 频繁起动以及气门密封面和气门座的频繁撞击，所以选用c o 基合会可以 较好地满足实际1 ，况，提高气门的使用寿命。 f f 是同时c o 叉足种比较贵重的会属，比如2 f ) f ) 2 年4 月份州阿、市 场 j l j 求牛，特种钏和偌化剂等产品的低纯度( 纯瞍为9 9 ：j j 铂的价格 每吨在1 4 2 1 9 6 7 美元至1 4 7 7 0 8 2 美元左右，而同期的铁合金的价格仅 为每吨约2 1 0 美元上下。所以c o 合金的应用一般都是采用表面工程的方 法在金属上增加一薄层含c o 的合金层，既改善了金属的表面性能，又保 证了加工成本在可以接受的范围内。 1 9 7 9 年；d s g n a n a m u t h u 用司太立l 号合金放在铸铁上，铸铁为 m ，c ，和m 。c 细粒分布于奥氏体的钴基体上组成，直径3 m m 。钢基体预热 到2 5 0 0 ，然后进行激光熔覆处理，用电子探针测得熔覆层中含c 0 5 1 、 含c r 3 1 、含w 1 3 。在整个厚度上成分和组织都很均匀。基体进入熔覆层 的重量比小于5 。金相组织检测表明熔覆层的碳化物比铸棒中显著细化。 1 9 8 3 年，j h p cm e g a w 等进行了司太立合金6 号的激光熔覆试 验，熔覆粉末预置l m ，在多道搭桥熔覆时，在熔覆道之间须重新放置 粉末。在处理的样品中出现了气孔问题，可能是由于基体中有0 2 ，熔覆 时发生氧化还原反应而产生c o 或c 0 2 ，稀释率低时或作用时间长时，气 孔少一些。 1 9 8 6 年，j h e r n a n d e z 和a v a n n e s 为解决水利工程方面的耐磨、 耐蚀问题而进行了司太立6 号的激光熔覆，马氏体不锈钢为基体。试验 得到的熔覆层与基体结合良好，没有气孔和裂缝，结合面两侧扩散区限 于2 0um 以内，基体受热影响小，熔覆层金相组织均匀。在熔覆层中存 在残余拉应力，其大小接近于材料弹性极限的水平。 此外，由于c o - - w c 烧结硬质合金具有硬度高、强度高、耐磨损、耐 腐蚀、耐高温、膨胀系数小的特点，是否能用激光熔覆的方法熔覆于耐 磨工件表面，以达到节约贵重材料的目的，也引起了不少研究者的兴趣。 1 9 9 0 年，刘文今用硬质合会( w c + 1 7 c o ) 制成胶体涂料，熔覆到 钢和灰铸铁上，经过优化工艺处理，得到的熔覆层组织均匀、无裂纹， 显微硬度1 1 0 0 1 2 5 0 h v 。后将这一成果用于c a - 1 4 1 型汽车发动机摇臂 工作面上装车进行试验，与原高频淬火的摇臂进行了比较，激光熔覆的 摇臂磨损量为原高频淬火摇臂的6 l 。 1 9 9 3 年，张思玉、郑立。等在2 0 钢表面激光熔覆w c b c c o 涂层， 合金粉未用有机粘结剂预置在样品表面。在熔覆层得到w c 、b ，c 、c o w ，c 、 f e ，w ，c 、c o 。b ，c 、c o ，w ，c 等硬质碳化物合金相，处理后的样品硬度、 耐磨性都得到很大提高。 f e 摹自熔合龠适用于要求局矧j 时磨且容易变形的零件，基材多为铸 铁和低碳钏，萸最大优点是成本低时磨性好，但熔点高、合命自熔性 差、流动t 牛小女f 、熔覆层内气孔央渔较多，这些缺点也限制了它的应用。 目f i i ，f e 基合龠熔覆层组织的合命化设计 三要为f e c x ( x 为c r 、w 、 m 。、b 等j ，熔覆垃组织士要山亚 皇4 f f 组成，强化机制为马氏体曲! 化及碳 化物强化。 陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀和高的化学稳定性能，在许多工业 领域中具有广泛的应用前景。通过向熔覆材料中加入陶瓷颗粒，经激光 辐照并快速熔凝后可形成金属一陶瓷复合涂层，从而改善单一金属熔覆 层的性能，使零件表面获得更高的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能。 在激光熔覆中常用的陶瓷相有w c t l 8 - 2 8 1 、t i c ( 2 9 - 3 3 1 、s i c 【”、t i c1 3 9 , 4 0 等。 1 6 激光熔覆层的性能及应用 耐磨损。目前开展的大量激光熔覆工作，主要是在零部件表面制备 高耐磨的熔覆层。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、含量及分布状态等。如上所述，在n i 基、c o 基和f e 基自熔性合 金中均含有一定量的碳化物和硼化物等硬质相。因此，这三种自熔性合 金激光熔覆层均具有良好的耐磨性能。陶瓷颗粒的加入，将使熔覆层中 硬质相的数量进一步增加，使熔覆层的硬度和耐磨性能进一步提高。 耐腐蚀。南京航空航天大学在q 2 3 5 表面激光熔覆c n b t i 加稀土 硅铁以及n i c r - b - s i 加稀土硅铁。结果表明：钢表层中的过饱和稀土除 和氧、硫作用外，还可固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金属间 化合物：经过稀士和激光熔凝处理的表面具有较高的耐磨、耐蚀性能。 中南大学在耐酸不锈钢基体上激光熔覆c o 基合金。得到的熔覆层与等离 子焊层相比，激光熔覆层缺陷低，成品率高，其组织细密均匀，晶粒细 小，稀释率小，对基体热影响小，熔覆层硬度与强韧性提高，具有较高 的耐磨、耐蚀性能。到目前为止，激光熔覆技术已经在活塞、缸套、导 轨、刀具、模具、阀体、气轮机叶片等应用上取得了一定的成果。正因 为其发展潜力很大，经济效益可观，所以引起了国内外的普遍关注。激 光熔覆层的显微组织对提高耐蚀性能办极为有利，激光快速熔凝形成的 定向凝固组织使涂层表面晶粒取向相近，减少了因晶粒取向不同而形成 的原电池反应加速腐蚀的倾向。激光熔覆快速冷却产生的过饱和固溶体 可提高涂层基体的电极电位及抑制了某些脆性相的析出等，均可有利于 改善熔覆层的耐蚀性能。 抗高温氧化涂层在火箭发动机、气轮机和热交换装置等高温部件上 有着非常广泛的应用。稀土元素的加入能进一步细化组织、稳定晶界、 提高涂层的抗氧化性能，为进一步提高涂层的高温抗氧化性能，可以在 涂层中加入陶瓷粒子。此外，一些会属问化合物由于具有较高熔点和在 高温氧化环境中的稳定性，在抗高温氧化涂层中其有良好的应用前景。 制备功能梯度材料，由于熔覆层和基体之l 日j 的性能差别很大，使用 中往往容易界面失效。为此研制可以消除界面的功能材料，使涂层的组 成和十牛能沿厚度方向连续梯度变化，存探索激光熔覆陶瓷会属梯度涂层 n t ，最仞采用叠层熔褴法，逐联改变混合粉k 中陶瓷颗 t 的含量和粒度， 经多联熔覆后，陶瓷颗粒在熔覆联中的分稚觑律4 王白阶变化。此法沿用 熔覆层和基体间引入过渡层的方法，陶瓷颗粒在每一层中均匀分布，层 与层之间的组织变化不连续，仍有界面问题。北京工业大学采用激光一 步熔覆法，利用激光熔池的对流和凝固行为，依靠t i c 颗粒在熔池中不 断长大和有规律的运动，在激光束一次熔凝过程中自动实现了涂层的连 续梯度结构，成功地在钢基体表面熔覆制备了t i c 自生梯度涂层。熔覆 层的组织由t i c 颗粒，n i 固溶体枝状初晶及枝晶问共晶组成。从熔覆层 底部到顶部，t i c 颗粒呈连续的梯度变化p o l 。 由于激光熔覆层的优良的材料性能，激光熔覆在工业中得到大规模 的应用，激光熔覆的工业应用大致有以下几方面： 在航天工业中的应用，航空发动机钛合金和镍基合金摩擦层的接触 磨损是发动机使用和维修中的大难题，通过激光熔覆技术则可获得优 质的涂层，为燃气涡轮发动机零件的修复开创一个新局面。如：针对航空 发动机涡轮部件，航空发动机涡轮叶片叶尖锁口部位的实际使用情况， 研究了激光熔覆高温耐磨涂层的激光喷涂技术，在d g 4 合金基体上，喷 涂了c o c r w 合金粉末和w c 粉末的机械混合物，厚度为0 3 r a m ，提高 了高温耐磨及抗腐蚀性能。再者对镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片， 利用激光熔覆技术熔覆钴基合金，提高了耐热和耐磨性能，与过去的方 法( 如热喷镀) 相比，缩短了涂层制备的时间，质量稳定，且消除了由热影 响所致可能出现的裂纹等等i l “。 在汽车工业中的应用，在汽车发动机气门、气门座全密封锥面、气 门阀杆小端面以及排气阀、阀门座表面等要求耐高温、耐磨损及耐腐蚀 性的工作面上，用激光熔覆形成具有优良的耐磨、耐热性合金涂层。 化工设备使用的管道需要有高的耐蚀性能，用激光进行辐照，在管 子外部形成5 0 c r - 5 0 n i 成分的涂层，耐蚀性能明显提高；大型排尘风叶 片3 0 c r m n s i 的n i 基合金与w c 合金粉末的熔覆，使抗磨粒磨损和耐腐 蚀性能大大提高。 在模具上的应用，激光熔覆处理可以改善工模具钢的表面硬度、耐 磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等性能，从而不同程度上提高了工 模具的使用寿命，如：激光熔覆高温、耐磨涂层在轧钢机导向板上，其寿 命与普通碳钢导向板相比提高4 倍以上；与整体4 c r s m o v i s i 导向板相 比轧钢能力提高一倍以上，减少了停机时i 目j ，提高了产品的产量和质量， 降低了生产成本等。 在轧辊行业中的应用，轧辊是4 l 钢jq p 一 j 经常耗用的工具，它作为 4 l 钔机的直接】。作部件，其质量的好坷、直拔共系导轧板、带材的质量和 产量。利用激光熔覆技术对轧辊表面进行段睢和修复己成为国内外普遍 关门。的实际问题。 激光熔覆的快速成犁，激光技术的发他人们可以精确调节和拧制 商能光速，从而吖以实现对材料的精细的轼掀、堆积和) j h a ：处理。 是 1 4 由于激光技术和材料科学的发展，结合c a d 技术，在传统制造工艺的基 础上，开发出新的工艺即快速成型一r p m 技术，该技术的实质是精密激 光熔覆。它可以降低生产费用、缩短生产周期，目前，该技术仍处于起 步阶段。 1 7 激光熔覆层的组织特征 激光熔覆层的微观组织与熔覆材料成分和激光熔覆工艺参数密切相 关。熔覆材料成分决定了激光熔池内冶金反应元素的种类，即决定了熔 覆层的相组成。激光熔覆工艺参数则决定了熔覆材料的熔化和结晶特性。 由于在激光熔覆的过程中，加热和冷却速度极快，熔覆材料的熔化和凝 固将偏离平衡状态。熔覆层的结晶是在高冷速、大过冷的条件下进行的， 因此，激光熔覆层的一般组织特征是：熔区内的固溶扩展、生成基本无 偏析的细晶组织、形成新的亚稳定相、高密度晶体缺陷、非晶态合金等。 上述组织具有远远高于常规材料的优异使用性能。组织细化的材料 具有一系列优良的使用性能。细晶材料一般均表现出高强度、高硬度、 高韧性，以及一系列优异的电学、磁学、热学等性能。 1 8 激光熔覆层质量的控制 1 8 1 裂纹产生及其防止 激光熔覆层中裂纹的产生原因主要是由于熔覆材料与基体材料在物 理性能方面存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作 用，使熔覆层中产生了极大的热应力。当局部拉应力超过涂层材