（机械设计及理论专业论文）陶瓷基自润滑复合涂层的激光制备及其摩擦学机理研究.pdf

摘要 为获得摩擦表面高硬度 耐磨损 并具有一定自润滑性能的功能复合涂 层 提高极端工况下摩擦材料的综合性能 本文采用激光表面工程技术 在 金属基体表面制备陶瓷基自润滑复合涂层 论文首先分析了陶瓷 金属 润滑剂等复合材料各组分之间的热力学相 容性 共存性 匹配性以及液固相之间的润湿性 预测了高能束作用下可能 发生的相变 分解 烧损 蒸发 化学反应等 并对金属 陶瓷相间的界面结 合形式进行了研究 给出了复合材料配比 利用有限元方法 对激光表面改性过程的温度场 应力场进行了三维模 拟研究 建立了分析模型 编制 调试了有限元分析程序 通过改变涂层材 料性能 配比 调节熔覆过程参数 分析了激光熔覆过程中温度场 应力场 的分布 预测了熔池的轮廓 热影响区的宽度 交界面的结合情况等 为选 择激光熔覆工艺参数 预测涂层组织 获得良好的熔覆质量提供了理论依据 并对激光表面改性熔池流场进行了研究 分析了流场对涂层形成特征的影响 选用s i 3 n 4 和t i b 2 两种陶瓷 石墨和n i 包石墨分别作为润滑剂 采用激 光合金化 激光熔覆和等离子喷涂激光重熔三种不同的工艺来制备涂层 进 行了试验研究 利用光学显微镜 扫描电镜 显微硬度计 x r d 衍射仪 e d x 能谱等 分析了涂层的微观组织结构 成分 力学性能 界面形态及其形成 机制等 通过摩擦磨损试验 测定了其摩擦学性能 分析了磨损表面形貌及 减摩抗磨机理 分析结果表明 激光合金化s i n 4 石墨复合涂层 合余化层的硬度和耐 磨性较基体大幅提高 主要是弥散固溶体的强化作用和高硬度碳化物的存在 涂层中弥散分布的石墨充当润滑剂的作用 是摩擦系数减小的主要原因 9 c r l 8 不锈钢表面激光合金化 激光熔覆和激光重熔t i b 2 石墨复合材料 在合适的工艺参数下 都能获得组织致密 无裂纹的复合涂层 并且都能原 位合成t i c 涂层中硬质相和润滑相同时存在 其硬度和耐磨性都明显高于 未改性的基体 并具有良好的减摩性能 在干摩擦条件下 激光表面改性技术制备的t i b 2 石墨复合涂层 摩擦表 面的石墨润滑膜以及n i o 等金属氧化物的生成 使得摩擦在石墨和金属氧化 物薄膜之间进行 起到了润滑保护的作用 弥散分布在涂层组织中的t i b 2 t i c 以及大量碳化物硬质相的存在提高了涂层的抗磨性能 改性层的磨损机 制主要为轻微的磨粒磨损和粘着磨损 理论和试验的研究成果 说明本文制备的复合涂层具有良好的抗磨 减 摩效果 为钢基体表面陶瓷基自润滑复合涂层的制备提供了完整的技术途径 并为这种涂层在极端工况下的应用提供了可靠的试验数据 关键词复合涂层 激光表面改性 数值模拟 微观组织 摩擦学性能 i i a b s t r a e t a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v et h es e l f l u b r i c a t i n g a n da n t i w e a rp e r f o r m a n c e so f t r i b o l o g i c a m e t a l s u r f a c e sf o r t h ee x t r e m ec o n d i t i o n s c e r a m i cm a t r i x s e l f l u b r i c a t i n gc o m p o s i t ec o a t i n g sh a v eb e e nf a b r i c a t e do nm e t a ls u r f a c e sb yt h e t e c h n o l o g yo fl a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n t h et h e r m o d y n a m i cc o m p a t i b i l i t y c o e x i s t e n c e m a t c h i n ga n dw e t t a b i l i t y a n di n t e r f a c e sa m o n gc e r a m i c m e t a la n dl u b r i c a n t sh a v eb e e na n a l y z e d t h e p o s s i b l ep h a s ec h a n g e d e c o m p o s i t i o n b u r n i n gl o s s e v a p o r a t i o na n dc h e m i c a l r e a c t i o nh a v e b e e np r e d i c t e di nt h em o l t e np 0 0 1 a n d t h ei n g r e d i e n t so f s e l f l u b r i c a t i n gc o m p o s i t eh a v eb e e nd e s i g n e d t h et h r e ed i m e n s i o n a l t e m p e r a t u r e a n ds t r e s sf i e l d so fl a s e rs u r f a c e p r o c e s s i n gh a v eb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e a n a l y t i cm o d e li se s t a b l i s h e da n df i n i t ee l e m e n tc o d e sa r ep r o g r a m m e d t h r o u g h c h a n g i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s m i x t u r er a t i oa n dt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f l a s e rc l a d d i n g t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d so fl a s e rc l a d d i n gc a nb ee a s i l y o b t a i n e d t h ep o o l sp r o f i l e t h ew i d t ho ft h ea f f e c t e dz o n ea n dt h es t a t eo ft h e i n t e r f a c ea r ep r e d i c t e d a l lt h e s eh a v ep r o v i d e dt h eg u i d e l i n e sf o rd e s i g n i n gl a s e r c l a d d i n gp a r a m e t e r s p r e d i c t i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n do b t a i n i n ge x c e l l e n t c o a t i n g m o r e o v e r t h ef l o wf i e l do fm o l t e np o o la n di t se f f e c to nt h ef o r m i n g c h a r a c t e r i s t i co fc o a t i n g sa r ea n a l y z e d as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e db yt h r e ed i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s o fl a s e ra l l o y i n g l a s e rc l a d d i n ga n dl a s e rr e m e l t i n gi nt h ep a p e r c e r a m i cs i a n 4 a n dt i b 2 l u b r i c a n tg r a p h i t ea n dn i c k e l c o a t e dg r a p h i t ea r et h em a i ni n g r e d i e n t s o ft h ec o m p o s i t e t h em i c r o s t r u c t u r e c o m p o s i t i o n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n t e r f a c e e l e m e n td i s t r i b u t i o na n dt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo ft h ec o a t i n g sa r e a n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e o m s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e s e m x r a yd i f f r a c t i o ni n s t r u m e n t x r d a n de n e r g yd i s p e r s i v ex r a yd e t e c t o r e d x v i c k e r sh a r d n e s sw e r e m e a s u r e dt oa n a l y z et h em i c r o h a r d n e s sc h a n g i n ga l o n gt h e d e p t h o ft h ec r o s s s e c t i o n t h e t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s w e r et e s t e do n b l o c k o n r i n g t r i b ot e s t e rm m 一2 0 0 t h em o r p h o l o g yo ft h ew o r ns u r f a c e 1 1 1 a n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o nm e c h a n i s ma r ea n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o h a r d n e s sa n da n t i w e a rp r o p e r t yo fl a s e ra l l o y i n g s i 3 n 4 g r a p h i t ec o m p o s i t eh a v e b e e ni m p r o v e db y s o l i ds o l u t i o nm e c h a n i s m m a r t e n s i t ea n dm e t a l l i cc a r b i d e o nt h eo t h e rh a n d g r a p h i t eo nt h ef r i c t i o n s u r f a c ei st h em a j o rc a u s e sf o rt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tr e d u c c i o n r e s u l t sa l s os h o wt h a t w i t ha p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s l a s e r a l l o y i n g l a s e rc l a d d i n ga n dl a s e rr e m e l t i n gt i b 2 g r a p h i t ec o m p o s i t ec a np r o d u c e e x c e l l e n tc o a t i n g so ns t a i n l e s ss t e e l9 c r l 8 w h i c ha r ef r e eo fc r a c k sa n dp o r e s m o r e o v e r i n s i t ut i cc a nb es y n t h e s i z e d t h ec o a t i n g sh a v eh a r dp h a s e sa n d l u b r i c a n tp h a s es i m u l t a n e o u s l ya n dt h e i rh a r d n e s s a n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o n p r o p e r t i e sa r e m u c hb e t t e rt h a nt h o s eo ft h es u b s t r a t e u n d e rd r yc o n d i t i o n s t h et i b 2 g r a p h i t ec o m p o s i t ec o a t i n g so b t a i n e db y l a s e rs u r f a c ep r o c e s sh a v el o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e c a u s eo fg r a p h i t ea n dt h e g e n e r a t i n g o x i d e so fn io nt h ef r i c t i o ns u r f a c e d i s p e r s i n gt i b 2 t i ca n d h a r d p h a s ec a r b i d eh a v ei m p r o v e dt h ew e a l r e s i s t a n c e t h ew e a rm e c h a n i s mo f t h ec o a t i n g si sm a i n l ys l i g h ta d h e s i v ea n da b r a s i v eb e h a v i o r s t h er e s e a r c hf i n d i n g si nt h i sd i s s e r t a t i o nc a ng i v ec o m p l e t et e c h n i q u e sf o r f a b r i c a t i n gc e r a m i cm a t r i xs e l f l u b r i c a t i n gc o m p o s i t ec o a t i n g s o nt h es t e e l s u b s t r a t e t h ed a t aa r er e l i a b l ea n da v a i l a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o a t i n g s a n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s k e y w o r d sc o m p o s i t ec o a t i n g s l a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m i c r o s t r u c t u r e t r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e i v 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的与意义 为解决极端工况下 高可靠场合润滑与耐磨的双重性问题 并确保摩擦 系数和摩擦力尽可能小而且稳定的性能要求 在摩擦副表面制备高硬度 耐 磨损的自润滑涂层 已成为摩擦学领域一个新的发展方向 目前 制备自润滑涂层主要应用的方法 如烧结 热喷涂 电镀 化学 镀 磁控溅射等 普遍存在组织不致密 结合强度差等问题 容易导致涂层 材料拉裂 或者在剪切载荷作用下涂层材料与基体材料脱离 航空航天关键 部件应用并不多 1 2 1 而且一般情况下 这些方法制得的固体润滑薄膜覆盖在 摩擦副的表面 往往寿命很短 从而导致摩擦部件的失效也很快 离子注入 氮 碳等又存在耗时长 造价高 耐磨层薄 组织难于灵活控制等问题 3 而激光熔覆和合金化作为新的表面工程技术 在制备耐磨 耐蚀 抗氧化 热障涂层等方面都取得了很大进展 并取得了显著的技术和经济效益h j 在2 1 世纪的再制造工程中发挥着越来越大的潜力 在制备自润滑涂层方面 可以利用高能激光束的特点 将固体润滑剂复合进涂层材料中 在金属表面 形成一层组织致密 且与基体形成良好冶金结合的复合涂层 随着表面的磨 损 新的润滑剂能够不断的暴露出来 给表面提供连续不断的润滑 提高接 触摩擦副的硬度和耐磨性 同时减小摩擦系数和稳定摩擦功耗 实现无油或 贫油条件下部分自润滑的目的 但是 自润滑陶瓷涂层及其激光制备技术的研究仍处于起步阶段 所得 到的实验数据还缺乏统一性和可比性 要真正达到从实验室向工业生产的转 化还存在一定的距离 国外已经成功实现了陶瓷的激光焊接和上釉 以及激 光原位生成技术 而在自润滑功能陶瓷涂层制备方面留下了空白 7 8 可以看 到 激光表面改性制备陶瓷基自润滑复合涂层的研究 是发展新型陶瓷和自 润滑涂层技术的一个很重要的创新行为 也是拟通过高能束激光表面改性途 径开辟新的功能摩擦界面的制备技术 新型摩擦材料的制备技术不仅仅是解 决一般机械领域的单一技术 还是国防 航天 信息技术 微机械等领域的 关键技术 是保证系统设备稳定 可靠的核心技术之一 本课题也是哈尔滨工业大学交叉学科基金 h i t m d 2 0 0 0 1 0 和国家自然 科学基金 5 0 2 7 5 0 3 1 的资助项目 1 2 国内外研究现状 1 2 1 自润滑复合材料及其涂层制备技术的研究进展 为了满足应用的需要 固体润滑材料己从单一的微粉 粘结膜或单元的 整体材料发展成为由许多成分组成的复合材料 这些复合材料主要是以金属 陶瓷或非金属为基本组元 加入固体润滑剂和一些附加组元 通过一定工艺 制备而成的具有一定强度和自润滑性能的材料 它兼有基本组元的机械性能 和固体润滑剂的摩擦学特性 综合性能优异 适宣在各种不同的大气环境 化学环境 电气环境 高温 低温 高真空 强辐射等特殊工况下工作 它 们以较小的摩擦系数和较好的耐磨性 与负载相适应的承载能力 高温下的 抗氧化稳定性 相当高的导热性和在真空和各种环境气氛中工作的适应能力 而引起了润滑领域的广泛关注 其中陶瓷基自润滑材料倍受青睐 新型结构陶瓷材料 像a 1 2 0 3 s i 3 n 4 s i c z t a 氧化锆相变增韧氧化 铝 等 具有高硬度 高强度 低密度和高刚度 及优异的化学稳定性和高温 力学性能等特点 在摩擦学领域得到了相当广泛的应用 可以直接作为自润 滑复台材料的陶瓷相 也可以通过原位反应生成 近年来 原位合成t i b 2 t i c s i c 等陶瓷材料的研究较多 所利用的方法有热等静压 烧结 激光 辐射 自蔓延高温合成等 9 1 0 s u nr l 等 1 1 在t i 一6 a 1 4 v 合金表面激光熔覆 n i c r b s i c 粉末 原位生成了t i c t i b 2 c r b 和m 2 3 c 6 等陶瓷相 张松等吲 利用c r 3 c 2 和t i c 的生成自由能和稳定性的差异 采用激光熔覆方法 使c r 3 c 2 和t i 合金粉末在铝合金表面通过原位结晶置换反应生成t i c t i 复合材料熔 覆层 亚微米级的t i c 颗粒均匀地分布于复合材料的基体中 复合材料的组 织随合金粉末的成分不同而改变 采用原位合成的方法 直接反应生成陶瓷 相或润滑相 是获得高质量涂层的有效途径 因为这种涂层的形成既不是靠 高温烧结获得 也不是借助于事先加入的粘结剂使涂层材料与基体结合而获 得 而是靠热溶液中所含化合物就地转化而成 其特点是涂层制备技术及工 艺条件相对简单 成本低 应用范围广 与基体结合强度高 且有可能在基 体表面制备纳米级陶瓷膜 l 这是一个很重要的发展方向 对于润滑剂的选取 在满足工况要求的情况下 诸如高温 低温 强辐 射 高真空 化学环境等 还要考虑各组元之间有较好的热力学相容性和共 存性 不发生剧烈的化学反应 热膨胀系数相近 以减少应力 避免裂纹 同时考虑液相和固相有良好的润湿性和相容性 相界面有足够的结合强度 在文献 1 4 中 吕晋军等对氟化物 氧化物及其复合的一些高温润滑剂 的性能特点及使用温度范围都进行了详细的综述 润滑剂的种类很多 有软 金属 氧化物 氟化物 无机含氧酸盐及一些硫化物等 在热喷涂氧化物和 碳化物陶瓷涂层中 m o 作为减摩材料也曰益受到人们的重视 在摩擦过程 中 涂层表面的m o 发生氧化 形成具有保护和润滑作用的m 0 0 2 和m 0 0 3 氧化膜 从而降低摩擦副的摩擦系数和磨损率 对石墨 陶瓷复合材料的开发研究也一直受到材料界的广泛关注 利用石 墨作固体润滑相制备的石墨 z t a 陶瓷基复合材料i l 和利用金属n i 为粘结 相 w c 和t i c 为陶瓷相 添加诸如m o c o 以及高温润滑剂p b o 等其它 金属 采用中频热压烧结方法制备的陶瓷复合涂层 既有较好的物理机械性 能 又有较为理想的摩擦学性能 1 6 徐德强等 1 7 在热喷涂铜镍铝材料中加入 石墨 有效地减小了铜镍铝材料的摩擦系数 增加了材料的耐磨性以及减小 了对偶件的磨损 并且发现 当石墨含量为6 时 该材料的综合摩擦性能 最好 在金属粘结的c r 3 c 2 基体上 加入固体润滑剂a g 和b a f 2 c a f 2 制作的 p m 2 0 0 粉末冶金复合材料 其润滑性能在从低温到高温的很宽范围内都得到 了改善 l d e l l a c o r t e c 等在等离子喷涂p s 2 0 0 c r 3 c 2 a g b a f 2 c a f 2 n i c r 自润滑复合涂层的基础上 又发展了p s 3 0 0 c r 2 0 3 a g b a f 2 c a f 2 n i c r 自 润滑复合涂层 p s 3 0 0 更易喷涂 对喷涂参数变化有更广泛的适应性 l 其 中 以c r 2 0 3 为基体 嵌入a g 和b a f 2 c a f 2 制作的p s 3 0 4 自润滑涂层在气体 发动机部件上已得到了应用 2 0 1 涂层组织中 硬质相c r 2 0 3 和b a f 2 c a f 2 分 布在n i c r 合金基体中 j i ny s 等1 2 1 将7 m o 加入到c r 3 c 2 2 5 n i c r 粉末中 用等离子喷涂方法 制得的涂层在合成油中与等离子喷涂得到的c r 3 c 2 进行配副实验 结果表明 等离子喷涂m o c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层比c r b c 2 2 5 n i c r 涂层在高温下具有更 好的摩擦学性能 由于m o 的存在 在摩擦副表面形成了m o s 2 和石墨固体 润滑剂 g h o u s e 等 2 2 为了减少喷涂过程中石墨的热失效 采用n i 包石墨 f 7 5 n i c k e l 一2 5 g r a p h i t e 进行等离子喷涂 涂层的摩擦系数介于0 1 5 o 2 5 之 间 可代替粉末冶金方法制得的铜 石墨复合材料的应用 j o e lv o y e r 2 3 等在不锈钢基体表面 超音速喷涂包含 j 部分固体润滑剂 m o s 2 w s 2 和聚四氟乙烯的w c 1 0 n i 陶瓷涂层 它们分别与石墨环对摩的滑 动磨损试验表明 添加润滑剂对陶瓷涂层的摩擦系数改变不大 但除添加聚 四氟乙烯的涂层外 涂层的磨损率都不同程度的降低了 j h o u y a n g 等 1 5 采用低压等离子喷涂方法 分别制备了z r 0 2 c a f 2 和z r 0 2 c a f 2 a 9 2 0 复合涂 层 在温度低于8 0 0 时 这两种涂层比y 2 0 3 稳定的z r 0 2 涂层均有更好的耐 磨性和较低的摩擦系数 润滑齐l j a 9 2 0 和c a f 2 在3 0 0 4 0 0 c 平n 6 0 0 7 0 0 c 温度区 间内 润滑性能最好 陈晓虎 26 j 研究了润滑组元 石墨 b n 与a 1 2 0 3 基体化学相容 物理匹配 关系及其对自润滑陶瓷材料摩擦学性能的影响 将b n 或石墨和b n 同时引 入a 1 2 0 3 陶瓷基体之中 用粉末冶金方法制备了摩擦平稳性明显提高的自润 滑陶瓷复合材料 王静波等还研究了n i w c p b o 系和n i s i c p b o 系自润滑 金属陶瓷的高温摩擦学特性 指出前类材料具有优异摩擦学特性的主要原因 是由于摩擦过程中运动副表面形成了p b o t 润滑膜 而直接加入p b o n 时材料 的摩擦学性能也较好 但其机械性能略差 对于n i s i c p b o 系 具有较好的 润滑性是由于硅酸铅的生成 2 7 s k o p p 和w o y d t 2 圳对以s i c s i 3 n 4 为基础 相 添加t i c t i b 2 以及b n 制备的陶瓷复合材料的干摩擦性能进行了研究 得出了s i c t i c 在室温时有较低的摩擦系数 o 2 0 3 近年来 超微细粉颗粒 纳米粉 纳米碳管等开始用于涂层的制备 范 春华等p 圳在4 5 钢基体上熔覆了一层陶瓷超微细粉 结果表明 在基底材料 表层有陶瓷成分 并且是与基底材料相互熔合在一起的 陶瓷粉末在其颗粒 尺寸足够小的情况下可以渗入基底材料表层 大大提高其表面硬度 纳米结 构陶瓷涂层具有优异的性能 有望替代现有的陶瓷涂层 在需要提高耐磨损 耐腐蚀 抗氧化 抗热震等性能的零部件上得到了应用1 3 1 3 2 而将碳纳米管 加入到镀层中以提高其耐磨 减摩等性能的研究还不多见 热喷涂技术最新 的一项发明就是利用纳米级的陶瓷颗粒经重组形成微米级的聚合体进行热喷 涂 制备纳米结构陶瓷涂层 陈小华等 3 3 利用碳纳米管作为增强相制备了镍 基复合镀层 结果表明 由于碳纳米管的超强超韧特性和自润滑性能 其以 网络和缠绕形态分布于复合镀层基体中 使复合镀层在摩擦磨损过程中不易 脱落 具有优良的耐磨性和自润滑性 可见 在陶瓷材料中加入固体润滑剂来实现自润滑的目的已经成为解决 极端工况下机械使用和润滑的一条重要途径 添加石墨 b n b a f 2 c a f 2 m o s 2 m o p b o 等物质制各自润滑涂层也已成为该领域研究发展的新趋势 目前所用的方法还主要是喷涂 热压烧结 粉末冶金 电镀 化学镀 磁控溅 射等等 但这些方法制得的涂层在致密性 硬度 涂层与基体的结合强度等 方面 还不能满足耐磨损 抗疲劳和自润滑的多重性要求 因此 开展陶瓷 基自润滑材料及其涂层的相关制备技术与理论研究 尤其是对所制备材料的 强度与润滑性能之间的配合协同性研究 已成为摩擦学领域一个值得探讨的 重要方向 1 2 2 激光表面工程技术的发展及应用 激光表面工程技术始于2 0 世纪7 0 年代 随着大功率c 0 2 激光器件的发 展 可以很容易地在工件表面获得高于1 0 w c m 一2 的激光功率密度 被加工 工件表面在高功率密度激光的作用下 材料的性能会发生相应的变化 可以 通过激光强化技术显著地提高金属表面的硬度 强度 耐磨性 耐蚀性以及 高温性能等 从而大大提高产品的质量 延长产品寿命 降低成本 激光表 面改性工程技术主要有 激光熔覆 激光合金化 激光重熔等 它们的工艺 过程如图1 1 所示 图1 1 激光表面改性工艺过程 f i g1 1t e c h n i c a lp r o c e s s e so f l a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 2 2 1 激光表面熔覆技术激光熔覆是激光表面工程领域一项很活跃的技 术 经过几十年的发展 已成为表面工程 摩擦学 应用激光等领域的前沿 性课题 它对基体和涂层材料无限制 能实现在低熔点的工件上熔覆 层高 熔点的合金 能控制稀释 可局部熔覆 微观结构细致 热影响区小 并使 涂层材料快速的熔化和冷却而与基体材料形成良好的冶金结合界面 结合强 度高 在改善材料耐磨 耐蚀 耐热 抗氧化等方面都表现出了优异的性能 并取得了显著的技术和经济效益 3 4 最初的激光熔覆用材料主要是针对提高一些工件的耐磨性和耐蚀性 选 用n i 基 f e 基 c o 基等自熔合金 这类合金最主要的特点是含有b s i 两 种元素 具有自我脱氧和造渣的能力 而且b 与s i 还能降低合金的熔点 增 加台金的浸湿能力 对合金的流动性及表面张力产生有利的影响 此外 这 类合金对基体有较大的适应性 几乎可用于任何基体 并与之形成良好的冶 金结合 所以 激光熔覆自熔合金的应用研究最早也最多 并且一直延续至 今 3 为了提高自熔合金的硬度和耐磨性 又加入了w c z r 0 2 t i c s i 0 2 等 陶瓷硬质相 制备了金属陶瓷复合涂层 其耐磨性能大大提高1 3 j 又为适 应特殊工况对材料表面性能的要求 并充分利用陶瓷材料的优异性能 发展 了纯陶瓷涂层 纯陶瓷涂层用作热障保护层是目前激光熔覆研究中的热点之 一 激光熔覆陶瓷基复合材料也取得了一定进展 4 武晓雷等 在5 c r m n m o 钢基体表面 采用预置粉末方法激光熔覆n i 基合 金 t i 和石墨的混合粉末 原位合成超细t i c 陶瓷颗粒 在熔池中各种力的驱 动下 t i c 颗粒呈现梯度分布 涂层的硬度和磨损抗力得到了很大的提高 l im i n g x i 等 42 j 在i f 钢表面激光熔覆c o c r w n i s i 合金和2 0 s i c 复合粉 分 析结果表明 在激光功率3 0 0 0 w 扫描速度2 5 m m s 光斑直径4 r a m 预置涂 层厚度0 8 m m 的情况下 s i c 完全分解了 涂层的主要相组成是y c o 枝晶以 及c s i 反应生成的s i 2 w c o w s i c r 3 s i c o s i 2 等 由于s i c 的加入 涂层 的耐磨性较激光熔覆c o 基合金提高了 近几年来 以n i m o n i c r 等为粘结 金属 激光熔覆c r 3 c 2 和t i c 陶瓷复合涂层 来提高基体金属的耐磨性和耐蚀 性 也得到了很大进展1 4 3 1 激光熔覆陶瓷涂层技术是随着激光熔覆技术的发展及大功率激光器的出 现而迅速发展起来的 由于陶瓷材料具有一般金属难以比拟的耐磨 抗蚀 耐高温和强辐射等优异的特点 因此 针对零件在苛刻工况下的服役条件和 失效特点 在具有一定硬度 良好韧性和加工性能的金属基体表面 激光熔 覆一层陶瓷或陶瓷基复合材料 将大大提高零件的使用寿命 该项技术也由 于综合了陶瓷材料的优良性能和激光熔覆技术的独特优点 被视为最为有价 值的表面改性方法而深受国内外广大学者的重视 所以发展迅速 且显示了 广阔的工业应用前景 但激光熔覆陶瓷及陶瓷基复合材料 由于所用陶瓷材料熔点大大高于金 属基体 且它们之间的热膨胀系数 弹性模量和导热系数相差极大 在激光 辐照之后所形成的熔池区域内 温度梯度很大 由此所产生的热应力极易导 致裂纹的产生 金属基体与陶瓷粉末之间的相容性差 熔融金属不能很好的 浸湿固体粉末也易出现裂纹和孔洞 因此 控制涂层产生裂纹和孔洞是推广 应用激光熔覆陶瓷技术最关键的问题 国内外许多学者在这方面也进行了大 量的研究和实验 4 4 使用中间过渡层并在陶瓷层中加入低熔点高膨胀系数 的c a o s i 0 2 t i 0 2 等 缓冲相 来松弛应力是已成功的经验 文献 4 7 提出在铝合金表面熔覆s i c a i s i 金属陶瓷复合材料时提出 利用振动辅助 熔覆方法可改善裂纹的发生几率 并消除气孔 而功能梯度涂层 f g m 的开 发为解决裂纹问题也提供了新思路 4 引 在f g m 涂层中 涂层组成与性能 沿厚度方向连续梯度变化 金属基体与陶瓷相涂层间无明显界面 以克服两 者性能不匹配的问题 最大限度的削弱涂层中的应力 提高涂层与基体的结 合强度 对于陶瓷与金属之间的界面问题 陶瓷相的分布等也都做了探索和 研究 近年来 激光熔覆技术在制备自润滑陶瓷复合涂层方面也被一些学者所 采用 5 0 od o u g l a s e w o l f e 和j o g e n d e rs i n g h 在基体3 0 4 不锈钢表面 以同步 送粉的方式 激光熔覆w c c r 2 c 3 和w s 2 复合粉 w c 由于比重较大均匀分 布在涂层中 而c r 3 c 2 主要分布在涂层的表面 且形成的熔覆层含有一定的 润滑剂w s 2 1 5 但没有发现对其摩擦磨损性能分析的文献 王华明等峥副采用激光熔覆技术 在a l 基体表面激光熔覆a 1 2 0 3 和 a 1 2 0 3 c a f 2 的复合粉 结果表明 在室温干滑动摩擦条件下 两种涂层与4 5 钢对摩时的摩擦系数分别为o 6 和o 4 8 并且后者的磨损量较前者也大幅度 降低了 这说明高温润滑相c a f 2 在室温磨损条件下也能产生显著的自润滑作 用并使磨损质量失重大幅度降低 而一般认为 在温度高于约6 0 0 条件下 c a f 2 因发生脆一韧转变而表现出优异的高温自润滑性 刘秀波等 53 j 以 n i 8 0 c r 2 0 c r 3 c 2 a g c a f 2 b a f 2 四元混合粉末为原材料 利用激光熔覆技 术在y t i a l 金属间化合物合金t i 4 8 a 1 2 c r 2 n b 表面制得了阻y n i c r 为基 体 以初生m 7 c 3 及m 2 3 c 6 为耐磨相 以弥散分布颗粒a g c a f 2 或c a a g f 4 为自润滑相的高温自润滑耐磨复合材料涂层 涂层的显微硬度有大幅度的提 高 但对其高温摩擦学性能的测试也未见报道 m i n g c h a n gj e n g 等 5 4 将固 体润滑剂a g 和b a f 2 一c a f 2 共晶体与c r 3 c 2 一 n i a 1 混合在一起 利用等离子喷 涂和激光熔覆方法成功制得了在3 0 0 和5 0 0 均具有良好摩擦学性能的涂 层 在已有的这些采用激光熔覆方法制备的自润滑涂层中 所采用的陶瓷主 要是a 1 2 0 3 和c r 3 c 2 还不能满足航空关键部件对涂层高硬度 高耐磨和抗 疲劳性能的要求 而且所得到的试验数据还缺乏统一性和可比性 使用范围 有限 利用激光熔覆技术可以制得组织均匀致密 且与基体结合良好的自润滑 陶瓷复合涂层 但由于手工预置涂层时 涂层的厚度和均匀性很难保证 自 动送粉又存在工艺复杂等问题 特别是对一些超细粉和纳米粉堵塞喷嘴 造 成送粉的困难 所以 激光熔覆技术又常常利用热喷涂方法来预置涂层 然 后激光扫描 即激光重熔l 与火焰喷涂等表面涂层技术相比 等离子喷涂具有沉积速度快 生产效 率高 适用范围广等优势 解决了难熔材料和陶瓷材料的喷涂问题 是目前 国内外最常用的表面涂层方法 文献 5 7 在铝合金表面 激光重熔等离子喷 涂的n i w c 涂层 重熔层相主要由n i a l 金属间化合物a 1 3 n i a 1 3 n i 2 a i n i 和n i 3 a l 组成 w c 粒子熔化分解严重 激光重熔层的耐磨性是铝合金基体 的2 8 3 倍 是等离子喷涂试样的1 7 5 倍 对铸铁和i n c o n e l 合金表面y 2 0 3 稳定的z r 0 2 陶瓷等离子喷涂层及激光重熔层热疲劳性能的研究表明 5 8 激 光重熔后的热疲劳抗力显著高于等离子喷涂层 但随着涂层厚度的增加 热 疲劳抗力明显降低 如表1 1 所示 热疲劳抗力的提高与重熔后涂层结合力 的提高和柱状晶的形成对热应力起到一定的协调作用有关 表1 1 等离子喷涂和激光重熔y 2 0 3 稳定z r 0 2 涂层的热冲击抗力 涂层破坏时的循环次数 5 8 t a b l e1 1t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e c y c l e so ff a i l u r e o fp l a s m a s p r a y e da n dl a s e r r e m o l t e nz r 0 2 y 2 0 3c o a t i n g s 5 8 涂层厚度涂层破坏时的循环次数 m m 等离子喷涂层激光重熔层 i o2 0 0 02 0 0 0 1 5 5 5 02 0 0 0 2o 2 5 01 3 0 0 2 55 05 0 0 激光重熔能够消除热喷涂的一些缺陷 诸如 等离子涂层的组织呈粗大 的片层状 孔隙度较高 裂纹较多 且涂层与基体间为机械结合等 5 9 通过 对等离子喷涂层的激光重熔处理 能够消除喷涂层的层状结构 大部分孔隙 和氧化物夹杂 降低裂纹数 使陶瓷涂层中的亚稳相向稳定相转变 形成均 匀致密的陶瓷涂层 保证了涂层的性能 使其减摩 耐磨性能均较重熔前有 显著提高 从而提高工件的使用寿命 6 l 1 2 2 2 激光表面合金化技术激光合金化和激光熔覆是同一种类型的工艺 目前在这两个名词的使用上常有混淆 它们的区别在于 合金化所形成的合 金化层的成分是介于施加合金与基体金属之间的某一中间成分 即施加合金 受到较大或一定的稀释 而熔覆则是除较薄的结合层外 施加合金基本保持 原有成分很少受到稀释 这些区别可以由被旄加材料 施加合金成分 施加 形式及施加量和激光工艺参数的改变来达到1 6 激光合金化是利用激光使金属表面熔化同时加入合金元素 合金向熔化 区内扩散 就是说在0 1 l o s 的作用时间内就能获得所需的合金层 它具有 一定的深度 成分及组织 激光合金化时 添加到基体上的化学成分有三大 类 一类是非金属成分 主要有c n b s i 等 第二类是纯金属成分 例 如c o c r s n m n n b n i m o w t a t i v 以及它们的某些合金 例如c r m o w n i n b 等 第三类是各种化合物 例如t i c n b c w c 以及 各种硬质合金等 合金成分的选择主要决定于零件使用性能的要求 如硬度 耐磨性 耐蚀性 组织结构等 以及激光合金化的工艺可能性 从而使低级 金属零件的表面局部地得到高的耐磨 耐蚀及抗高温氧化等性能 激光台金化的冷却速度高达1 0 3 1 0 8 k s 能够产生一个在宽的温度范围 内具有优异性能的微观组织 这是另外的一些传统技术所不能达到的 a r i v i n da g a r w a l 和n a r e n d r ab d a h o t r e 在a i s l l 0 1 0 钢表面激光合金化粒径 为1 5 0 9 m 的t i b 2 陶瓷微细粉 并加入2 的t i 粉增加涂层的润湿性 激光合 金化层深度为0 2 r a m t i b 2 体积份数达到6 7 针状的t i b 2 分布在等轴枝晶 的铁基体中 合金化层的组织演化规律如图1 2 所示 对合金化层的机械性 能进行测试发现 合金化层的弹性模量和硬度较基体a i s l l 0 1 0 钢都有很大的 提高 6 3 6 4 1 t s a iw e n t a 等 5 j 在a i s l 4 3 0 不锈钢表面激光合金化粒径为0 6 m 的 s i 3 n 4 陶瓷粉 用4 w t 的聚乙烯醇熔液作粘结剂 预置涂层厚度o 3 m m 结 果发现 合金化层中s i 3 n 4 分解为s i 和n s i 的含量达到2 0 w t 提高了涂 层的硬度和抗腐蚀性能 g h s h e h a t a 等 6 6 j 在a i s im 2 工具钢表面 用脉冲 n d y a g 激光器分别合金化六方b n 以及b n 粉末和2 5 9 m 厚的t i 薄片 得到了无裂纹 无气孔的多相台金化层 在b n 合金化层中出现了b n f e b c o m p o s i t e c o a t i n g t i n i e d a c e h e a ta f f e c t e dt z o n et f ed e n d r i t e s b o r i d ep a r t i c l e s n e e d l e p o i y g o n f i n ed e n d r i t e s c o u r s ec e l l u l ar c o l u m n a r d e n dr i t e s l a t hs h a p e dm ar t e n s i t e 图1 2a i s i i o i o 钢激光表面改性层横截面的组织演化图 f i gl 2a s c h e m a t i cd r a w i n gi l l u s t r a t i n gt h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o ni nt h ec r o s s s e c t i o n o f l a s e rm o d i f i e ds u r f a c eo f a i s i1 0 1 0s t e e l 6 3 f e 2 b w b b 4 c 等 在t i b n 合金化层中除了上述几相外 还出现了t i c t i n 和t i b 等 合金化层的深度和刀具的寿命都得到了很大的提高 k h l o 等 6 在a i s l 3 1 6 不锈钢表面 激光合金化超细w c 粉末 提高不锈钢 的空洞腐蚀行为 分析发现 合金化层的显微硬度随着w 含量的提高而提高 且由于w 的固溶物和碳化物枝晶的出现 合金化层的腐蚀抗力比基体提高了