20081182104激光熔凝技术的应用

1、激光熔覆技术研究进展及其工业应用激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用 高能密度激光束辐照加热，使熔覆材料和基材表面薄层 发生熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合 的熔覆层？。因激光熔覆具有应用灵活、耗能小，热输 入量较低，引起的热变形较小，不需要后续加工或加工 量很小，减少公害等优点，近十年来激光熔覆技术在材 料表面改性方面受到高度的重视。2激光熔覆的材料体系自激光熔覆技术开发应用以来，最先应用和研究最 广的涂层材料是自熔合金。在此基础上，根据服役条件 和更加严格的性能要求，在自熔合金中加人各种高熔点 的碳化物(TiC , SiC, B C, WC)氮化物、硼化物和氧 化物陶瓷

2、颗粒，形成了复合涂层甚至纯陶瓷涂层。1自熔性合金材料自熔性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si, B等元素的合金粉末，这两种元素能和大多数 合金元素(如Ni, co, Fe等)形成低熔点共晶，使合金 熔点降低，并在激光熔覆过程中，可防止液态金属过度 氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆 层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性 能。目前国内外生产的自熔合金粉可分为Ni基，co基和Fe基3大类。这几类自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、 铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量 低、气孔率小的熔覆层 。M基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、 高温自润滑作用和适

3、中的价格在激光熔覆材料中研究最 多、应用最广。它主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀 及抗热疲劳的构件。Ni基合金以含Ni量一般不超过 70% ,主要添加 cu, Cr, Mo, W Si, B, Mn等，以 适应各种不同化学性质的工作介质。的要求。Co基自熔性合金粉末具有良好的高温性能和耐腐蚀、耐磨捐性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业 领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。目前，co基合金所用的添加元素主要是 Ni, C, Cr, Fe等。其中，Ni元素可 以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数，降低合金的熔 化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金 对基体的润湿性。co与cr生成稳定的固溶体，在

4、此基 础上弥散分布着各种碳化物和硼化物，导致合金具有更 高的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化的能力。Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成 本低且抗磨性能好。但是，与 Ni基、co基自熔性合金 粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性较差、熔 覆层易开裂、易氧化、易产生气孔等缺点。综合分析看出，Ni基或co基自熔性合金粉末体系 具有良好的自熔性和耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性能，但 价格较高；Fe基自熔性合金粉末虽然便宜，但自熔性 差，易开裂和氧化。凶此，在实际应用中，应根据使用 要求合理选择自熔性合金粉末体系。2复合粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条

5、件下，单纯 的Ni基、co基、Fe基自熔性合金已不能胜任使用要 求，此时可在上述自熔性合金粉末中加入各种高熔点的 碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属 复合涂层。在激光熔覆技术中广泛采用的高熔点陶瓷材料主要 有碳化物合金粉末（如 WC SiC, TiC, B C, Cr C, 等）、氧化物合金粉末（如A1 O, , Zr2O, , TiO。等）、氮 化物合金粉末（TiN , Si N等）、硼化物合金粉末、硅化 物合金粉末等。其中，碳化物合金粉末和氧化物 合金粉末研究和应用最多，主要应用于制备耐磨涂层。复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直 接与金属粉末混合成混合粉末，但更

6、有效的是以包覆型 粉末（如银包碳化物、钻包碳化物）的形式加入。在激 光熔覆过程中，包覆型粉末由于芯核粉末受到包覆粉末 的保护，可有效减弱或避免碳化物发生烧损、失碳、挥 发等现象。在低碳马氏体不锈钢上激光熔覆添加Cr C,和WC粒的银基粉末，发现前者中 Cr, c颗粒 完全溶解，熔覆层组织由包覆一 M, C,共晶的奥氏体枝晶组成，后者熔覆层组织由弥散分布的不完全溶解 WC粒增强体组成。张维平等副用激光熔覆在中碳钢表面原位合成硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层， 该涂层由粘结金属基体和弥散分布于其中的稳定和亚稳 定硬质颗粒增强相组成，相对于中碳钢基体强化效果显 著。研究表明，涂层中存在细晶强化、硬

7、质颗粒弥散强 化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。3激光熔覆层的性能1耐磨性能在自熔合金粉末中加入 WC TiC, SiC, B C, TiN 等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒激光熔覆后形成的复合涂 层中，由M c, , M , C等自由碳化物或硼化物相强硬化 的合金相与极硬的硬质相匹配，使熔覆层的硬度和耐磨 性得到了显著提高。斯松华等 们在16Mn钢上熔覆 Ni基B c复合粉末，发现添加的 Bo c颗粒对激光熔覆 涂层也起到了细晶强化、固溶强化及第二相强化的增强 作用，激光熔覆Ni-B c复合合金粉末涂层的硬度和耐 磨性都明显高于Ni60涂层。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

8、、含量及分布状态等。Hualun L等在Ti - 6A14V合金表面利用激光熔覆 BN+NiCrCoA1怖层，其熔覆层的硬度随 BN含量的增 加而增大，Vickers 硬度在8 00012 000 MPa之间，与 时效硬化和激光表面熔凝的钛合金相比，激光熔覆层的 磨损率降低了 1 2个数量级。Abbas G【2在En3B钢表 面激光熔覆Stellite6 和Stellite6+SiC涂层，结果表明，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。此外，激光熔覆金属一陶瓷复合涂层的硬度和耐磨 性能还与激光熔覆工艺参数密切相关。周二华等在A3钢表面

9、激光熔覆Fe+W建属陶瓷复合涂层，研究 表明激光熔覆层的硬度与扫描速度之间存在最大值关 系，出现这种现象的原因是扫描速度较慢时，由于WC的溶解使粘结金属中 w的含量显著增加，对提高粘结 金属的硬度有利；同时扫描速度越慢，熔覆层的稀释率 也就越高，稀释率的提高又使粘结金属的显微硬度降 低。因此，存在最佳的扫描速度值而使熔覆层具有最高 的硬度。另外，稀土或氧化稀土的加入可以改善自熔合金熔 覆层的组织和耐磨性能，激光熔覆肘2自熔合金时， 添加适量的CeQ使熔覆层组织明显细化，硬度提高， 耐磨性能显著提高 。激光熔覆Ni基合金+WCM合 涂层时，添加适量的 CeQ使熔覆层组织细化，硬度提 高，摩擦系数

10、降低，耐磨性能提高 。2耐蚀性能激光熔覆耐蚀涂层以Ni基、co基自熔合金或不锈 钢及以它们为基的金属陶瓷复合涂层材料为主。以 Ni 基自熔合金和不锈钢为基的含 SiC, B C, WC?颗粒的 复合涂层具有良好的耐腐蚀性，以co基自熔合金为基的硬面合金涂层则显示出良好的抗热气蚀和冲蚀能力。WangAH利用YAG激光器对SiC增弓虽ZK60(Mg 6%Zn 0. 5%Zr)镁基复合材料熔覆 Al -si合金，使复 合材料极化曲线出现明显的钝化，腐蚀电位有很大的提 高，腐蚀电流密度明显降低。在 Inco|oy 800H 基体上激 光熔覆的SiO,涂层在450C或750 oC煤气气氛中暴露 第3期

11、王一博等：激光熔覆技术研究进展及其工业应用1964. 5 h后发现，该陶瓷涂层的耐蚀性比原基体合金有大 幅度的提高 。目前一些金属间化合物覆层也具有良好的应用前 景，Abboud J H等人 如 在钛及钛合金表面利用激光 合金化和激光熔覆的方法制备了Tj -A1金属间化合物覆层，为提高钛合金的高温抗氧化性能奠定了基础。此外，在自熔性合金激光熔覆时加入稀土或稀土氧化物，可显著改善熔覆层的耐蚀性能。这主要有两方面的原因，一方面熔覆层中加入稀土化合物后，熔覆 层表面组织更加均匀，而且由于稀土原子对氢的陷阱作 用，降低了氢的活度，从而减慢了阴极反应；另一方面 由于纳米稀土化合物净化晶界及弥散强化的作用

12、，使晶 界的微观组织得到进一步改善，减少了晶界中的缺陷， 减弱了由于微缺陷形成原电池而产生的腐蚀，从而使熔 覆层的钝化性能得到进一步提高。颜永根等利用 5 kWCQ激光器，在Q235低碳钢表面熔覆微米或纳米 CeQ /Ni基合金复合材料，制备了涂层。阳极极化曲线 表明当纳米CeO的添加量为1. 5% （质量分数）时，腐 蚀电流急剧减小，说明此熔覆层的耐蚀性能大幅度提 高。赵高敏等。在激光熔覆铁基合金中加入了 La, O ,结果表明，稀土的加入由于细化晶粒，净化晶 界，减少缺陷，组织趋于均匀，提高了熔覆层的耐腐蚀 能力。3其它性能热障涂层的研究是以发展高性能的梯度涂层和相关 的制备技术为方向，激

13、光复合制备方法具备良好研究潜 力及应用前景。结合热物理性能、残余应力、相结构等 测试技术发展，探索热障涂层失效机理也是未来研究 方向。目前，对激光熔覆 ZrO: , A1 O,和SiO:等纯氧化物 陶瓷或其复合陶瓷作为热障涂层的研究备受人们的关 注。作为热障涂层材料应具备低的热传导系数和高 的热膨胀系数，这一要求使研究的注意力更多地集中在 ZrO:涂层上，因为在陶瓷材料中 ZrO与金属的热膨胀 系数最为接近，且导热率低，是理想的热障涂层材料。目前激光熔覆热障涂层中研究较多的也是ZrO,陶瓷涂层。陈国锋在Ni基高温合金基底上用 NiCrBSi 和一crA1Y两种合金粉与ZrO:的混合粉进行激光熔

14、 覆，获得了不同结构的热障涂层。激光熔覆生物陶瓷涂层是近年来激光熔覆技术的研 究热点之一。对激光熔覆生物陶瓷涂层的研究主要集中 在Ti基合金、不锈钢等金属表面羟基磷灰石、氟磷灰 石以及含Ca, P的生物玻璃陶瓷材料的熔覆，该领域的 研究起步较晚。在医用钛合金及不锈钢表面激光熔覆生 物陶瓷涂层具有良好的生物相容性及成骨性能，试样植 入活体后无组织增生、坏死、炎症及其他排斥反应发 生。邓迟等利用激光熔覆原位合成的钙磷涂层材料 植入动物体内，结果表明，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成的生物活性，材料与肌肉之间无不良反应，是一种较好的 体内生物陶瓷涂层材料。4激

15、光熔覆技术在工业中的典型应用激光熔覆技术经过半个世纪的发展，已完全从实验 室进入到实际工业应用，在汽车工业、航空航天工业、 石油等行业中应用广泛。1汽车制造工业最先采用激光熔覆技术的汽车零件的是发动机的排气门的密封锥形面熔覆 Stellite 合金。意大利菲亚特汽车 发动机排气阀座的环形表面用Stellite F合金激光熔覆，取得了很好的效果。美国的汽车排气阀座也用激光熔覆 Stellite 合金，俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座采用激 光熔覆耐热合金。国内汽车零件热锻模具用4 kW激光器在功率密度为 4 X 10 W/cm。下彳用3 S ,熔覆48Cr 一 28Ni - 2A16C 2Mo（质

16、量百分数）的合金粉末。涂层 硬度高，摩擦系数低，耐高温（600 oC）磨损。2航空航天工业航空航天工业是最先吸取激光熔覆的优点用于生产 的部门，因为它不仅能用于加工零部件，而且能用于修 理零部件。第1个激光表面熔覆应用是在 1981年 Rolls-Royce公司的RB211飞机发动机高压叶片连 锁，该叶片在1 600 K温度下工作。由高温银基合金 铸造，过去用鸨极惰性气体 （Tungsten Inert Gass , TIG） 保护堆焊钻基合金，热影响区常常发生裂纹。改用2 kW快速轴流CO激光器，在重力作用下吹气送粉， 功率密度10 - 10 W/em ,专用五轴联动数控工作台， 处理一个叶

17、片只需75 s ,而过去用TIG堆焊时间大约需 4 min /件。采用激光熔覆 co基合金，合金用量减少 50% ,变形小，减小了母材与热影响区组织的差异。工 艺质量高，大大减小了裂纹的发生。美国 WestinghOUSe 公司用该技术修复长1. 2川 的蒸气机叶片前端，强化了 抗水蚀的能力。4. 3其它行业激光熔覆还可以用于热能动力工业、模具行业等其 它行业，如电站的锅炉阀门密封面的抗高温腐蚀介质冲 蚀、磨损表面强化；改善模具钢的表面硬度、耐磨性、 抗热疲劳等性能；机械加工成形后，在模具刃口部位进 行激光熔覆，以延长使用寿命等。中国材料进展第28卷5结语近年来，激光熔覆技术已有很大的进展，某些方面 已进入实际工业应用阶段，但是由于该技术发展时间较 短，还存在许多问题。随着科技和工业的高速发展，对 激光熔覆技术要求越来越高，鉴于此，对这项技术的开发与应用，亟须解决以下问题才能适应其发展。(1)目前激光熔覆采用的熔覆层材料主要沿用传统 的喷涂系列