激光熔覆技術是指以不同的填(Tian)料方式将所選塗層合金粉末放置(Zhi)于基(Ji)體表面(Mian),利用高能激(Ji)光[Guang]束輻照,使之(Zhi)作用[Yong]于基體表面,迅速熔化、擴展和凝固在基材表面的過[Guo]程,進而形成一層與基底材料相結[Jie]合的[De]覆蓋層(Ceng)。這個新生成的覆蓋(Gai)層能夠顯(Xian)著改善甚[Shen]至[Zhi]再造基體材料,使[Shi]其能夠[Gou]達到耐磨損(Sun)、耐熱、耐腐(Fu)蝕、抗氧化(Hua)及其他目标特性(Xing)。
激[Ji]光熔覆技術是一個複[Fu]雜的物[Wu]理、化[Hua]學冶金過程(Cheng),激光參數的(De)設置對熔覆[Fu]層質量的影響較大。除此之外,合金粉(Fen)末的選擇也[Ye]是重要[Yao]的因[Yin]素。激光熔覆[Fu]合金粉末按照材料成分構成可分為[Wei]:自熔性合金粉[Fen]末、複合粉末和陶瓷粉末。其中,自熔[Rong]性合金粉末的在現[Xian]實中[Zhong]研究與應用.多。
一、自熔性合金粉末
自熔(Rong)性合[He]金粉[Fen]末可以分為鐵基(Fe)、鎳[Nie]基(Ni)、钴基(Co)合金粉[Fen]末,其主要特點[Dian]是[Shi]含有硼(B)和矽(Si),因而具有自脫氧和造(Zao)渣性能;還含有較高的鉻,它們優先與合金粉末中的(De)氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點的硼矽酸鹽等覆蓋在熔池表面,防止液态金(Jin)屬過度氧化,從(Cong)而改善熔體對(Dui)基體金屬的潤[Run]濕能力[Li],減少熔覆層中的夾雜和含氧量,提高熔覆層的工(Gong)藝成形性能,因而(Er)具有優異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不鏽(Xiu)鋼、合金鋼、鑄鋼(Gang)等多種基[Ji]材有(You)較好的[De]适應性,能獲[Huo]得氧化物含量低、氣孔率小[Xiao]的熔覆層。但對于含硫鋼,由于硫的存在,在交界面處易形成(Cheng)一種低熔點的脆性物相,使(Shi)得覆層易于剝落,因此(Ci)應慎重選用。
01 鐵基(Ji)(Fe)自熔[Rong]性[Xing]合金粉末
Fe基(Ji)自熔性合金粉末适[Shi]用于要求(Qiu)局部耐磨且容(Rong)易變形的零件(Jian),基體多為鑄鐵和低碳鋼,其.大優點是材料來源廣泛、成(Cheng)本低且抗[Kang]磨性能(Neng)好。缺點是熔點高[Gao]、抗氧化性差(Cha),熔覆層易開裂、易産生氣(Qi)孔等。在鐵基合[He]金粉末成分中,通過調整合金元素[Su]含(Han)量來調整[Zheng]塗層[Ceng]的硬[Ying]度,并通過添[Tian]加其它元素改善熔覆層的[De]硬度、開[Kai]裂敏感性和殘餘[Yu]奧氏體的含量[Liang],從[Cong]而提高熔覆層的(De)耐磨性和韌性[Xing]。激光熔覆用的鐵基自熔[Rong]性合金粉末分為兩(Liang)種類[Lei]型:奧氏體不鏽鋼型和(He)高鉻鑄鐵型。
鐵(Tie)基(Ji)合金粉末(Mo)
近年來(Lai),有關激光熔覆的(De)研究,不少人圍繞鐵基粉(Fen)末中加入其它(Ta)成分進行實驗。結果表明,加入(Ru)稀土改善了熔覆(Fu)層表面鈍化[Hua]膜的抗剝落能力,在不同程度上減輕了材料的腐蝕失重,提高了熔覆層的耐腐蝕能力。
02 鎳基[Ji](Ni)自熔性合金粉末
Ni基(Ji)自熔性合金粉末以其良好的潤濕性[Xing]、耐蝕性、高溫[Wen]自[Zi]潤滑作用和适(Shi)中的價格在激[Ji]光熔覆材料中研[Yan]究.多、應[Ying]用.廣。
鎳基合金粉末[Mo]
鎳基(Ni)自熔性合金粉末在滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的[De]條件下,單純的自熔性合金粉已不能(Neng)勝任使用要[Yao]求,此時可[Ke]在[Zai]自熔性合金[Jin]粉末中加入各(Ge)種高熔點的碳化(Hua)物、氮化物、硼化物和氧化物(Wu)陶瓷(Ci)顆粒,制成金屬複合塗層。
03 钴基(Co)自熔性合金粉末(Mo)
钴基(Co)自熔性合金粉末(Mo)具(Ju)有優良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗(Kang)沖擊和抗[Kang]高溫[Wen]氧化性能,常被(Bei)應用于石化、電力、冶金等工業(Ye)領域的耐磨耐(Nai)蝕[Shi]耐高溫等場(Chang)合。Co基自[Zi]熔性合[He]金潤濕性好,其(Qi)熔[Rong]點較碳化物低,受熱後Co元[Yuan]素.先處于熔[Rong]化狀态,而合金凝固時它.先與其它元素[Su]形成新的(De)物相,對熔覆層的強化極[Ji]為有[You]利。目前,钴基[Ji]合金所用的合金[Jin]元素主要是鎳、碳[Tan]、鉻和鐵等[Deng]。其中,鎳元素可以(Yi)降低(Di)钴基合金熔覆層的(De)熱膨脹系數,減小合金的熔化溫度[Du]區間,有效防止熔(Rong)覆層[Ceng]産生裂紋,提高熔覆合[He]金對基體的潤濕性。
钴基合金粉末
綜合[He]分[Fen]析可以看(Kan)出,Ni基或(Huo)Co基自(Zi)熔性合金粉末體系具有(You)良好(Hao)的自[Zi]熔[Rong]性和耐蝕[Shi]、耐[Nai]磨、抗氧化性能,但價(Jia)格較高;Fe基自熔性合金粉末雖(Sui)然便宜,但自熔(Rong)性差,易開裂和氧化。因此,在實際應用中[Zhong],應根據使用要求合[He]理選擇自熔[Rong]性合金粉末體系。
二、複合粉末
複[Fu]合粉末主要是(Shi)指碳化物、氮化(Hua)物、硼化物、氧化物及矽化(Hua)物等各種高熔點硬(Ying)質陶瓷材料與金屬混合或複(Fu)合而形成的粉末體系。複(Fu)合粉[Fen]末可以(Yi)借助激光熔覆技[Ji]術制備出陶瓷顆粒(Li)增強金屬基[Ji]複[Fu]合塗層,将金屬的強韌性、良好[Hao]的工藝性[Xing]和陶瓷材料優異的[De]耐磨、耐蝕、耐高[Gao]溫和抗氧化特性有機結合起(Qi)來,能在一定程度上使碳化物免受氧化和分[Fen]解,從而獲得具有很高耐(Nai)磨和(He)硬度(Du)的塗層,這是[Shi]是(Shi)目前激光(Guang)熔覆技術領域研究發展(Zhan)的熱點。其中,碳化物合金[Jin]粉末和氧[Yang]化物合金粉末(Mo)研究和應用[Yong].多,主要應用[Yong]于制(Zhi)備耐磨(Mo)塗層。複合粉末中的碳化物顆粒可以(Yi)直接加入激光(Guang)熔池或者[Zhe]直接與金屬粉末混合成混合粉末(Mo),但更有效的是(Shi)以包覆型粉末(如鎳[Nie]包碳[Tan]化物、钴包碳化物)的[De]形式加入。
鎳基(Ji)碳化(Hua)鎢粉末[Mo]
在(Zai)激光熔覆過程(Cheng)中,包覆型粉末[Mo]的[De]包覆金屬對[Dui]芯核[He]碳化物能起到有效保護(Hu)、減弱高能激光與碳化物的(De)直(Zhi)接作(Zuo)用,可有效[Xiao]減弱(Ruo)或避免碳化物發生燒損[Sun]、失碳、揮發等現象。
三、陶瓷粉末
陶瓷粉末(Mo)主要包括矽化物陶瓷(Ci)粉末和氧化(Hua)物陶瓷粉末,其中又以氧(Yang)化物陶瓷(Ci)粉末(氧化(Hua)鋁和氧[Yang]化锆)為主。氧化锆比氧[Yang]化鋁陶瓷粉[Fen]末具有更低的熱導性和更好的熱抗震性能,因而(Er)也常用于制[Zhi]備熱障塗層(Ceng)。由(You)于陶瓷粉(Fen)末具有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和[He]抗氧化特性,所[Suo]以它常被用于制備高溫[Wen]耐磨耐蝕塗層。目前,生物陶瓷材料(Liao)是(Shi)研究的一個熱點。
氧化锆陶瓷粉
陶瓷粉末缺點:與基體金[Jin]屬的熱膨脹系數(Shu)、彈性模量及導熱系數[Shu]等(Deng)差别較大,熔覆層(Ceng)易出現裂紋和孔洞(Dong)等缺陷,在使(Shi)用中容易出(Chu)現變形開裂、剝[Bao]落損壞等現象。
為了解決純陶瓷塗層中的(De)裂紋及與金屬基[Ji]體的高強結合,有學者嘗試使[Shi]用中間[Jian]過(Guo)渡層(Ceng)并在陶瓷層中(Zhong)加(Jia)入低熔點高膨脹系數的(De)CaO、SiO2、TiO2等來降低内[Nei]部應力,緩解了裂紋[Wen]傾向,但現有的研究表明,純陶(Tao)瓷塗層的裂紋和剝落問題并[Bing]未得到很好解決,因此有待于進一步深(Shen)入研(Yan)究。
目前對激光[Guang]熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在(Zai)Ti基合金、不鏽鋼等金(Jin)屬表面進行激光熔[Rong]覆的羟基磷灰石(HAP)、氟(Fu)磷灰石以[Yi]及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羟基磷灰石[Shi]生物陶瓷具有良[Liang]好的生物相容(Rong)性,作為人體牙(Ya)齒早已受到國[Guo]内外有關學者(Zhe)的廣泛重視。總體來說激光熔(Rong)覆生物陶瓷材[Cai]料的研究(Jiu)起步(Bu)雖然較晚,但(Dan)發(Fa)展非常迅速,是一個前景廣闊[Kuo]的研[Yan]究方向。
四、其(Qi)他金屬粉末(Mo)
除以上幾類激光熔[Rong]覆粉末材[Cai]料體系,目前已開(Kai)發研究的熔(Rong)覆材[Cai]料體系還(Hai)包括:銅(Tong)基、钛[Tai]基、鋁基、鎂基[Ji]、锆基、鉻基以及金屬(Shu)間化合物基材(Cai)料等。這些材料[Liao]多數是利[Li]用合金體系的某些(Xie)特殊性質使其達到(Dao)耐磨、減摩(Mo)、耐(Nai)蝕、導電、抗[Kang]高(Gao)溫、抗熱氧化等[Deng]一種或多種功能[Neng]。
1、銅基
銅基激光熔覆材料主要包括[Kuo]Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基[Ji]合金粉末及複合粉末材(Cai)料。利用銅合(He)金體系存在液相分離現象等冶金性質,可[Ke]以設計出激光熔(Rong)覆[Fu]銅基自生複合材料[Liao]的銅(Tong)基複合粉末材料。研究表明,其激光熔覆層中存在[Zai]大量[Liang]的自生硬質顆[Ke]粒增強體,具有良好的耐[Nai]磨性。單際國等利用Cu與Fe具有液相分(Fen)離和[He]母材與堆焊材料的冶金反應特性,采用(Yong)激光熔(Rong)覆制備了Fe3Si彌[Mi]散分(Fen)布的[De]銅基合金複合(He)熔覆層。研究表明:激光熔覆過(Guo)程[Cheng]中(Zhong),由母材熔化而進入熔池的Fe元素與熔池[Chi]中的Cu合金呈液相分(Fen)離狀态(Tai);進入溶池的[De]Fe由于密度小而上浮[Fu],上浮過程中與熔池[Chi]中的Si反應生成Fe3Si,Fe3Si在激光熔覆層中呈彌散狀梯度分布于α-Cu基體[Ti]中。
銅基合[He]金粉[Fen]末
2、钛基
钛基熔覆材料主(Zhu)要用于改善基體金屬材料表面的生物相容(Rong)性、耐[Nai]磨性或耐蝕性等。研究的[De]钛基[Ji]激光熔覆粉末材料主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉(Fen)末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基複合粉末。張松等在氩氣氛環境下,在Ti6Al4V合金表(Biao)面激光[Guang]熔覆Ti-TiC複合塗層,研究表明複合塗層中原位自生形成了微小的TiC顆粒,複合塗層具(Ju)有優良[Liang]的摩擦磨損性能。
钛基合(He)金[Jin]粉(TC)
3、鎂基
鎂基熔覆[Fu]材料主要用于鎂合金表(Biao)面的[De]激光熔覆[Fu],以提高鎂合金[Jin]表面的耐磨性(Xing)能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普(Pu)通商用[Yong]鎂合[He]金上熔覆鎂(Mei)基MEZ粉(Fen)末(成分[Fen]:Zn:0.5%,Mn:0.1%,Zr:0.1%,RE:2%,Mg:Bal)。研究表明,熔覆層顯微硬度[Du]由HV35提高到HV 85~100,并且因(Yin)為晶粒細化和金屬間化[Hua]合物的重新分布,熔覆層在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蝕(Shi)性能比基體鎂合金大大提高。
鎂基(Ji)合金粉
4、鋁基(Ji)
SorinIgnat等在WE43和(He)ZE41兩種鎂合金基[Ji]體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側向[Xiang]送粉熔覆[Fu]鋁粉,得到(Dao)了結合性能良好的熔覆(Fu)層。研究(Jiu)發現,塗[Tu]層硬(Ying)度值達到HV0.05120~200,硬度[Du]提高的主[Zhu]要原因是[Shi]Al3Mg2和(He)Al12Mg17金[Jin]屬化合物的存[Cun]在。ZMei等在[Zai]鎂基ZK60/SiC基體上(Shang)激光熔覆(Fu)鋁基Al-Zn粉末,得到了冶金良好(Hao)的熔覆[Fu]層。研(Yan)究表(Biao)明,熔(Rong)覆層腐蝕電位比标準試樣電位高300mV,而腐(Fu)蝕電流則至少[Shao]低3個數量級。
鋁基合金粉末
5、锆基
在[Zai]純钛基體[Ti]上[Shang]激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉(Fen)末,并[Bing]對塗層進行了研究分析。發現[Xian],塗層由具有高比[Bi]強、高硬度的(De)金屬(Shu)間化合物(Wu)與少量的[De]非晶(Jing)相構成,具有較好的(De)力學性能;在ZrAlNiCu合金粉(Fen)末中添加2wt%B和2.75wt%Si,發現塗層中非晶含量增加,硬度升高,兩種塗層的.高(Gao)硬度分别達到[Dao]HV909.6和HV1444.8。
锆基合金粉
五、總結:
不同熔覆材料的特點、價[Jia]格以及熔覆後的性能差别較大,實際使用時可根據[Ju]不同(Tong)的加工需求選[Xuan]擇不同性能的(De)合[He]金(Jin)粉末。通過(Guo)激(Ji)光将合金粉(Fen)末熔[Rong]覆在工件[Jian]表面(激[Ji]光熔覆(Fu)),可以(Yi)在廉價金屬基材上制備[Bei]出高性能的(De)合[He]金表面而不影響基體的性質,有效降低[Di]生産(Chan)成本,節[Jie]約貴重[Zhong]稀有金屬材料。與堆焊、熱(Re)噴塗、電鍍等傳統表(Biao)面處理技術相[Xiang]比[Bi],激光熔覆具(Ju)有稀釋度小(Xiao)、組織緻密(Mi)、塗[Tu]層與[Yu]基體結合好、适(Shi)合熔覆材料多、粒度及含量變化大、加工[Gong]質量高、可控性好(可實現三[San]維自動加工)等優點。
目[Mu]前主要應用于材料表面改[Gai]性(如液壓立柱、軋[Zha]輥、齒輪、燃汽輪機(Ji)葉(Ye)片等),産品(Pin)表面修複(如因磨損而失效的轉子(Zi)、模具、軸承内孔等),修複後的部件強度可[Ke]達[Da]原強度的90%以(Yi)上,且修複費用不到産品(Pin)換新成本的1/5,更重要的是(Shi)縮短[Duan]了維修[Xiu]時間,有效解(Jie)決了大型[Xing]企業[Ye]重大成套(Tao)設備轉動部件快速(Su)搶修[Xiu]難題。
此外,對關鍵部[Bu]件表面通過激光熔覆耐磨抗蝕[Shi]合金,可[Ke]以在零部(Bu)件表(Biao)面不[Bu]變形的情況下大大[Da]提高(Gao)零部件的使用壽命。對模具表面[Mian]進(Jin)行激光熔覆處理,不僅提高模具強(Qiang)度,還可以降低(Di)2/3的制造成(Cheng)本,縮短4/5的制造周期。
總的來說激光(Guang)熔覆技術[Shu]是一項具有高科技含量的表面改(Gai)性技術[Shu]與裝備維修[Xiu]技術,其研究和發展[Zhan]具有(You)重要的(De)理論意義和經濟[Ji]價值。
激光熔覆材料是制約激光熔[Rong]覆技術發展和應用的主要因素。目[Mu]前在研制激光熔覆材料[Liao]方面雖取得了(Le)一[Yi]定進展,但與[Yu]按照設計的熔[Rong]覆件性能和應用要求定量地[Di]設計(Ji)合金成分還存在(Zai)很長距[Ju]離,激光熔[Rong]覆材料遠未形(Xing)成系[Xi]列化和标準化,尚需要加大力度[Du]進行深入研[Yan]究。