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激光熔覆技術是(shì)指以不同的填料方式将(jiāng)所選塗層合金粉末放置于(yú)基體表面，利用高能激光束輻照，使之(zhī)作用于基體表面，迅速(sù)熔(róng)化、擴展和(hé)凝(níng)固在基材表面的過程，進而(ér)形成(chéng)一層與基底(dǐ)材料相結(jié)合的覆蓋層。這個(gè)新生成的覆蓋層能夠顯著改善甚至再造基體材料，使其能夠達到耐磨損、耐熱、耐腐蝕、抗氧化及其(qí)他目标特性。

激光熔覆(fù)技術是一個複雜的物理、化(huà)學冶金過程，激光(guāng)參數的(de)設置對熔覆層質(zhì)量的影(yǐng)響較大。除此之(zhī)外，合金粉末的選擇也是重要的因素(sù)。激光(guāng)熔覆合金粉末按(àn)照材料成分構成可分(fèn)為：自熔性合金粉(fěn)末、複合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在現實中研究與應(yīng)用.多。

一、自熔性合金粉末

自熔性合金粉末可以分為鐵基(jī)(Fe)、鎳(niè)基(Ni)、钴基(Co)合金粉末，其主要(yào)特點是含有(yǒu)硼(B)和矽(Si)，因而(ér)具有自脫氧和造渣性能(néng);還含(hán)有較高的鉻，它們優先(xiān)與合金粉末中的(de)氧和工件表面氧化物一起熔融生(shēng)成低熔點的硼矽酸鹽等覆蓋在(zài)熔(róng)池表面，防(fáng)止液态金屬過度氧化，從(cóng)而改善熔體對基體金屬的潤(rùn)濕能力，減少熔覆層中的夾雜和含氧量(liàng)，提高熔覆層的工藝成形(xíng)性能，因而(ér)具有優異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不鏽鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基(jī)材有較好的适應性(xìng)，能獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。但對于含硫鋼，由于硫的存在，在交界面處易形成一種低熔(róng)點的脆性物相，使得覆層(céng)易于剝落，因此應慎重選用。

01　　鐵基(Fe)自熔性合金粉末

Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容(róng)易變(biàn)形的零件(jiàn)，基體多為鑄鐵和低(dī)碳鋼，其.大優點是材料來源廣泛、成本低(dī)且抗(kàng)磨(mó)性能(néng)好(hǎo)。缺點是熔點高(gāo)、抗氧化性差，熔覆層易開(kāi)裂、易産生氣孔等。在鐵基合金粉末成分中(zhōng)，通過調整合金元素含量來調整(zhěng)塗層的硬(yìng)度，并通過添加其它(tā)元素改善熔覆層的(de)硬度、開裂敏感性和殘餘(yú)奧氏體的含量，從而提高熔覆層的(de)耐磨性和韌性(xìng)。激(jī)光(guāng)熔覆用的鐵基自(zì)熔(róng)性合金粉末分為兩種類(lèi)型：奧氏體不鏽(xiù)鋼型和高(gāo)鉻鑄鐵型。

鐵基合金粉末(mò)

近年(nián)來，有關激光熔覆的(de)研究，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它成分進(jìn)行實驗。結果表明，加入(rù)稀土(tǔ)改善(shàn)了熔覆層表面鈍化(huà)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(de)耐腐蝕能力。

02　　鎳基(jī)(Ni)自熔性合金(jīn)粉末

Ni基自熔性(xìng)合金粉末以其良好(hǎo)的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑(huá)作用和适(shì)中的價格在激光熔(róng)覆(fù)材料中研究.多、應用.廣(guǎng)。

鎳基合金(jīn)粉末

鎳基(Ni)自熔(róng)性合金粉末在滑動(dòng)、沖擊(jī)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勝任使用要求，此時可在自熔性合金(jīn)粉末(mò)中(zhōng)加入各種高熔點的碳(tàn)化物、氮化(huà)物、硼化物(wù)和氧(yǎng)化物陶瓷顆(kē)粒，制成(chéng)金屬複合塗層。

03　　钴基(Co)自熔性合金粉末

钴基(Co)自(zì)熔性合金粉末具有優(yōu)良的耐(nài)熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊和抗高溫氧化性能，常被應用于石化(huà)、電力、冶金(jīn)等工業(yè)領域的耐磨耐蝕(shí)耐高溫等場合。Co基(jī)自熔性合金潤濕性好(hǎo)，其熔點較碳化物低，受熱後Co元(yuán)素(sù).先處于熔化狀态，而合金凝固(gù)時它.先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強化極(jí)為有(yǒu)利。目前(qián)，钴基合金所用的合金(jīn)元素主要是鎳、碳(tàn)、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低钴基合金熔覆層的(de)熱膨脹系數，減小(xiǎo)合金的熔化溫度區間，有效防止熔覆層産生裂(liè)紋，提高熔覆合金對基體的潤濕性。

钴基合金(jīn)粉末

綜合分析可以看出，Ni基或Co基自熔性合金粉末體系具有良好的自(zì)熔性和耐蝕、耐磨、抗(kàng)氧化性能(néng)，但價格較高(gāo);Fe基自熔性合金粉末雖(suī)然便宜，但自熔(róng)性差，易開裂和氧化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應根據使用要求合(hé)理選擇自熔性合金粉末體系。

二、複合粉末

複合(hé)粉末主要是(shì)指碳(tàn)化物、氮化物、硼化物、氧化物及矽化(huà)物等各(gè)種高熔點硬質陶(táo)瓷材料與(yǔ)金屬混合或複(fú)合而形成的粉末體(tǐ)系(xì)。複合粉末可以借助激光熔覆技術制備出陶瓷顆粒(lì)增強金屬基複(fú)合塗層，将金屬的強韌性、良好的工(gōng)藝性和陶瓷材料優異的(de)耐磨、耐蝕(shí)、耐高溫和抗氧化特性有機結合起來，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，從而獲(huò)得具有很高耐(nài)磨和(hé)硬度的塗層，這是是目前激光(guāng)熔(róng)覆技術領域研究發展(zhǎn)的熱點。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金(jīn)粉末研究和應用.多，主要應用于制備耐磨(mó)塗層。複合粉末中的碳化物(wù)顆粒可以(yǐ)直接加入激光熔池或者(zhě)直接與金屬粉(fěn)末混合成混合粉末，但更有效的是以包(bāo)覆型粉末(如(rú)鎳包碳化物、钴包碳化物)的形式加入。

鎳基碳化鎢粉末

在激光熔覆過程中，包覆型粉末(mò)的(de)包覆金屬對芯核碳化物能起到有效(xiào)保護、減弱高能激光與碳化物(wù)的直接作用，可有效減弱或避免碳化物發生燒損、失碳、揮發等現象。

三、陶瓷(cí)粉末

陶瓷粉末主要包括矽化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化(huà)鋁和(hé)氧(yǎng)化锆)為主。氧化锆(gào)比氧(yǎng)化鋁陶瓷粉末具有更低的熱(rè)導性(xìng)和更好的熱(rè)抗(kàng)震性能，因而也常用于制備熱障塗層。由(yóu)于陶瓷(cí)粉末具有優異的耐(nài)磨、耐蝕、耐高溫和(hé)抗氧化特性，所以它常被用(yòng)于制備高溫耐磨耐蝕塗(tú)層。目前，生物陶瓷材料是研究的一個(gè)熱(rè)點。

氧化锆陶(táo)瓷粉

陶瓷粉末缺點：與基體金屬的熱膨脹(zhàng)系數、彈(dàn)性模量及(jí)導熱系數等差别較大，熔覆層(céng)易出現裂紋和孔洞(dòng)等缺陷，在使用中容易出現變形開裂、剝(bāo)落損壞等(děng)現象。

為了解決(jué)純陶瓷塗層中的裂紋及與金屬基體的高強結合，有學者嘗(cháng)試使用中(zhōng)間過(guò)渡層并在(zài)陶(táo)瓷層中加入低熔(róng)點高膨脹系數的CaO、SiO2、TiO2等(děng)來降低内部(bù)應力，緩解了裂紋傾向(xiàng)，但現有的研究(jiū)表明，純陶瓷塗層的裂紋和剝落問題并(bìng)未得到很好解決，因此有待于進一步深入研(yán)究。

目前對激光(guāng)熔覆生物陶瓷材料的研究主(zhǔ)要集(jí)中在Ti基合金、不鏽鋼等(děng)金屬表面進行激光熔覆的羟基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生(shēng)物陶瓷材料上。羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容(róng)性，作為人體牙齒早已受到國内外有關學者(zhě)的廣泛重視。總體來說激光(guāng)熔覆生物陶瓷材料的研究起步(bù)雖然較晚，但發(fā)展非常迅速，是一個(gè)前景廣闊的研(yán)究方向。

四(sì)、其他金屬粉末(mò)

除以上幾類激光熔覆粉末材(cái)料體系，目前已開(kāi)發研(yán)究的熔覆材料體系還包括：銅基、钛基、鋁基、鎂(měi)基、锆基、鉻基以及金屬間化合物基材(cái)料等(děng)。這些材料(liào)多(duō)數是利用合金體系的某些特殊性(xìng)質使其達到耐磨、減摩(mó)、耐蝕、導電(diàn)、抗(kàng)高(gāo)溫、抗熱氧化等(děng)一種或多種功能。

1、銅基

銅基激光熔(róng)覆材料主要包括(kuò)Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基(jī)合金粉末及複合粉末材料。利用銅合金(jīn)體系存在液相分離現(xiàn)象等冶金性質，可以設計(jì)出激光熔覆銅基自生複(fú)合材料的銅基複合粉末材料。研究表明，其激(jī)光熔覆層(céng)中存在大量(liàng)的自(zì)生硬質顆粒增(zēng)強體，具有良好的耐磨性(xìng)。單際國等利用Cu與Fe具有液相(xiàng)分(fèn)離和母材與堆焊材(cái)料的(de)冶金反應特性，采用激光熔覆制備了Fe3Si彌散分(fèn)布的銅基(jī)合金複合熔覆層。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進入熔池的Fe元素與熔(róng)池中的Cu合金呈液相分離狀态(tài);進入溶池的Fe由于密度小而上浮(fú)，上浮過程中與熔池(chí)中的Si反應生成Fe3Si，Fe3Si在激光熔覆層中呈(chéng)彌散狀梯度分(fèn)布(bù)于α-Cu基體中。

銅基合金粉末

2、钛基

钛(tài)基熔覆材料主(zhǔ)要用于改善基體金屬材(cái)料表面的生(shēng)物相容性、耐磨性或耐(nài)蝕性等。研究的钛基激光熔覆粉末材料(liào)主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉(fěn)末以(yǐ)及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等(děng)钛基複合(hé)粉末。張松等在氩氣氛環境下，在Ti6Al4V合(hé)金表面激光熔覆Ti-TiC複合塗(tú)層，研究表明複合塗層中原位(wèi)自(zì)生形成(chéng)了微小的TiC顆粒，複合塗層具有優良的摩擦磨損性能。

钛基合(hé)金粉(TC)

3、鎂基

鎂基熔覆材(cái)料主要(yào)用于鎂(měi)合金表面的激光(guāng)熔覆，以提高鎂合(hé)金表面的耐磨性(xìng)能和(hé)耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用鎂合金上熔覆鎂基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明(míng)，熔覆層顯微硬度由(yóu)HV35提高到HV 85～100，并且因為晶(jīng)粒細化和(hé)金屬間化(huà)合物(wù)的重新分布，熔覆層在(zài)3.56wt%NaCl溶液(yè)中的抗腐蝕性能比基(jī)體鎂合金大大提高。

鎂基合金粉

4、鋁基

SorinIgnat等在WE43和ZE41兩種鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側向(xiàng)送粉熔覆鋁粉，得到了結合性能良好的(de)熔覆(fù)層。研究發現，塗層(céng)硬度值達到HV0.05120～200，硬度提高的主要(yào)原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存(cún)在。ZMei等在鎂基(jī)ZK60/SiC基體上(shàng)激光熔覆鋁基Al-Zn粉末，得到(dào)了(le)冶金良好的熔覆層。研究表明，熔覆(fù)層腐蝕電位比标準試樣電位高300mV，而腐蝕電流則(zé)至少低3個數量(liàng)級。

鋁基合金粉(fěn)末

5、锆基

在純钛基體上激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉末，并對塗層進行了研究分析。發現(xiàn)，塗層由具有高比強、高硬度的金屬間化合物與少量的非晶相構成，具有較好的力學性(xìng)能;在ZrAlNiCu合金粉末中添加2wt%B和2.75wt%Si，發現塗層中非晶含量增加(jiā)，硬度升高，兩種塗層的.高硬度分别達到(dào)HV909.6和HV1444.8。

锆基合金粉

五、總結：

不同熔(róng)覆材料的特點、價格以及熔覆後的性(xìng)能差别較大，實(shí)際使用時可根據不同的加工需求選擇不同性(xìng)能的合金(jīn)粉末。通過激光将(jiāng)合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可(kě)以在廉(lián)價金(jīn)屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質，有效(xiào)降低生産成本，節(jiē)約(yuē)貴重(zhòng)稀有金屬材料。與堆焊、熱噴塗、電鍍等傳統表(biǎo)面處理技術相比(bǐ)，激光熔覆具有稀釋(shì)度小、組織緻密、塗(tú)層與基體結合好、适合熔覆材料多、粒度及含量變(biàn)化大、加工質量高、可控性好(可(kě)實現三(sān)維自動加工(gōng))等優點。

目前主要應(yīng)用于材料表面改性(如液壓立柱、軋輥、齒輪、燃汽輪機葉片等)，産品(pǐn)表(biǎo)面修複(如因(yīn)磨損而(ér)失效的轉子、模具(jù)、軸承内孔等)，修複後的部件(jiàn)強度可(kě)達原強度的90%以上，且修複費用不到(dào)産品換新成本的1/5，更重要的是(shì)縮短了維修時(shí)間，有效解(jiě)決了大型企業(yè)重大成套設備(bèi)轉(zhuǎn)動部件快速搶修(xiū)難題。

此外，對關鍵部件表面通過激光熔覆耐磨抗蝕合金，可以在零部(bù)件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命。對(duì)模具表面進行激(jī)光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低(dī)2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。

總的(de)來說激光熔(róng)覆技術是一項具有高科技含量的表面改(gǎi)性技術與裝備維(wéi)修技術，其研究和發展具有重要的理論意義和經濟價值。

激光熔覆材料是制(zhì)約激光熔覆技術發展和(hé)應用的主要因素。目前在研制(zhì)激光熔(róng)覆材料方面雖取(qǔ)得了(le)一定進展，但與按照設計的熔覆件性能和(hé)應用要求定量地設計(jì)合金成分還存(cún)在很長距(jù)離，激光熔覆材料(liào)遠未形成系列化和标準化，尚需要加大力度進行深入研(yán)究。