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                激光熔覆技術

                作者:admin?? 發布時間:22-07-18 02:33

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                激光熔覆技術,也被稱為激光堆焊技術,是一種涉及計算機、光學、材料、物理、化學等多門學科的有效且實用的表面處理技術 。它是在上個世紀 60年代提出,隨後在 1974 年底由美國 AVCO 公司 D.S. Gnanamuthn 提出專利申請,並於 1976 年授權的一項闡述高能激光熔覆的專利 。20 世紀 70 年代中後期,海外激光熔覆的發展速度並不迅速。激光表面處理發表的論文篇數遠少於切割和焊接,切割方面的論文數量大約是表面處理方面論文的 3 倍,焊接方面的論文數量居中 。進入 80 年代之後,激光熔覆技術才得到了迅猛的發展,結合各種新型技術的發展,激光熔覆技術又煥發出了新的活力 。

                在不對基體材料產生大的影響的前提下,激光熔覆能在基體表面形成具有優良性能的合金熔覆層,從而降低成本、提高效益,節約貴重稀有金屬材料的使用 。因此,不管是在國內還是國外,激光熔覆的發展一直備受關註和重視。


                      1 基本原理 激光熔覆是用高能激光束( 10 4 ~10 6 W/cm 2) 輻照金屬基體表面,使金屬基體表面薄層和其上的熔覆材料一起相互作用,經過快速熔化、凝固形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蝕等特殊物理化學特性的塗覆層的工藝過程 。這是一種新型的復合材料,可以補充基體所不具備的優良性能,更充分地發揮二者的優勢,克服彼此之間的不足,從而顯著地改善基層表面的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、抗氧化等物理化學性能。


                      同之前的表面技術相比較,激光熔覆技術具備如下特點 : 1) 冷卻速度非常快,高達 10 6℃ /s;2) 加熱速度快,工件畸變小,塗層稀釋率能通過對激光的輸入能量的控制保持在較低的程度( 一般小於8%) ; 3) 可精準地選擇熔覆區域,原料耗損少,性價比相對較高; 4) 通過光束進行瞄準,能夠加工平常不易接近的區域,實現熔覆工藝過程的自動化; 5) 適用範圍廣。正因為激光熔覆的上述優點,近些年來的發展在改良基體表面性能方面受到了高度關註和重視。 2 研究現狀 2. 1 激光熔覆材料體系 在設計熔覆材料體系的時候,不僅要考慮塗層的使用性能,還需要考慮熔覆材料的各種成分以及基體的相容性和匹配性。熔覆合金中的各種成分以及基材的膨脹系數不一致,是熔覆層產生裂紋的一個重要因素; 因此在設計熔覆層的材料體系時就需要考慮熔覆層和基材之間熱膨脹系數的差異,當兩者的差異越小,熔覆層產生裂紋的可能性就越小 。


                通常,可將熔覆材料分為以下三類,即自熔性合金粉末、氧化物陶瓷粉末和碳化物復合粉末。在上述的三種熔覆材料體系中,對於自熔性合金粉末的研究最多,應用也最普遍。 2. 1. 1 自熔性合金粉末 在自熔性合金粉末體系裏,又可將其分為以下三類: Ni 基自熔合金、Co 基自熔合金和 Fe 基自熔合金 。當合金中的鎳、鉻等元素與硼或碳相互作用時,會形成硬度很高的化合物,所以當合金中的含硼量和含碳量較高時,合成的硼化物和碳化物的數量也會增加,自熔合金的硬度也會相應增大。但是當基材是含有硫元素的鋼材時,硫元素會和合金中的其他物質相互反應,形成一種脆性很高的物象,使得熔覆層極易出現裂紋甚至剝落現象,此時應當慎重考慮熔覆材料的選用 。 1)


                Ni 基自熔性合金粉末 


                由於 Ni 基自熔性合金粉末的性能較好,價格也適中,所以 Ni 基自熔性合金粉末不管是在科學研究中,還是在生產實踐中,都扮演了重要的角色。在三種自熔性合金粉末材料體系中,Ni 基自熔性合金粉末被研究得最多,應用也最為普遍[16 -17] 。對於局部要求耐腐蝕,耐磨損等性能比較高的工件,常采用 Ni基自熔性合金粉末。王傳琦等[18] 采用激光熔覆的方法在 45 鋼的基體上熔覆了一層 Ni 基合金熔覆層,研究表明,回火前熔覆層區域的顯微硬度比基材提高了 4. 9 倍,回火後提高了 5. 8 倍。孫鴻卿等[19]在鎳基高溫合金基體上激光熔覆 In-conel 738 來研究熔覆層的裂紋敏感性問題,研究表明: 晶界處的共晶物( γ + γ‘) 以及其他低熔共晶偏析物成為主要的裂紋源。張松等[20] 利用激光熔覆技術在 Monel 400合金表面上制備了鎳基合金的改性層,研究表明: 與Monel 400 合金基材相比,鎳基合金激光改性層的顯微硬度是基體的 7 倍,摩擦系數顯著降低,相對耐磨性提高了 8. 6 倍。 2)


                Co 基自熔性合金粉末


                Co 基自熔性合金不僅具備優良的耐腐蝕、耐磨損性能,還有很好的耐高溫性能,這就使得 Co 基自熔性合金粉末被應用在了各種工況惡劣的環境下,在冶金、電力等行業得到了較為廣泛的應用。鈷基合金中的鈷元素的熔點相對於其他的碳化物來說較低,所以會最先處於熔融狀態,與其他元素結合形成新的物相,這對於熔覆層的強化來說是極其有利的。當前,鈷基合金的主要元素包括 C、Ni、Cr 和 Fe 等,Ni 能降低鈷基合金的熱膨脹系數,減小其熔融區間,減小熔覆層產生裂紋的可能性,改良鈷基合金整體的潤濕性。

                石巖等采用輔助工藝裝置及同軸送粉激光熔覆方法對高硬度多微孔小型零件進行激光表面熔覆鈷基合金熔覆層強化處理,研究表明: 激光熔覆處理後的閥座表面的耐油流沖蝕性能顯著增強,使用壽命提高 40%。張春華等在 316L 不銹鋼表面用激光熔覆的方法制備了鈷基合金熔覆層,研究表明,在 316L 不銹鋼表面激光熔覆鈷基合金粉末,可獲得表面平整、無裂紋,且與基體呈良好冶金結合的熔覆層。 3)


                Fe 基自熔性合金粉末 


                當基體是鑄鐵或者低碳鋼時,經常采用 Fe 基自熔性合金粉末,可以滿足要求局部耐磨損且易變形的工件; 鐵基自熔性合金的價格低廉,耐磨防腐性能可以滿足多數場合的要求,在自熔性合金粉末體系中占據了一定的地位。B 和 Si 可以改善 Fe 基合金的硬度和耐磨性等,Ni 元素的加入會使其熔覆層的開裂問題得到一定程度的解決,所以在設計 Fe 基合金自熔性粉末的時候,常常要加入這些元素以改良熔覆層的性能。周野飛等通過激光熔覆技術,制備了不同碳含量的高碳鐵基合金熔覆層,研究表明,當激光熔覆高碳鐵基合金中的碳含量由 2. 5% 增加到 4. 5% 時,其平均顯微硬度由 913. 96 HV 增大到1421. 54 HV。李美艷等在柱塞表面激光熔覆制備高硬度鐵基塗層,采用 SEM、XRD、EPMA 和 TEM等手段研究熔覆層組織特征及耐磨性,研究表明,激光熔覆鐵基塗層硬度顯著提高,維氏硬度最大值達850 GPa,約為 45 鋼的 4 倍。 


                綜合上述分析可以得出,Ni 基自熔性合金的性能優良,價格適中,因此被研究最多,應用也最為廣泛; Co 基自熔性合金粉末的性能最好,價格較高,屬於戰略性資源,被用在要求比較苛刻的耐高溫,耐腐蝕、耐磨損的惡劣工況下; Fe 基自熔性合金的性能一般,但價格低廉,便於取材,能夠滿足一般要求,在自熔性合金粉末體系中占據了一定地位。在實際的工程實踐中,要根據自己的需要合理地選擇合金體系。 


                2. 1. 2 氧化物陶瓷粉末 


                除了氧化物陶瓷粉末之外,還有矽化物陶瓷粉末,不過氧化物陶瓷粉末的應用更廣,研究也更多。通常可以將氧化物陶瓷粉末分為兩大類: 氧化鋁系列和氧化鋯系列。氧化物陶瓷粉末具備優良的耐磨損,耐腐蝕性能,還具有良好的隔熱性和抗氧化性能,在熱噴塗材料體系中占據重要地位,常被用於制備熱障塗層或高溫耐磨耐蝕塗層,也是當前備受關註的激光熔覆材料 。與氧化鋁陶瓷粉末體系相比,氧化鋯系列的抗熱震性能和熱導性更好,所以常常被用作熱障層材料的優選材料。 


                2. 1. 3 碳化物復合粉末體系 


                復合粉末主要是指以各種高熔點的化合物材料作為硬質相與金屬( 或合金) 作為粘結相混合( 或復合) 而形成的合金粉末體系。粘接相可對粉末體系的硬質相起到一定程度的保護作用,使其免受氧化或者分解,尤其是針對經預處理的碳化物復合粉末,其保護作用更為明顯,使得熔覆層表現出硬質合金的性能。復合粉末可以用激光熔覆技術在金屬基體上制備出陶瓷顆粒,將金屬的工藝性、強韌性和陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能有機的結合起來,滿足特定工況的要求,這也是當前激光熔覆領域的一個重要研究方向 。 


                2. 2 工藝種類 


                通常可以將激光熔覆的工藝分為以下兩類,即粉末預置法和同步送粉法。粉末預置法是將熔覆材料先預置在基體上,然後進行激光處理; 而同步送粉法則是在進行激光處理的時候把熔覆材料同步地送到基體材料上 。 總體而言,預置法工藝較簡單、操作較靈活,但是基體熔深不易控制、稀釋度較大,因而對預塗層粉末的厚度、粘結劑等有較高的要求。同步法對激光能量的利用較為充分、便於控制各個工藝參數、生產效率較高、熔覆層的質量更好,但要求配置能夠精確計數的送粉設備、對粉末的要求較高( 粒度,流動性等) 、且粉末的浪費程度較大[29] 。


                2. 3 工藝參數 


                激光熔覆的過程中有許多工藝參數會影響熔覆層的質量優劣,諸如激光功率、光斑直徑、激光掃描速度等。激光熔覆過程是一個極其復雜的動態過程,上述參數不僅直接影響熔覆層的質量優劣,還會在彼此之間產生相互作用、或者相互制約,共同影響著熔覆的微觀組織結構和宏觀理化性能。在科研過程中,通常通過單因子變量或者正交試驗的方法來研究上述參數對熔覆層質量的影響; 在科研過程或工程實踐中,可以通過以下三個量來完成對熔覆層質量的控制,它們包括: 功率密度( P/S) 、比能量 E( = P/Dv) 和線性輸入( P/v)[30 -31] ,但這種方法並沒有得到廣泛認可。 


                3 現存問題 


                通常從宏觀和微觀兩個角度去討論熔覆層質量的優劣: 在宏觀上,是否有明顯的裂紋、氣孔等缺陷,以及表面的平整度等; 在微觀上,是否形成致密均勻的組織,能否保證所要求的性能等。當前的激光熔覆技術由於發展的時間比較短,還存在著一系列的問題,以下是兩個比較突出的問題 。 1) 


                裂紋 


                在大面積的激光熔覆中,熔覆層易出現裂紋仍然是最棘手的問題 。熔覆層產生裂紋主要是由於各種殘余應力的存在,包括熱應力、組織應力等。 此外,當各個工藝參數以及熔覆層的材料體系的選擇不當時,都會引起熔覆層的開裂。如果要徹底解決裂紋的開裂問題,還需要從更微觀的角度入手,分析裂紋的形成機理。 2) 激光熔覆層的材料體系 制約激光熔覆技術進一步推廣應用的是激光熔覆的材料體系問題,目前缺少激光熔覆專用的材料體系。另外,對激光熔覆的熔覆層的質量評價問題,現在還沒有一個統一的標準 。現在國內外的許多高校和科研院所都已經在激光熔覆技術專用熔覆材料方面開展了研究 。當前激光熔覆的材料體系還是沿用之前的噴塗用合金粉末體系,不能滿足激光熔覆技術在工藝方面的要求,需要開發出新型的系列化的熔覆層材料體系,實現資源的優化配置 。 


                4 未來發展 。 


                雖然激光熔覆技術現在已經進入了工業應用的階段,但是由於該項技術的發展時間過短,還存在著許多需要解決的問題。以後還需要在以下幾個方面展開更加深入的研究[39 -41] : 1) 基礎理論的研究。應當從更深的基礎理論角度出發,研究激光熔覆過程中的快速凝固現象,揭示其發生相變的本質規律,進而完善相應的工藝參數。 2) 理論模型的建立。建立更加接近實際的科學理論傳輸模型,包括能量傳輸模型、動量傳輸模型以及質量傳輸模型。通過對上述模型的分析研究,在完成對熔池定性分析的基礎上對其進行定量分析,進而獲得熔池的相關信息,對熔覆過程中的相變機理做進一步分析討論。 3) 


                專用材料體系的開發和應用。開發出新的激光熔覆技術專用材料體系,完善熔覆層的評價和應用標準,從而實現激光熔覆技術的推廣應用。 4) 熔覆技術的自動化。應當將激光光學系統的設計和大功率激光器的開發結合起來,從而實現對激光熔覆設備的改進,實現大面積熔覆的問題,提高激光熔覆的效率,從而進一步推廣其應用。


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