激光熔覆陶瓷增强金属基复合课件

激光熔覆陶瓷增强金属基复合涂层研究现状激光熔覆陶瓷增强金属基复合涂层研究现状研究意义：陶瓷颗粒增强金属基复合涂层既具有陶瓷材料的高硬度、耐高温、耐腐蚀同时也具有金属材料的高韧性、高强度及高弹性模量等优良的力学性能。激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基复合涂层可减少金属零部件表面的磨损和腐蚀破坏，有效的提高金属零部件的使用寿命和安全可靠性。激光熔覆冷却速度快，因此其熔覆层组织晶粒细小；在熔覆过程中激光束对熔融材料产生强烈搅拌，杂质和气泡等能够浮出熔融材料，因此能够形成成分均匀、完全致密无缺陷的涂层。此外，激光熔覆层还具有表面光洁度高、摩擦系数小的特点。研究意义：陶瓷颗粒增强金属基复合涂层既具有陶瓷材料的高硬度、2激光熔覆技术(Lasercladding)激光熔覆是通过在基材表面添加材料，并利用高能密度的激光束,使材料与基材表面薄层一起熔化、凝固，最终在基层表面形成冶金结合的添加层的工艺方法。在激光熔覆过程中，激光加热工件表面，导致表面薄层金属熔化，与被送入的粉末一起形成金属熔池。随着激光扫描运动的持续，熔池不断向前移动，已扫描区域的液态金属冷却凝固，进而形成熔覆带。激光熔覆技术(Lasercladding)激光熔覆是通过在3激光熔覆作为一种表面改性工艺，在普通材料的零件表面涂覆一层具有特殊性能的材料，改善零件表面的耐磨、耐腐蚀等性能，相对传统表面改性工艺，具有多方面的优越性。（1）可以实现对涂层的精确自动化控制，涂层的厚度变化范围宽，可以从0.1毫米到几个厘米。（2）与基体产生冶金结合。（3）对基体的热影响小。（4）涂层材料的选择范围宽，可以使用各种金属、陶瓷和金属+陶瓷复合材料。激光熔覆作为一种表面改性工艺，在普通材料的零件表面涂覆一层具4激光熔覆材料基体材料熔覆材料金属粉末陶瓷粉末复合粉末碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金（钛合金，由于化学活性高，会和很多元素形成陶瓷相或金属间化合物）激光熔覆材料基体材料熔覆材料金属粉末陶瓷粉末复合粉末碳钢、不5激光熔覆材料金属粉末：常用的纯金属粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等

合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、Co-Cr-W、MCrAlY(M：Co，Ni，Fe)、自熔性合金等自熔性合金粉末中含有硅和硼，能够显著降低合金熔点，增加液态金属的流动性和对基体的润湿性，可以极大地提高熔覆层的质量。按照自熔性合金粉末主要基体成分不同，可以分为铁基、镍基和钴基合金。

（其中镍基自熔性合金性价比最高，研究和应用的范围最广）激光熔覆材料金属粉末：6激光熔覆材料陶瓷材料：激光熔覆陶瓷材料可以分为两类：纯陶瓷材料和复合陶瓷材料。纯陶瓷材料：Al2O3、Al2O3-13％TiO2、Al2O3／CaF2、ZrO2等多种材料。纯陶瓷材料和金属基体的热膨胀系数差别大，而且本身硬度高、脆性大，熔覆后容易产生裂纹，发生剥落，影响使用寿命。更广泛使用的还是复合粉末熔覆。激光熔覆材料陶瓷材料：7激光熔覆材料复合材料:复合粉末是指将单一金属或合金粉末与高熔点陶瓷粉末按照一定比例混合。在激光熔覆过程中，金属或合金粉末充当粘结相，而陶瓷粉末充当硬质相，生成包覆型或非完全包覆型的熔覆层。通常使用的是自熔性合金，在其中加入碳化物(WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)，氧化物(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)，氮化物(TiN、Si3N4等)，硼化物，硅化物等。复合粉末熔覆层致密无缺陷，既有金属的韧性，又有陶瓷材料的耐磨损、耐腐蚀以及抗氧化的特性，常称为金属陶瓷，是激光熔覆中应用最广泛的材料。激光熔覆材料复合材料:8激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒工业生产中常采用镍基自熔合金粉末中加入WC、TiC、SiC、B4C等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒，由于激光熔覆后形成复合涂层中M7C3、M23C6等自由碳化物强硬化的合金基体与极硬的主体硬质相匹配，熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高。碳化钨是工业应用中最常加入的耐磨颗粒。激光熔覆过程中，在WC颗粒与其周围合金之间发生了分解、溶解反应，熔覆层组织的主要组成为未熔WC颗粒相、枝晶固溶体、碳化物及其包裹的共晶组织等组成。激光熔覆涂层中，由于WC硬质相的出现，涂层能防止严重的粘着磨损和磨料磨损，提高涂层的磨粒磨损性能和耐冲蚀腐蚀磨损性能。激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒9激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒法工艺简单，但是熔覆过程容易造成烧损、分解等，导致涂层中增强相的损失；另外在加工过程中增强颗粒也容易受到污染，使得增强相与基体间润湿性差，界面结合差，从而损害复合涂层的力学性能。激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒法工艺简单，但是熔覆过程10激光熔覆碳化物增强涂层原位自生碳化物激光熔覆原位自生工艺制备的陶瓷复合颗粒增强相是原位形核、长大的稳定相，因此增强体表面干净清洁，熔覆层与基体结合强度高；且通过选择单质或者化合物的成分类型及反应特性，可制备出不同种类、大小和数量的陶瓷增强相；陶瓷颗粒增强相最先形核析出，有利于促使其它颗粒增强体依附其生长；在保证基体材料具有良好的延展性、高硬度和抗高温性能的同时，又大大改善了基体材料的强度和弹性模量。国外采用Cr3C2、BN、TiC、B4C等材料与Ti基体反应，原位生成TiB、TiB、TiC、TiN等硬质相。国内也有不少材料工作者进行了这方面的研究，所采用的反应原料不同，原位生成的陶瓷强化相以TiC和TiB为主。激光熔覆碳化物增强涂层原位自生碳化物11激光熔覆氧化物增强涂层在自熔性合金激光熔覆时加人稀土或稀土氧化物，可显著改善熔覆层的组织，提高熔覆层的性能。适量的稀土氧化物La2O3（氧化镧）可明显提高镍基TiC金属陶瓷复合层的耐磨性和耐蚀性。添加CeO2（氧化铈）后的镍基金属陶瓷复合层耐硫酸腐蚀能力增强。La2O3加入到激光熔覆铁基合金涂层后，细化了晶粒，净化晶界，减小了二次枝晶间距，组织趋于均匀，提高了熔覆层的硬度和耐腐蚀能力，改善了熔覆层的摩擦磨损性能。钇加入激光熔覆原料中生成的氧化钇改变了涂层的显微组织和力学性能，添加钇后，防止了碳原子渗入到基体金属中，增加了涂层中的TiC相，涂层的断裂韧性和硬度都得到了提升。激光熔覆氧化物增强涂层在自熔性合金激光熔覆时加人稀土或稀土氧12激光熔覆氧化物增强涂层纳米颗粒加入金属熔覆层后可以细化熔覆层组织，使得涂层界面处的结晶形态发生变化，同时有效抑制近界面处基体的裂纹等缺陷。

(添加纳米CeO2，能显著抑制结晶和晶体生长；纳米Al203颗粒、纳米TiC)激光熔覆氧化物增强涂层纳米颗粒加入金属熔覆层后可以细化熔覆层13激光熔覆硅化物增强涂层过渡金属硅化物合金特别是W2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Mo2Ni3Si和Co3Mo2Si等具有拓扑密堆(TCP)hp12MgZn2型Laves相晶体结构的三元金属硅化物合金由于其固有的高硬度、反常的硬度-温度关系使其具有优异的耐磨料磨损性能由于其以共价键为主的原子间强键结合特征，使其具有优异的抗粘着磨损性能和较低的摩擦系数可望成为一种很有前途的在高温和腐蚀工况下工作的新型耐磨材料。激光熔覆硅化物增强涂层过渡金属硅化物合金14激光熔覆硅化物增强涂层研究表明MoNiSi和Co3MoSi增强相的摩擦磨损特性和高韧塑性固溶体基体使得涂层具有优良耐磨损性能；而高含量的Cr、Si及Laves相的高温稳定性保证了激光熔覆涂层具有优良抗氧化性能和耐腐蚀性能。然而硅化物严重的中低温脆性一直是其走向实际应用的主要障碍，通过合金化方法在单相金属间化合物组织中引人适量的韧性第二相，是改善过渡金属硅化物韧性的有效方法之一。激光熔覆硅化物增强涂层研究表明MoNiSi和Co3MoSi增15参考文献刘建明,杨素媛,于月光.激光熔覆技术研究进展[J].有色金属,2008,(4):13-16励达,刘爱国.激光熔覆技术研究进展分析[J].焊接,2014,(9):11-14张杰.激光熔覆技术专利分析[J].科技视界,2012,(6):334-335刘全民.激光熔覆陶瓷增强金属基复合涂层研究现状[J].热喷涂技术,2014,6(2):1-5周思华,刘艳花.金属表面激光熔覆处理技术的研究[J].周口师范学院学报,2013,30(5):60-63刘继常.激光熔覆工艺理论与试验研究[J].电加工与模具,2014,(4):46-53赵国宏.零部件的激光熔覆强化技术[J].昆钢科技,2014,(1):45-51冯淑容,张述泉,王华明.钛合金激光熔覆硬质颗粒增强金属间化合物复合涂层耐磨性[J].中国激光,2012,39(2):3-6参考文献刘建明,杨素媛,于月光.激光熔覆技术研究进展[16注释：拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是四面体间隙的复杂结构。其空间利用率及配位数均很高，由于具有拓扑学的特点，故称之为拓扑密堆相，。拓扑密堆相的种类很多，已经发现的有：

（1）Laves相（MgCu2、MgNi2等）

（2）σ相（FeCr、FeV、FeMo等）

（3）μ相（Fe7W6等）

（4）Cr3Si型

（5）R相（Cr18Mo31Co51）

（6）P相（Ni40Cr18Mo42）注释：拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是17谢谢！谢谢！18激光熔覆陶瓷增强金属基复合涂层研究现状激光熔覆陶瓷增强金属基复合涂层研究现状研究意义：陶瓷颗粒增强金属基复合涂层既具有陶瓷材料的高硬度、耐高温、耐腐蚀同时也具有金属材料的高韧性、高强度及高弹性模量等优良的力学性能。激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基复合涂层可减少金属零部件表面的磨损和腐蚀破坏，有效的提高金属零部件的使用寿命和安全可靠性。激光熔覆冷却速度快，因此其熔覆层组织晶粒细小；在熔覆过程中激光束对熔融材料产生强烈搅拌，杂质和气泡等能够浮出熔融材料，因此能够形成成分均匀、完全致密无缺陷的涂层。此外，激光熔覆层还具有表面光洁度高、摩擦系数小的特点。研究意义：陶瓷颗粒增强金属基复合涂层既具有陶瓷材料的高硬度、20激光熔覆技术(Lasercladding)激光熔覆是通过在基材表面添加材料，并利用高能密度的激光束,使材料与基材表面薄层一起熔化、凝固，最终在基层表面形成冶金结合的添加层的工艺方法。在激光熔覆过程中，激光加热工件表面，导致表面薄层金属熔化，与被送入的粉末一起形成金属熔池。随着激光扫描运动的持续，熔池不断向前移动，已扫描区域的液态金属冷却凝固，进而形成熔覆带。激光熔覆技术(Lasercladding)激光熔覆是通过在21激光熔覆作为一种表面改性工艺，在普通材料的零件表面涂覆一层具有特殊性能的材料，改善零件表面的耐磨、耐腐蚀等性能，相对传统表面改性工艺，具有多方面的优越性。（1）可以实现对涂层的精确自动化控制，涂层的厚度变化范围宽，可以从0.1毫米到几个厘米。（2）与基体产生冶金结合。（3）对基体的热影响小。（4）涂层材料的选择范围宽，可以使用各种金属、陶瓷和金属+陶瓷复合材料。激光熔覆作为一种表面改性工艺，在普通材料的零件表面涂覆一层具22激光熔覆材料基体材料熔覆材料金属粉末陶瓷粉末复合粉末碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金（钛合金，由于化学活性高，会和很多元素形成陶瓷相或金属间化合物）激光熔覆材料基体材料熔覆材料金属粉末陶瓷粉末复合粉末碳钢、不23激光熔覆材料金属粉末：常用的纯金属粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等

合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、Co-Cr-W、MCrAlY(M：Co，Ni，Fe)、自熔性合金等自熔性合金粉末中含有硅和硼，能够显著降低合金熔点，增加液态金属的流动性和对基体的润湿性，可以极大地提高熔覆层的质量。按照自熔性合金粉末主要基体成分不同，可以分为铁基、镍基和钴基合金。

（其中镍基自熔性合金性价比最高，研究和应用的范围最广）激光熔覆材料金属粉末：24激光熔覆材料陶瓷材料：激光熔覆陶瓷材料可以分为两类：纯陶瓷材料和复合陶瓷材料。纯陶瓷材料：Al2O3、Al2O3-13％TiO2、Al2O3／CaF2、ZrO2等多种材料。纯陶瓷材料和金属基体的热膨胀系数差别大，而且本身硬度高、脆性大，熔覆后容易产生裂纹，发生剥落，影响使用寿命。更广泛使用的还是复合粉末熔覆。激光熔覆材料陶瓷材料：25激光熔覆材料复合材料:复合粉末是指将单一金属或合金粉末与高熔点陶瓷粉末按照一定比例混合。在激光熔覆过程中，金属或合金粉末充当粘结相，而陶瓷粉末充当硬质相，生成包覆型或非完全包覆型的熔覆层。通常使用的是自熔性合金，在其中加入碳化物(WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)，氧化物(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)，氮化物(TiN、Si3N4等)，硼化物，硅化物等。复合粉末熔覆层致密无缺陷，既有金属的韧性，又有陶瓷材料的耐磨损、耐腐蚀以及抗氧化的特性，常称为金属陶瓷，是激光熔覆中应用最广泛的材料。激光熔覆材料复合材料:26激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒工业生产中常采用镍基自熔合金粉末中加入WC、TiC、SiC、B4C等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒，由于激光熔覆后形成复合涂层中M7C3、M23C6等自由碳化物强硬化的合金基体与极硬的主体硬质相匹配，熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高。碳化钨是工业应用中最常加入的耐磨颗粒。激光熔覆过程中，在WC颗粒与其周围合金之间发生了分解、溶解反应，熔覆层组织的主要组成为未熔WC颗粒相、枝晶固溶体、碳化物及其包裹的共晶组织等组成。激光熔覆涂层中，由于WC硬质相的出现，涂层能防止严重的粘着磨损和磨料磨损，提高涂层的磨粒磨损性能和耐冲蚀腐蚀磨损性能。激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒27激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒法工艺简单，但是熔覆过程容易造成烧损、分解等，导致涂层中增强相的损失；另外在加工过程中增强颗粒也容易受到污染，使得增强相与基体间润湿性差，界面结合差，从而损害复合涂层的力学性能。激光熔覆碳化物增强涂层外加碳化物颗粒法工艺简单，但是熔覆过程28激光熔覆碳化物增强涂层原位自生碳化物激光熔覆原位自生工艺制备的陶瓷复合颗粒增强相是原位形核、长大的稳定相，因此增强体表面干净清洁，熔覆层与基体结合强度高；且通过选择单质或者化合物的成分类型及反应特性，可制备出不同种类、大小和数量的陶瓷增强相；陶瓷颗粒增强相最先形核析出，有利于促使其它颗粒增强体依附其生长；在保证基体材料具有良好的延展性、高硬度和抗高温性能的同时，又大大改善了基体材料的强度和弹性模量。国外采用Cr3C2、BN、TiC、B4C等材料与Ti基体反应，原位生成TiB、TiB、TiC、TiN等硬质相。国内也有不少材料工作者进行了这方面的研究，所采用的反应原料不同，原位生成的陶瓷强化相以TiC和TiB为主。激光熔覆碳化物增强涂层原位自生碳化物29激光熔覆氧化物增强涂层在自熔性合金激光熔覆时加人稀土或稀土氧化物，可显著改善熔覆层的组织，提高熔覆层的性能。适量的稀土氧化物La2O3（氧化镧）可明显提高镍基TiC金属陶瓷复合层的耐磨性和耐蚀性。添加CeO2（氧化铈）后的镍基金属陶瓷复合层耐硫酸腐蚀能力增强。La2O3加入到激光熔覆铁基合金涂层后，细化了晶粒，净化晶界，减小了二次枝晶间距，组织趋于均匀，提高了熔覆层的硬度和耐腐蚀能力，改善了熔覆层的摩擦磨损性能。钇加入激光熔覆原料中生成的氧化钇改变了涂层的显微组织和力学性能，添加钇后，防止了碳原子渗入到基体金属中，增加了涂层中的TiC相，涂层的断裂韧性和硬度都得到了提升。激光熔覆氧化物增强涂层在自熔性合金激光熔覆时加人稀土或稀土氧30激光熔覆氧化物增强涂层纳米颗粒加入金属熔覆层后可以细化熔覆层组织，使得涂层界面处的结晶形态发生变化，同时有效抑制近界面处基体的裂纹等缺陷。

(添加纳米CeO2，能显著抑制结晶和晶体生长；纳米Al203颗粒、纳米TiC)激光熔覆氧化物增强涂层纳米颗粒加入金属熔覆层后可以细化熔覆层31激光熔覆硅化物增强涂层过渡金属硅化物合金特别是W2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Mo2Ni3Si和Co3Mo2Si等具有拓扑密堆(TCP)hp12MgZn2型Laves相晶体结构的三元金属硅化物合金由于其固有的高硬度、反常的硬度-温度关系使其具有优异的耐磨料磨损性能由于其以共价键为主的原子间强键结合特征，使其具有优异的抗粘着磨损性能和较低的摩擦系数可望成为一种很有前途的在高温和腐蚀工况下工作的新型耐磨材料。激光熔覆硅化物增强涂层过渡金属硅化物合金32激光熔覆硅化物增强涂层研究表明MoNiSi和Co3MoSi增强相的摩擦磨损特性和高韧塑性固溶体基体使得涂层具有优良耐磨损性能；而高含量的Cr、Si及Laves相的高温稳定性保证了激光熔覆涂层具有优良抗氧化性能和耐腐蚀性能。然而硅化物严重的中低温脆性一直是其走向实际应