激光熔覆技术的研究进展

激光熔覆技术的研究进展

激光覆盖是用激光束将制备的金属粉末层熔融形成的主要墓志铭。同时，金属主体的铜有一层熔融，形成了金属丝表面处理技术。这是一个复杂的物理、化学冶金过程,此过程中的工艺参数主要包括激光功率、光斑直径(或矩形光斑)、扫描速度、送粉速度(同步法)、离焦量、气流量、搭接率等,它们之间也相互作用、相互制约,共同影响着熔覆层的质量。按涂层材料的添加方式,激光熔覆的工艺方法主要有预置法和同步送粉法2种,如图1所示。预置法是将要涂覆的材料通过喷涂或粘接等方法预置于基体表面,然后经激光束辐射进行重熔;同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上,涂层一次性成型。前者工艺简单、操作灵活,但不易控制基体熔深,稀释度大;后者可以充分利用激光能量,工艺参数易控制,覆层质量较好,生产效率高,但需配置计数精确的送粉装备,对粉末也有特殊要求,如粒度、流动性等,另外,粉末浪费量较大,与喷涂相当。从总体上来看,同步送粉法是今后激光熔覆工艺的发展趋势。激光熔覆技术具有如下工艺特点:①由于激光具有近似绝热的快速加热过程,激光熔覆对基体的热影响较小,引起的变形也小,因而引起的零件报废率也很低;②控制激光的输入能量,可以将基体材料的稀释降到较低的程度,从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下,又保持原选定的熔覆材料的优异性能,;③适用范围广,理论上几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。正是由于这些特点,才使得激光熔覆技术近10年来在材料表面改性方面受到了广泛的关注。1激光熔覆技术的国内外研究1.1国内外激光熔覆技术现状“工欲善其事,必先利其器”,激光熔覆技术的发展也不例外。目前,激光器主要有3种:CO2气体激光器、YAG固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔覆的激光器主要有2种:一种是输出功率为0.5～10kW的CO2气体激光器,另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面强化的激光器多为CO2大功率激光器。近年来,华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作,如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500～10000W大功率CO2气体激光器、100～500W固体激光器等系列激光产品,中科院则开发出集成化激光智能加工系统,清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。伴随着计算机技术的不断发展和进步,激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进。国外在这方面起步较早。自1974年Gnanamuthu申请了一项利用激光熔覆法在金属基体上熔覆一层金属的专利之后,美国AVCO和METCO公司都做了大量基础研究工作。2005年,Grunewald等设计了一种新的送粉系统,配套测量装置可反馈信息,从而能够保证整个处理过程供给速度恒定。由于其高度集成且质量较轻,整个供给装置可安装在激光工作头上。为了实现全方位送粉,J.Lin等设计出一种最新的喷嘴装置,粉末材料、气体与激光束一起,三者同轴射入移动基体形成熔池,粉末利用率可达40%,比以往有较大的提高。1.2金属陶瓷复合涂层激光束由于具有较高的能量密度,不仅可以熔覆金属和合金涂层,而且还可以熔覆陶瓷等一些高熔点难熔涂层。目前,应用于激光熔覆的材料大多沿用的是喷涂用粉末状材料,如金属、合金和陶瓷等,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、CoCr-W、MCrAlY(M:Co、Ni、Fe)、Fe基、Ni基、Co基自熔合金等;陶瓷粉末有Al2O3、ZrO2、Cr203、TiO2等氧化物陶瓷粉末,WC、TiC、Cr3C2等碳化物陶瓷粉末,WC-Co、Cr3C2-NiCr等金属陶瓷粉末。但随着近年来复合材料的兴起,激光熔覆用材料逐渐由单一的喷涂用纯金属粉末、合金粉末和陶瓷粉末等逐渐向复合材料转变,如合金+陶瓷等。M.Alhammad等在Ti-6Al-4V合金上使用Nd:YAG激光器以不同的扫描速度沉积了一层Ti-Si化合物;KnutPartes等在耐盐酸镍基合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温涂层;渠通洋等在不锈钢基材上通过激光合成Ni-Cr-Al-Co-X(X=Mo、W、Nb、Ti、C、B)+TiC粉末制备了TiC陶瓷颗粒增强Ni-Al基高温耐磨复合材料涂层,试验证明该涂层具有良好的高温稳定性;王华昌等在指定的W6Mo5Cr4V2基体上激光熔覆金属陶瓷Ni60/Ni-Cr-Cr3C2涂层,该涂层组织具有晶粒细小、硬度较高等优良性能。此外,随着表面科学技术的迅速发展,在激光熔覆层中添加稀土材料对提高熔覆层的性能有着重要意义。汪新衡等用CO2横流激光器在45钢基体表面熔覆稀土氧化物(Ce02)镍基TiC金属陶瓷复合层。试验结果表明,加入适量的稀土氧化物CeO2(0.6%)可以有效地减少复合层中的裂纹、孔洞和夹杂物,促进晶粒细化,提高熔覆层的组织均匀性及表面硬度,并且可明显改善熔覆复合层的耐磨及耐蚀性能。1.3工件表面改性激光熔覆技术作为一种新兴的表面改性技术,其涂层不仅极大地提高了工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和耐疲劳等力学性能,而且也延长了材料的使用寿命,尤其在废品件维修处理方面的应用具有不可估量的价值,目前已被广泛应用于军事、航空、石油、化工和医疗器械等诸多领域。1.3.1激光熔覆原位合成其他金属基复合涂层JanneNurminen等通过激光熔覆得到了具有耐磨性的金属基复合材料(MMC)涂层,该涂层包含V、W、Ti和Cr3C2硬质相,这些硬质相与金属工具钢、Stellite21、NiCrB-Si和Inconel625合金混合在一起,具有优良的耐磨性,其主要原因就在于金属基内共存着大量、各种各样的碳化物。晁明举等在低碳钢板上使用Ni60合金+(Ta2O5+C)混合粉末材料,采用激光熔覆原位合成了颗粒增强镍基复合镀层,该涂层与基体形成冶金结合,并具有同种均质细小的微观结构,包含近似的立方TaC晶粒和均匀分布的碳化铬,这些碳化铬与γ-Ni固溶体以弥散共晶的形式存在,通过对比发现,TaC/Ni60涂层较Ni60涂层具有更高的耐磨性。为了提高AZ91D镁合金的耐磨性,YangY等使用Nd:YAG激光器在其表面熔覆了一层Al-Si合金粉末,通过选择适当的工艺参数和Al、Si的比例得到了无微裂纹、无气孔的优质涂层,该涂层的主要相为Mg2Si和Mg17Al12,表面硬度由35HV提高到170HV,耐磨性与基体相比提高了4倍多。GuoBaogang等通过激光熔覆与激光渗氮在Ti上原位合成了TiN/Ti3Al金属基复合涂层。研究表明,TiN/Ti3Al金属基复合涂层比Ti3Al的硬度高,这是由于TiN相较多,通过摩擦磨损试验发现,TiN/Ti3Al涂层的耐磨性能要明显优于纯Ti和Ti3Al涂层。GonzalezR等研究了火焰喷涂+火焰重熔NiCrBSi涂层和火焰喷涂+激光重熔NiCrBSi涂层的磨损性能,通过磨损试验精确测定了2种涂层的磨损率,发现2种涂层的摩擦性能没有明显差异。高载荷磨损条件下,表层氧化物破坏加剧,此时磨损机制为粘着;低速磨损条件下,在表面形成氧化物致使磨损率降低,此时主要的磨损机制为氧化。1.3.2金属间互作用传统的耐腐蚀涂层主要有用于钢铁结构表面耐腐蚀防护的热喷涂铝、锌、锌铝、稀土铝与铝镁合金等涂层。国内外的研究及大量应用表明,这是最有效和最经济的防护方法。P.Volovitch等在ZE41镁合金上通过激光熔覆了Al-Si合金涂层,研究表明,该涂层是由Al-Mg金属间化合物与Mg2Si树枝状沉淀物组成,Mg固溶于A1中或形成Mg17-Al12金属间相,通过热处理或优化激光工艺参数而使微观组织均匀化,以达到提高其耐蚀性能的目的。张家锋等通过微弧氧化和无铬化学氧化等表面处理方法,浸泡腐蚀和电化学腐蚀等分析方法,研究对比了不同表面处理工艺下压铸镁合金涂层的抗腐蚀性能。XRD分析表明,这2种处理方法得到的覆盖层中主体相均为Mg3Al2Si3012等含硅的尖晶石型氧化物和Mg0.36Al24404、MgAl204等不含硅的镁铝复合氧化物,有利于提高镁合金的耐蚀性能。匡建新等采用最大输出功率为5kW的横流CO2激光器在45钢基材表面熔覆Ni60+70%镍包WC合金粉末,结果表明,添加适量CeO2的激光熔覆层的耐腐蚀能力比不含CeO2的激光熔覆层要高,且显著优于OCr18Ni9不锈钢。1.3.3纳米金属薄膜层KnutPartes等在哈氏合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温氧化涂层,置于空气氧化炉(1100℃,450h)中进行试验。通过测试表明,氧化膜分为内、外两层,内层为混合尖晶石型氧化物,外层为氧化铝连续层。该涂层之所以耐高温氧化,是因为在涂层表面形成了连续的氧化铝膜层,阻止了空气向基体的扩散。ShengW等在AISI304不锈钢上通过激光熔覆了Ni-Ti-Si三元金属硅化物涂层,该涂层包含Ni16Ti6Si7树枝状组织和枝晶间的Fe-Ni基γ-固溶体,在高温和金属干滑动磨损条件下具有良好的磨损性能。王东生等研究了TiAl合金表面双层辉光离子渗Cr层、等离子喷涂以及激光重熔MCrAlY涂层在850℃的循环氧化行为。结果表明,渗Cr层组织均匀、致密,且与TiAl合金基体为梯度冶金结合;经过激光重熔处理后,等离子喷涂MCrAlY层的片层状组织得以消失,致密性提高;几种涂层均不同程度地提高了TiAl合金的抗高温氧化性能,其中渗Cr层在氧化初期表现出较好的抗氧化性能,但在长期循环氧化过程中存在局部氧化层剥落现象;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。1.3.4梯度磷酸钙生物陶瓷涂层通过激光熔覆不仅可以获得耐磨、耐蚀和耐高温等防护性涂层,而且还可以获得一些功能涂层,如生物陶瓷涂层、功能梯度涂层等。ZhengMin等为了在金属植入物和骨组织之间建立生物活性界面,在Ti合金(Ti-6Al-4V)上激光熔覆了一层梯度磷酸钙生物陶瓷涂层。YueTM等在Mg上激光熔覆Ni/Cu/Al功能梯度涂层,以此来提高Mg的耐蚀性能和耐磨性能。1.4在其他领域的应用进入20世纪80年代以来,激光熔覆技术得到了迅速的发展,目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践中的需要,激光熔覆技术在工业化前进道路上迈出了巨大的一步,其应用领域非常宽广,可应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。利用激光熔覆来修复零件已获得了广泛的应用。早在1983年英国的Rolls-Royce公司将激光熔覆应用于RB211型燃气轮叶片连锁肩的修复;日本的尼桑公司在铝基发动机叶片上成功地熔覆铜基合金;Aihua等采用Ni基和Co基合金粉末,对内燃发动机排气阀密封面进行激光熔覆,代替等离子喷涂和真空感应熔焊涂层工艺,不仅避免了涂层中的孔洞与微裂纹,而且获得了比常规等离子喷涂和真空感应熔焊层更高的显微硬度;ChangJeny-Ming等在Cu上熔覆Ag作为电接触材料,既可以节约大量的贵金属,也可消除原工艺中的有毒化学电镀物质,从而大大改善生产环境;重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺来制备生物陶瓷的基础上,在比强度高、耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光一步合成和涂覆含Ca5(PO4)3-OH羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。2涂层缺陷引发的损伤如上所述,通过合适的工艺方法在不同基体材料熔覆一层具有特殊性能的涂层,可以极大地改善基体材料的性能,尤其是提高硬度、耐磨性、耐蚀性等性能。目前,激光熔覆技术之所以尚未在工业生产中获得大规模的应用,主要是因为在激光熔覆过程中仍然存在一些问题尚未彻底解决。(1)熔覆层的裂纹、剥落以及工件变形问题。裂纹是大面积激光熔覆过程中最为棘手的问题。熔覆层中的残余应力是造成开裂的主要原因,包括热应力、组织应力和约束应力。由于激光的能量密度集中,使得涂层完全熔化而基体表面微熔,熔覆层和基体之间存在极大的温度梯度。随着激光束与工件的相对移动,在凝固过程中,由于异种材料性能的差异,形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成涂层与基体收缩不一致,熔覆层受到周围环境的约束,在涂层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹,如图2所示(未预热,V=720mm/min)。王东生等就V2O5对NiCrBSiC涂层的裂纹敏感性进行了深层次的研究,结果发现,V2O5的加入对裂纹的减少确实起到了明显的效果。这是由于V2O5的加入使涂层中优先形成了钒硼化合物,这些钒硼化合物的产生对形成均匀分布的树枝状组织有利,正是这树枝状组织抑制了铬碳化合物的产生。剥落是由于结合强度不够高,涂层与基体未形成良好的冶金结合,在强大的载荷下,材料表层容易疲劳而与基体分离。只要选择合适的工艺参数与工艺方法,就能使激光熔覆层完全熔化,与基体之间达到冶金结合,此时结合强度很高,一般不会发生脱落。工件的变形也是激光熔覆技术的一大难题。由于激光束的能量极高并且集中,在熔覆过程中工件极易产生变形,因此,它不适合大型件、薄壁件的表面熔覆,一般在条件允许的情况下尽可能采用低功率熔覆,这样也可以节约能量,提高效率。(2)熔覆层材料未形成完整体系的问题。涂层与基材的结合效果主要取决于熔覆层材料和基体材料的性质,如熔覆层材料与基材的熔点差异过大,就很难形成良好的冶金结合。2种材料的性质直接制约着熔覆层的质量,当然,熔覆层的质量还与激光熔覆的工艺参数等要素密切相关。因此,必须采用相对基体材料具有良好润湿性及适当熔点的表面合金,使其系统化、理论化、实践化,只有这样,熔覆层质量才能达到预期的效果。(3)铝、镁等轻质金属合金的激光熔覆层质量问题。由于铝、镁等是熔点较低的轻金属材料,如果功率密度过大,基底材料表面熔深就会较大,使涂层的稀释度也较大。而且,由于铝与氧的亲和力很大,所以常温下铝合金在空气中极易被氧化,在其表面产生一层致密的氧化膜A1203,该A1203氧化膜的熔点较高,在激光熔覆过程中的熔池内很难熔化,且密度比率大,在成型过程中很难上浮,易在界面上形成气孔,影响熔覆层的质量,如图3所示(P=2.5kW,V=5mm/s,Q=20L/min)。3对表面改性技术的建议随着计算机技术的不断发展以及科技的不断进步,激光熔覆技术具有更为广阔的发展前景。(1)应进行更深层次的基础