激光熔覆技术的发展

激光熔覆技术的发展

1等离子熔覆法表面焊接技术是堆焊技术的延伸。通过合理的工艺，在尽可能低的稀释率下，焊接材料的融化，形成金属丝，并获得具有良好性能的表面焊接层。表面熔覆技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势,可以根据零部件的不同需求,以较低的成本在材料表层制备出满足高耐磨性要求的、以陶瓷颗粒为增强相的复合材料,既能充分发挥基体材料的强韧性优势,又能在表面获得极高的耐磨性,并且耐磨层和基体为冶金结合,从而使整体性能获得大幅度提高。表面熔覆方法很多,如激光熔覆、等离子熔覆、感应熔覆、氧乙炔熔覆以及氩弧熔覆等。其中激光熔覆始于20世纪70年代,该工艺可获得较厚的涂覆层,易实现选区熔覆,且热变形小,覆层成分及稀释率可控。但也有其显著缺点:如设备昂贵,投资较高;熔覆前的准备工作量大,工艺条件复杂;对工件和工艺要求高,成本高,不易在施工现场操作,生产环境要求高等。另外适用于激光熔覆的材料的范围有限,目前大部分是沿用热喷涂材料,不能充分发挥激光处理的特性。目前,激光熔覆基本停留在试验研究阶段。等离子熔覆技术是以联合型或转移型等离子弧为热源,熔化焊丝或者合金粉末作为填充金属来制备熔敷层。与其他方法相比,等离子弧弧柱稳定,温度高,热量集中,规范参数可调性好,熔敷效率高,可通过参数调节获得熔深浅而熔宽宽的熔敷层,符合表面工程的基本要求,但其缺点是设备成本高、噪音大、紫外线强,产生臭氧污染,不符合可持续发展的先进加工技术要求。热喷涂法是通过火焰、电弧或等离子体等热源,将某种线材或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态,并加速形成高速熔滴喷向基体,形成涂层,从而对材料表面性能等进行强化或再生,起到保护作用。热喷涂法有许多优点:可供喷涂的材料很多,如陶瓷、金属、塑料、玻璃及混合物,也可以将不同的材料组成的涂层重叠,形成复合涂层;用被喷涂的构件尺寸不受限制;可自由选择涂层厚度;如采用高温火焰喷射,对被喷涂构件的热影响和热变形小。喷涂设备简单,可直接将设备搬至现场喷涂,操作工序少,效率高,涂层形成速度快。但喷涂法涂层与基体的结合强度不高(30~50MPa),而且局部高温容易使材料的微观结构变化而影响涂层性能,而且作业环境差,粉尘污染严重,喷涂材料利用率低。而氩弧熔覆技术相对于以上几种熔覆技术而言,具有其独有的特点。2弧熔覆技术近年来,随着氩弧焊接工艺的研究开发,给电弧热源用于熔覆带来了新的生机。氩弧熔覆不同于激光熔覆、氧-乙炔火焰熔覆、等离子熔覆和感应熔覆等表面熔覆技术,氩弧热量集中,能量密度介于自由电弧和压缩弧之间,而且一般实行手工操作,灵活性高。采用氩弧熔覆制备的涂层在加热冷却过程中无氧化烧损现象。氩弧熔覆技术同样可以有效地提高熔覆材料的表面硬度,改善材料表面耐磨性,而且具有投资和运行费用低、操作方便、结合牢固等优点。氩弧熔覆主要有合金焊丝氩弧直接熔入法、预涂合金粉末氩弧直接熔入法和合金元素间接熔入法。氩弧熔覆有较多优点:熔池在氩气的保护作用下,合金元素烧损很少,因而是一种主要的熔覆方法,此方法不仅可使表面强化而且能得到较大的熔深。熔覆时,电极和电弧区及熔化金属都处于氩气保护中,隔离了空气对熔化金属的有害作用,减少了熔池中合金元素的烧损和氧化损失;同时其设备价格较为低廉且操作方便,使得氩弧熔覆表面强化技术易于普及。而且氩弧熔覆对一些激光熔覆难以实现的大件,如高压阀阀座等、基体形状复杂、野外作业的现场熔覆等可望采用氩弧热源进行熔覆。氩弧熔覆技术是一种实用性很强的表面强化技术,目前在生产中已得到应用。3涂层的显微硬度和相对耐磨性王旭将不同比例的Ni35B和SiC粉涂覆于Q235钢基体上,然后采用氩弧进行熔覆。结果表明,工艺相同的条件下,组织结构随成分变化而变化,SiC含量从高到低变化过程中,熔覆层显微组织逐渐细化,加入SiC的合理比例为70%。熔覆层组织形态主要是枝晶和网状或球状合金化合物。熔覆层表面硬度达55HRC,断面显微硬度1050HV,熔覆层中只有γ-Ni(Me)、Ni5Si2、Ni3Si等相。唐琳琳等利用正交试验法,经方差分析优化合金粉末配比,采用钨极氩弧熔敷法制备了Fe基熔敷层。熔敷材料为工业用钛铁、钒铁粉、铬铁粉和石墨,将不同配比的合金粉末与一定量的水玻璃混合,涂覆于经过预处理的Q235钢基体上。经金相显微镜,硬度测试表明:熔敷层中原位形成的颗粒尺寸细小,均匀弥散地分布在Fe基体中。所得涂层与基体不是机械结合,而是呈良好的冶金结合,且无气孔和裂纹等缺陷。同时最高硬度值可达780HV左右,约为基体的4倍。杨皓宇等采用氩弧熔覆技术,在45钢表面制备出WC颗粒增强的耐磨复合涂层。XRD结果表明,熔覆层组织呈现出垂直于结合界面逆热扩散方向的特点,具有典型的定向凝固特征,熔覆层底部枝晶向基体延伸。部分WC颗粒弥散于熔覆层,熔覆层的显微硬度分布呈梯度变化,表层最高可达1277.1HV0.1,过渡区硬度也高于基体,熔覆层的耐磨性大约是基体(45钢)的6倍。王永东等采用胶水将钼粉、硅粉的混合粉末调成糊状涂覆于Q235钢基体上,经100℃×2h烘干,再利用氩弧熔覆技术在基材表面原位合成了FeMoSi/Fe3Si金属硅化物复合涂层,组织分析和性能测试表明:涂层组织均匀、致密、无气孔、裂纹等缺陷,涂层与基体之间为冶金结合,并且复合涂层有FeMoSi和Fe3Si相生成,涂层显微硬度达1000HV0.2,复合涂层的相对耐磨性是基体Q235钢的近11倍。王永东等以Fe粉、Ti粉和B粉为原料,利用氩弧熔覆技术在Q235钢基材表面制备出TiB/FeB增强Fe基复合涂层,结果分析表明:涂层组织均匀、致密、无气孔、无裂纹,达到了冶金结合。TiB、FeB颗粒相均匀弥散分布于α-Fe基体中,复合涂层的显微硬度最高达1100HV0.2,耐磨性是基体的12倍左右。汪选国将不同配比的高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、锰铁、硅铁、铁粉、稀土的合金粉末混合均匀后用水玻璃调匀涂敷在Q235基体的表面,然后将其烘干。但需要注意的是要加入一定的溶剂以清除合金粉末和基体表面的氧化膜,并起造渣作用,保护液态金属不被氧化。再用钨极氩弧对涂层进行加热,所得涂层与基体为冶金结合,耐磨覆层中基体的硬度为500~960HV,碳化物的硬度为1400~1700HV,覆层的耐磨性是基体的5.8倍。王永东等利用氩弧熔覆技术将Ti粉、C粉、WC和Ni60A粉熔覆于Q235钢基体表面。经SEM和XRD分析表明,涂层的组织由熔覆层,结合带和基体三部分组成,其中复相涂层由TiC、(Ti,W)C、Cr23C6颗粒相和基体γ-Ni组成,涂层的平均硬度约为1100HV,且硬度分布均匀,是基体的4倍,相对耐磨性是基体Q235钢的近13倍。史晓萍等以WC、SiC和Ni60A粉为原料,采用氩弧熔覆技术在Q345钢基体表面制备出WC+γ-Ni5Si2增强Ni基复合涂层。结果表明,熔覆层与基体呈良好的冶金结合,无气孔、裂纹等缺陷。涂层表面显微硬度是基体的4倍以上,可达1200HV0.2,耐磨性明显优于基体和Ni60A涂层,氩弧熔覆涂层的耐磨性是基体的12倍。王振廷等将质量比Zr∶Ti∶B4C∶Fe=6∶6∶8∶3的混合粉末采用氩弧熔覆技术在Q235钢基体上制备涂层,结果表明,熔覆层内部组织均匀,涂层与基体为良好的冶金结合,涂层由ZrC、TiB2和α-Fe组成,涂层的显微硬度均值为14GPa,耐磨性是Q345D钢的18倍。李刚等研究了熔覆速度对氩弧熔覆铁基合金涂层组织及性能的影响。利用氩弧熔覆技术,在廉价的Q235钢材表面制备了铁基合金涂层,涂层成分除Fe外为W∶Cr∶B∶Ni∶Si=2∶20∶2∶5∶2.5。在工作电流一定的情况下,适当提高熔覆速度,可使熔覆层组织获得有效的细化,获得较好的耐磨性;熔覆速度增加,涂层合金的硬度增加,采用256mm/min熔覆速度时,熔覆层硬度可达到820HV,耐磨性最好。4增强ni3si/ni基复合涂层氩弧熔覆Ni基复合涂层是氩弧熔覆技术中研究及应用最多的熔覆涂层。刘宗德等用氩弧熔覆法在镍基高温合金基体上原位反应合成了Mo∶B原子比为0.8~1.2的Mo-Ni-B系三元硼化物熔覆层。XRD分析表明,熔覆层主要由M3B2硬质相和Ni、Mo等金属或合金形成的粘结相组成。反应界面结合良好,Mo-Ni-B系熔覆层的显微硬度为700~800HV,为基体的2.5倍左右;腐蚀深度0.19~0.93m/h,耐蚀性为1级。当Mo∶B=1.0时耐蚀性最佳。李炳等研究了氩弧熔覆工艺参数对Ni60+WC系熔覆层组织和耐磨性的影响。结果表明,熔覆工艺发生变化时,其显微组织和硬度以及耐磨性发生了明显的变化,当输入电流为85A、熔覆速度为8mm/s时,熔覆Ni60及Ni60+WC(含量在50%以下)系合金层,与输入电流为130A、熔速为4mm/s相比,其耐磨性可提高20%左右。郝建军等以Ni60A和铸造WC混合合金粉末为原料,其中铸造WC占40%,采用预置法在Q235普通碳素钢上制备了WC增强镍基涂层,采用直流正接对试样进行搭接烧熔,道次重叠率为30%~50%,钨极直径2mm,电流150A,电压20V,钨极移动速率60mm/min,熔覆后放入保温箱中缓冷。结果表明,熔覆层组织致密,基体、熔合区、熔覆层三者之间晶界连续。熔覆层组织中同时存在亚共晶组织、共晶组织和过共晶组织,这三种组织的有机结合,耐磨性优于65Mn淬火钢。王永东等利用氩弧熔覆技术以质量分数为20%SiC和80%Ni60A的合金粉末为原料在Q235钢基体上制备陶瓷涂层。结果表明。熔覆层由γ-Ni、M7C3和弥散分布的Ni3Si枝晶组成,并且组织均匀、致密、无气孔、裂纹,涂层与基体之间为冶金结合。涂层的平均硬度约为1100HV0.2,耐磨性是基体的13倍左右。王永东等以碳粉、铌粉和Ni60A粉为原料,利用氩弧熔覆技术在Q345钢基材表面原位合成了NbC增强Ni基复合涂层。结果表明,复合涂层由γ-Ni、Cr23C6、NbC和α-Fe相组成,涂层与基材间的结合为完全的冶金结合,过渡区无气孔和裂纹等缺陷。涂层的平均硬度约为1000HV0.2,向基体方向逐渐降低,呈梯度分布。在常温干滑动磨损条件下耐磨性明显优于基体,约为Q345钢的11倍。李文虎等将钛粉、镍粉、硅粉和羟基铁粉为原料,采用氩弧熔覆技术制备了TiC-Ni3Si/Ni基复合涂层。分析表明,复合涂层的主要物相为TiC、Ni3Si和γ-Ni(Fe);在熔覆界面处,熔覆层组织与基体组织结合界面比较紧密、完整,基体与覆层的熔合较好,无缺陷,实现了冶金结合;平均显微硬度9.457GPa,为钢基体平均显微硬度的4.78倍;常温干磨损是基体室温磨损量的11.84%。李炳等分别将Ni60、Ni60加不同含量WC及Ni60+30%WC加不同含量Nb的粉末采用氩弧熔覆技术在4Cr13钢上制备涂层。发现加入WC和Nb的涂层组织明显细化,硬度和耐磨性随WC含量的增加而提高,Ni60熔覆层显微硬度600HV,而Ni60+30%WC熔覆层硬度可达900HV,磨损量是原来的1/7。而Nb多数存在于先共晶析出的合金共熔体中,从而Nb含量的增加对硬度和耐磨性影响不是很大。张传明等采用氩弧熔覆工艺在Q235钢基体上获得了镍基合金熔覆层。将F102Fe合金粉末用水玻璃调成料浆均匀涂覆于经过预处理的Q235钢基体上。结果表明:在熔透的情况下,增大电流或减少熔覆层的厚度,组织由共晶向亚共晶方向发展;在相同的组织条件下,增大电流可使合金组织粗化,随之熔覆层的硬度下降,工作电流为60A时,显微硬度720HV,而工作电流为100A时,显微硬度下降为530HV,耐蚀性也降低,但塑性有所改善。而当合金组织细密、枝品相比率较小时涂层通常具有良好的力学性能和耐腐性能。5纳米结构材料的其它应用农业机械的工作环境比较恶劣,很多农机部件在其使用过程中会有不同的磨损,其中农机刀具对耐磨性的要求较高,犁铧在农业耕作过程中,与土壤、砂石、根茬等相互接触摩擦,磨损非常严重,使犁铧碎土能力下降,入土性能变坏,耕深稳定性变差,从而增加了作业成本,影响效率。郝建军等研究了氩弧熔覆Ni60A耐磨层在农机刀具上的应用。将Ni60A自熔合金粉末与水玻璃按比例配好,均匀涂敷于Q235钢基体上,烘干后采用直流正接进行搭接熔烧,然后置于保温箱中缓冷至室温。结果表明:涂层与基体形成了冶金结合,从界面到熔覆层表面依次为粗大的树枝晶、较细的树枝晶和细小的无方向晶粒。磨损试验时对磨材料选用830℃淬火和540℃回火的65Mn钢,熔覆涂层的耐磨性有所提高。当熔覆层应用于农机刀具时,分别选用上述实验方法修复的废弃甩刀和用65Mn新制甩刀进行对比。磨损试验表明,修复甩刀熔覆层结合良好,无剥落和脱皮,而65Mn甩刀上有明显的划痕和犁沟。修复每把甩刀费用低,却将甩刀的寿命延长2~4倍。可见,熔覆法修复甩刀不仅延长了甩刀的使用寿命,减少了换刀次数,节省农时,还降低了成本。郝建军等也研究了氩弧熔覆原位合成Ni基耐磨层在犁铧上的应用。利用氩弧熔覆技术,在廉价的碳钢表面原位合成了TiC/Ni基复合材料涂层。合金粉末选质量百分比分别为75%Ni基自熔合金粉、20%纯Ti粉和石墨粉,其中纯Ti粉和石墨按TiC的化学配位比1∶1进行配比,并在合金粉中加入5%的CaF2,以增加