激光熔覆技术的发展

激光熔覆技术的发展

1表面覆密度设计激光填充技术已经发展了近半个世纪。第一个使用激光填充技术的是美国，avco对易磨损零件进行了首次试验并成功。后来英国RollsRoyce公司利用激光熔覆技术在发动机叶片上熔覆一层Co基合金保护膜,通过测试熔覆层硬度和耐磨性,很好地改善了熔覆层的表面性能。激光熔覆技术发展潜力很大,而且可以产生较大的效益,因此,在很多领域的生产中备受欢迎。激光熔覆技术是对材料表面进行改性的技术,可以在低成本材料表面熔覆一层性能比较好的涂层,从而改善基体材料的各种特性。这种技术耗材少污染小,属于绿色加工技术。激光熔覆技术是指以不同的添料方式(常用同步送粉法和预涂粉末法)把预涂粉末放置在基体表面,利用高能激光束辐照基体表面,熔覆粉末和基体形成一薄层,这一薄层熔化并快速凝固成形,且熔覆层稀释度极低,因此熔覆层与基体冶金结合良好,从而明显提高基体的各种特性,如硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。激光熔覆技术与其他涂层技术相比,有明显的优点:(1)局部表层对基体的热影响很小,主要是因为激光作用,熔覆粉末和基体迅速熔覆。容易实现小范围熔覆,且工件不易变形,熔覆成品率较高。(2)熔覆层晶粒细小且均匀弥散分布在基体中,熔覆层硬度很高,而且耐磨和耐腐蚀等性能强,从而大大提高材料表面的各种性能。(3)高能激光束在基体上作用的时间很短且熔覆层稀释率低,因此基材熔化量小。如果把熔覆层的稀释率降到最低,可以得到性能良好的材料表面,从而达到低耗材高收益的效果。(4)选择作为熔覆层的粉末范围广泛,激光熔覆技术特别适用于低熔点金属表面熔覆高熔点合金。(5)激光熔覆技术易实现自动化,且熔覆层表面性能稳定,熔覆层成分和厚度都在可控制范围。2国内外熔覆技术的研究现状随着对激光熔覆技术的深入研究,无论在熔覆材料的开发和激光熔覆工艺研究方面,还是在熔覆硬件系统的设计方面,国内外对激光熔覆技术都在进行研究。2.1激光熔覆技术在熔覆层生产中的应用20世纪70~80年代中期,国外激光熔覆技术的发展还比较缓慢。20世纪80年代以前,激光表面处理发表的论文篇数远少于切割和焊接这方面的论文,切割方面论文的篇数是激光表面处理的3倍,焊接居中。20世纪80年代后期以来,切割和焊接这方面的文章篇数远远小于激光表面处理方面的的文章篇数,这说明国外关于激光熔覆这方面的研究进度加快了。同时在激光熔覆理论、熔覆材料、激光熔覆工艺、熔覆层组织性能等方面进行了深入研究,并在激光设备的自动化、熔覆过程中的监控和激光熔覆的生产应用等方面也取得明显进展。利用激光熔覆技术的局部精细加工特点,向制造小零件和零件的局部修复方面发展和突破。2.2激光熔覆技术20世纪80年代初期,我国开始对激光熔覆技术进行了初步研究,已取得了一些成绩:利用激光熔覆技术在发动机轮叶片上熔覆钴基合金,改善发动机轮叶片材料的表面性能;利用激光熔覆技术在活塞环上熔覆Ni-WC复合涂层等,熔覆层的硬度和耐磨性都有明显提高。激光熔覆技术的涉及面越来越广,在选择熔覆材料时,开发稀土领域已成为一大热点,主要是因为稀土元素特有的电子层结构和活性,对于工艺性能和技术性能方面都能大大提高,同时又因为我国是稀土产量比较丰富的国家,因此结合稀土的优良特性,加入稀土来提高材料表面特性是非常有意义的。3激光熔覆的应用激光熔覆技术作为材料表面改性技术的一个重要方向,已经经历了将近半个世纪的发展,现在已经进入到工业化生产中,在航空航天等诸多领域中都有广泛的应用,而且取得了很好的经济和社会效益,目前,激光熔覆的应用有以下几个方面。3.1航空发动机材料有了好钛合金在航空航天领域广泛使用,主要用来制造高的强度/质量比、耐热和耐腐蚀的零部件。同时钛合金在应用过程中也存在许多不足之处,如摩擦因数大、耐磨性差等,如果在钛合金材料表面熔覆一层能增强材料表面特性的物质,同时利用激光熔覆技术,还可以降低成本、节约时间。AeroMet公司关于零件制造方面有了实质性突破,该公司生产的三个熔覆零件已被批准可以在实际飞行中使用。Toyota公司也利用激光熔覆技术在铝合金汽缸上熔覆铜基复合材料,提高了材料的耐磨能力。激光熔覆技术不仅能用于加工零部件,而且能用于修复零部件。在修复方面,激光熔覆可以获得高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温的材料表面,这种技术生产效率高、环境污染小,属于绿色加工技术。RollsRoyce公司利用激光熔覆技术,对航空发动机叶片进行修复,同时把工件的开裂难题给解决了,工时也大大降低了。还有利用激光熔覆技术,在排气阀密封面熔覆合金涂层,熔覆层的硬度和耐磨性大大提高,而且避免了熔覆层中的开裂和气孔现象,同时耐腐蚀性也提高好几倍。3.2材料的耐磨性能在汽车制造方面,激光器可用于汽车车身的焊接和切割。激光熔覆技术最先适用于汽车零件方面,在排气门的密封面熔覆Stellite合金,通过磨擦磨损测试发现,熔覆层的耐磨性能提高6倍。利用激光熔覆技术可以熔覆耐磨性、耐热性强的材料表面,还可以应用在汽车发动机气门、气门座圈密封锥面等以及排气阀、换向器、齿轮等零部件上。3.3腐蚀和磨损问题因石油开采现场的工况条件比较差,许多金属零部件长期处于承受重载状态,同时还有严重的腐蚀和磨损现象,导致金属零部件易损害,这就大大降低了零部件的使用寿命。所以金属零部件需要具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种性能,才能长期应用于恶劣的环境。我国在钻采机械方面利用激光熔覆技术并取得了很大的成果。3.4通过对模具表面的改性来提高模具的使用寿命和耐久性模具激光表面熔覆技术经过近年来的发展,现已逐步走向实用阶段,许多设备的生产率和产品都由模具的使用寿命决定,目前熔覆技术应用在模具的表面强化和修复方面,激光熔覆技术可以改善模具钢的特性,使熔覆层表面硬度高、耐磨性强和抗高温能力强,从各个方面提高模具的使用寿命。赵宏运等在模具表面熔覆一层陶瓷层,使熔覆层硬度和耐磨性都有明显提高。轧钢机导向板就是利用激光熔覆技术在导向板上熔覆一层保护层,使材料表面形成高温耐磨涂层,这种导向板与普通碳钢导向板相比,其耐磨性大大提高了,同时耗材少、生产率高。轧辊是轧钢工业中损耗较严重的工具,它也是轧钢机中很重要的部件,轧辊质量的好坏对轧板、带材的质量和产量都有直接的影响,所以轧辊的表面材料有很好的特性非常重要,利用激光熔覆技术也可以满足这一要求。3.5生物医用领域不锈钢、钛及其合金具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种性能,所以在生物医用领域受到关注,一些方面已经应用,但因其耐蚀性和生物相容性较差,以及金属离子潜在的毒副作用,使不锈钢、钛及其合金材料在机体中的应用受到了极大的限制,因此,激光熔覆技术在生物医用领域的应用还有待进一步的研究和发展。综上,激光熔覆技术在很多方面已被广泛应用,但还存在一些技术上难以解决的问题,在激光熔覆过程中,熔覆层的质量不容易控制,因此就会在熔覆层表面产生裂纹。为了解决这一难题,近年来大多数研究集中在熔覆层与基材热膨胀系数的匹配上,因此激光熔覆材料的选择和熔覆材料成分的分配是很重要的方面。通常情况,为防止激光熔覆层开裂问题和剥落现象,熔覆层和基体材料的热膨胀系数应满足同一性原则,要求熔覆层和基体材料的热膨胀系数要无限接近才行。还有研究人员提出了陶瓷与金属的相容性问题,首先要选可以发生化学反应的陶瓷材料与金属材料,其次陶瓷材料与金属材料反应的生成物与原基材要有比较好的相容性,从微观上说,也就是生成物与原基材要有相似的晶体结构和相近的晶格常数等。4激光熔覆水从生物过程的凝胶电泳基础研究,拓展了对于提高熔覆行为规目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,某些方面已进入实际工业应用阶段,但由于激光熔覆技术发展时间短,还存在着一些问题,在以后的研究中应从以下几个方向深入开展:(1)研究激光熔覆技术的基础理论可以以热力学和外延生长作为出发点,对激光熔覆快速凝固行为进行研究,研究范围有:各种亚稳相的形成规律、组织特征及溶质在凝固过程中的分配规律。(2)建立理论模型建立更接近实际过程的传输模型,有能量传输模