激光熔覆技术的发展

激光熔覆技术的发展

1973年，美国avco企业d.s.gnamauth获得了光学涂层技术专利，1979年，日本先后宣布了光学涂层技术在气轮机叶片上的应用专利。其技术兴起于20世纪80年代,它是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基材相互熔合,形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面层的性能,而是赋予它新的性能,并降低制造成本和能耗,节约有限的战略金属元素。由于激光熔覆技术在激光熔覆理论,物理数学模型,合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究,设备自动化、柔性化、熔覆过程监控,专用功能部件研制以及生产应用等方面取得了重要进展,因此,激光熔覆技术不仅引起西方各国的注意,同时也受到了国内的广泛重视,被广泛地应用于航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械、工模具和轻工业等领域。本文主要从铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷作为激光熔覆材料的应用、熔覆层性能和激光工艺参数等方面综述激光熔覆技术,并对其发展进行了分析。1化学成分和加工工艺激光熔覆材料体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等,其性能取决于熔覆层的组织和相组成,其化学成分和加工工艺又决定了熔覆层的组织和相组成。1.1非平衡相转移的碳化物熔覆层激光熔覆铁基合金适用于温度要求不高(<400℃)的耐磨零件,所用粉末主要有不锈钢类和高铬铸铁类,分别适用于低碳钢和铸铁基体。其熔覆层为非平衡的奥氏体和M7C3碳化物,由于固溶强化、位错与碳化物交互作用使熔覆层具有920HV0.2的较高硬度。由于铁基合金成本低廉,经常用作镍基合金的代用品,与镍基合金相比,铁基合金激光熔覆层韧性稍差。1.2不锈钢自熔合金钴基、镍基合金具有高硬度、耐磨、抗热和抗氧化等性能。从工艺上讲,激光熔覆层又因为激光快速凝固过程产生的晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐蚀性。因此,钴基、镍基激光熔覆层被广泛应用于高参数阀门密封面等恶劣工况条件。比如,意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面用Stellite合金激光熔覆。起初用AVCO6.5kW激光器,8s处理一件。用某研究所研制的一种称为能量回收腔的装置,大大提高了能量利用率,使所需能量减少一半以上;再如美国的汽车排气阀座也用激光熔覆Stellite合金,俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座激光熔覆耐热合金。激光熔覆用钴基合金目前主要有Stellite合金、钴基高温合金和钴基自熔合金,镍基合金有Colmonoy合金和镍基自熔合金等。Colmonoy合金具有很好的耐腐蚀和耐磨损的性能,并且具有良好的稳定性而被用于耐磨环境。Stellite合金被广泛应用于非润滑的高温磨损件,其中含ω(Cr)=30%左右的Cr可以提高抗腐蚀性,另外加入ω(W)=4%～17%的W产生固溶强化的效果,合金中含碳量为w(C)=0.1%～3.0%时可形成坚硬的碳化物。Stellite6合金成分组成为ω(Co)=60%、w(Cr)=27%、w(Fe)=2.5%、ω(W)=5%、ω(Ni)=2.5%、ω(C)=1.0%、uw(Si)=1.0%、ω(Mn)=1.0%被用于激光熔覆,通过对其显微组织、耐腐蚀、耐磨性进行研究,认为,Stellite6合金激光熔覆层是由先共晶的γ-Co(固溶体)枝晶基体和枝晶间网状共晶M7C3组成的,当C含量超过2%而接近2.5%时,基体就由亚共晶转变为过共晶。在激光熔覆Stellite6合金中Co是以高温相存在,这是由于激光熔覆的快速冷却所致。钴基高温合金用于激光熔覆的研究也时见报道,由它可得到高温耐氧化兼有耐磨损性能的熔覆层,熔覆层中碳化物有M7C3、M6C、MC和M23C6几种形式。通常激光用钴基自熔合金粉末是在Stellite合金的基础上研制的,合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C,此外添加B和Si增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金,但B含量过多会增加合金的开裂倾向。钴基自熔合金粉末与钢铁件在熔点、热膨胀系数、密度等方面都比较接近,从而减少了熔覆层在冷凝过程中的热收缩应力;而且钴基合金具有良好的热稳定性,在熔覆时很少发生蒸发升华和明显的变质;另外,钴基粉末合金在熔化时具有很好的湿润性,熔化后在基体材料的表面均匀铺散,有利于获得致密性好和光滑平整的熔覆层,提高了熔覆层与基体材料的结合强度。由于钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W,因此它具有良好的高温性能和综合力学性能,Co与Cr形成稳定的固溶体。由于含碳量较低,基体上弥散分布着亚稳态的Cr23C6、M7C3和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物,导致合金具有更高的红硬性、高温耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。1.3激光熔覆金属陶瓷的基本成分陶瓷材料具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能,但其脆性一直是其广泛应用的障碍。激光熔覆金属陶瓷是通过大功率激光束的作用,形成均匀、致密、且与基体结合牢固并具有一定韧性的金属/陶瓷复合层。近年来,用高能量密度的激光熔覆高硬度和耐磨损的金属/陶瓷涂层是一个活跃的研究领域,国内某大学在这方面做了大量的研究,已取得了可喜的成绩。2辐照作用方面激光工艺参数包括:激光功率、扫描速度、光斑直径等,这些参数对熔覆层质量均有影响,如何评价每个工艺参数在熔覆层形成过程中的作用是熔覆层设计的关键。国内外研究者尤其是国内的研究者作了大量的工作,并提出了比能量的概念。比能量,即单位面积上的辐照能量。可将功率大小和扫描速度等因素综合在一起。。另外还提出了质能量、线能量等综合工艺参数。大部分研究者认为激光熔覆参数不是孤立地影响熔覆层宏观和微观质量,而是相互影响的。对激光熔覆层性能的研究集中在耐磨性、耐腐蚀性、界面结合特性等方面。研究表明,激光熔覆层与等离子喷焊比较,其缺陷率低,组织细密均匀,成分稀释率小,对基体热影响小,熔覆层强韧性均有明狐提高。研究还表明,激光功率过小和过大都不利于熔覆层的耐蚀性和耐磨性,只有在比较合适的功率下,微粒熔化比较充分,熔覆层结合良好,试样耐磨性才能明显提高。文献在对Ni-WC金属陶瓷层耐磨性的研究中,发现熔覆层中WC颗粒的种类和含量是其耐磨性变化的重要因素,但过高的WC含量也会降低熔覆层的耐磨性。3激光熔覆法非织造材料的成分设计问题尽管激光熔覆技术在近年来得到快速发展,但作为大范围商业应用还受到很大限制,仅就熔覆层而言,首先需解决的是熔覆层材料成分设计问题,因为熔覆层性能与合金成分密切相关。目前,激光熔覆