激光熔覆技术的研究与应用

激光熔覆技术的研究与应用

1.喷气发动机叶片的复合研磨激光熔盖技术的研究始于20世纪70年代。美国avco对汽车叶片上的许多易磨损零件进行了激光焊接技术的研究。1981年英国Rolls.Royce公司成功在喷气发动机叶片上涂覆钴基合金面并显著提高了其耐磨性。由于这一新技术具有巨大的发展潜力,并能产生较大的经济效益,因此,在生产中获得了广泛推广及应用。激光熔覆技术在目前材料表面改性技术中应用较广泛。激光熔覆是在基体上添加不同成分的材料,利用高能激光束辐照基体,熔覆粉末和基体形成一薄层,这一薄层快速熔化并凝固成形,且基体对熔覆层稀释度极低,因此熔覆层与基体冶金结合良好,可以制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面保护涂层。2.激光焊接工艺方法按熔覆材料的供给方式不同,激光熔覆工艺方法分为两种:激光熔覆合金预置法和合金同步送粉法。2.1粉末、丝材、材合金预置法是在基体的表面上通过一些方法将预涂材料置于其上,然后采用高能激光束辐照,涂层表面吸收能量使熔覆部位迅速升温、气化和熔化,激光束离开后,熔覆层与基体呈现良好的冶金结合。熔覆材料的加入形式通常有粉末、丝材、板材三种,其中以粉末的形式最为常用。预置法一般包括粘结法和热喷涂法。对于粉末类材料,预置的两种方法都可以。热喷涂主要优点是喷涂效率高、容易控制沉积厚度的均匀性,且与基材接合牢固,这种方法不足之处是粉末利用率低,受工件形状限制和成本相对较高。粘接法是利用粘结剂,在基底材料的表面上,将粉末调和成膏状涂上,这种方法的不足之处在于效率低,很难得到厚度均匀的涂层,可能会妨碍熔化或引起过渡稀释;同时由于沉积层的导热性不好,会消耗更多的能量;通常仅对熔覆面积较小的工件适用,这种方法在实验室里采用。对于丝类合金材料,既可利用预置粘结法,也可利用热喷涂法进行喷涂,但板类合金材料主要利用预置粘结法。2.2熔覆层的制备合金同步送粉法是将材料直接送入激光工作区,使供料和熔覆同时完成。利用激光作用,把熔覆材料和基体一起熔化,然后冷凝成熔覆层。这种方法可以把激光能量充分利用,大大降低了熔覆层的不均匀性,同时还减少了激光对基体的热作用。合金同步送粉法过程比较简单,而且耗材少,同步送粉法可控性好,在实际应用中是很好的方法。与预置法相比,同步送粉法是激光熔覆技术的发展趋势。3.激光焊接材料体系现状激光熔覆粉末按照材料成分构成不同,主要分为自熔性合金粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。3.1铁基合金粉末自熔性合金粉末指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。目前常用的是Ni基、Co基和Fe基自熔性合金粉末。Ni基合金粉末:这种合金粉末应用广泛,具有合理性价比和良好材料性能,如具有良好的韧性、抗氧化性等性能,因而在激光熔覆材料中被研究的最多、应用的最广。Ni基自熔性合金粉末可分为Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两个合金系列。Ni基自熔性合金粉末主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀的构件,熔覆Ni基的功率密度比铁基要高一些。Ni基合金粉末不足之处是耐高温性能较差。Ni基合金粉末中常用的是Ni60,Ni45。Co基合金粉末:具有良好耐高温性能,耐磨耐蚀性能也比较强,经常被应用于石化和冶金等领域。另外,钴基粉末合金在熔化时有很好的润湿性,其熔点相比碳化物要低,受热后Co元素最先熔化,与合金凝固时最先形成新物相,得到光滑平整的熔覆涂层,提高熔覆层与基体的结合强度。目前,常用的Co基合金的主要元素是Ni、C、Cr和Fe等,其中Ni元素用来降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数,减小合金的熔化温度区间,有效抑制熔覆层开裂现象,提高熔覆层对基体的润湿性。Co基合金粉末不足之处是价格较高。Fe基合金粉末:Fe基合金作为激光熔覆材料,适用于温度要求不高(温度小于400℃)的耐磨零件,基体多为铸铁和低碳钢,其最大优点是成本低耐磨性强。Fe基合金的主要元素是Ni、B、Si及Cr等元素,其中B、Si及Cr元素是用来提高熔覆层的硬度和耐磨性,Ni元素用来提高熔覆层的抗开裂能力。由于铁基合金成本低,经常代替镍基合金使用,与Ni基合金相比,铁基合金作为激光熔覆层的不足之处是熔覆层韧性稍差。综上,Ni基或Co基合金具有良好的自熔性和抗氧化性,较高的耐蚀性能,Ni基或Co基合金粉末的自熔性比Fe基合金粉末要好,但价格也比Fe基自熔性合金粉末高;Fe基合金粉末虽然比Ni基或Co基合金粉末便宜,但自熔性差,抗氧化能力差。具体使用时,应合理选择自熔性合金粉末。3.2生物陶瓷材料陶瓷粉末主要有两种:硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末,其中用的最多的是氧化物陶瓷粉末。陶瓷粉末作为熔覆层有很多优点,如耐磨耐蚀等性能都比较强,所以陶瓷粉末常被用于制备高性能熔覆层;目前,研究生物陶瓷材料也是一大热门。激光熔覆金属陶瓷可以通过高能激光束作用,在金属表面熔覆一层陶瓷材料,结合区形成均匀、致密且与基体结合牢固的复合层。陶瓷材料作为熔覆层有耐磨耐蚀的优点,但陶瓷材料作为熔覆层也有不足之处,这种材料与基体的热膨胀系数、弹性模量及导热系数等差别较大,这些性能的不匹配造成熔覆层开裂现象和空洞现象。近年来,用激光的高能量熔覆涂层技术,可以得到高硬度和耐磨损的陶瓷涂层。3.3复合粉末的制备复合粉末是指陶瓷材料和金属合金混合在一起的粉末,作为熔覆材料,这种粉末相比金属粉末具有更强的材料特性,在目前材料表面改性方面应用比较广泛。陶瓷材料包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等硬质材料。复合粉末和不同成分的合金粉末进行机械混合的粉末不同。不同点在于复合粉末中的单个粒子的组成成分,至少要有两种或两种以上不同成分的固相材料,而且不同成分的固相材料有明显的相界面,不同成分的固相组元之间一般为机械结合。利用激光熔覆技术,把复合粉末制备成陶瓷颗粒增强金属基复合涂层,这种熔覆层很好地将合金材料的高强度、高韧性和陶瓷颗粒相优异的耐磨、耐蚀和耐高温等性能结合在一起。复合粉末能大大提高熔覆层的耐磨性能,应用最多的是钴包碳化钨和镍包碳化钨。在复合粉末中,碳化物颗粒的加入方式有两种:第一种方式是直接加入激光熔池;第二种方式是直接与金属粉末混合成粉