激光先进制造技术 课件 第3章 激光熔覆技术

激光先进制造技术LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特种加工技术2.激光冲击强化技术3.激光熔覆技术4.超高速激光熔覆技术5.激光焊接技术6.激光复合制造技术7.激光微细复合加工技术课程内容1.激光熔覆技术概述2.激光熔覆设备与工艺3.激光熔覆层的形状及质量分析4.激光熔覆技术发展趋势5.激光熔覆技术的典型案例本章内容激光熔覆技术概述4/7220世纪70年代——大功率激光器1974年底——美国某公司提出了世界上第一个激光熔覆专利21世纪后——随着大功率激光器技术的成熟而快速发展日美将其商业化，批量修复了军用飞机发动机的磨损失效零件德国发展了超高速激光熔覆取代电镀、热喷涂、堆焊我国激光熔覆的研究和应用正处于快速增长阶段技术起源激光熔覆原理5/72激光熔覆是一种新型的表面再制造技术，主要用于改善和提高材料的表面性能及零件表面修复。激光熔覆通过不同的添料方式在基材表面添加激光熔覆材料，并利用高能量激光束使其熔覆粉末与基材表面薄层一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能优于基体，与基体呈冶金结合，因此使基体表面的耐高温、耐磨损和耐腐蚀等特性得到提高。激光熔覆技术概述激光熔覆原理6/72激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高功率激光束以恒定功率入射到需要改善的工件表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收。当瞬时被吸收的能量超过临界值后，熔覆材料和基材表面薄层熔化，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的熔覆层。激光束根据应用程序给定的路线来回扫描，从而逐线逐层进行实现或修复。激光熔覆技术概述7/72激光熔覆是利用高能密度激光束所产生的局部高温，将2种或者2种以上金属界面瞬间熔化，熔覆材料与基体表面试样冶金结合，形成性能与基体成分不同的涂层，改善材料性能。激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。激光熔覆原理激光熔覆技术概述8/72预置粉末法同步送粉法根据合金粉末供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种，即预置粉末法和同步送粉法。熔覆材料可以选择丝状材料、板状材料、粉末材料等，其中粉末熔覆应用比较广泛。激光熔覆的分类激光熔覆技术概述9/72预置粉末法包括无粘结剂预置法和粘结剂预置法。无粘结剂预置法是指利用预置工件将粉末直接预置到基体上，预置的过程中要使粉末分布均匀然后用激光进行熔覆。粘结剂预置法指将粘结剂(纤维素等)粉末按照一定的比例混合加入少量的水使其成为糊状，然后使用预置工具将其预置到基体上并放置一段时间使其涂在基体上干燥的方法。粘结剂预置法成本低，操作简单，但通过激光束的照射粘结剂界面易产生气泡，因而会造成熔覆涂层产生气孔它裂纹、脱落等缺陷使熔覆涂层的质量下降。激光熔覆的分类激光熔覆技术概述10/72同步送粉法激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。在同步送粉激光熔覆过程中的凝固速度要快于预置粉末法，有利于防止陶瓷颗粒沉底或上浮现象，从而大大改善复合层中陶瓷颗粒分布的均匀性。但同步送粉过程中，陶瓷颗粒在送粉同时受激光束辐照，且注入到熔池的中心，由于激光熔池表面中心的温度最高，熔池中心的陶瓷颗粒的吸收热量高，注入陶瓷颗粒仍然有熔化和分解的现象。激光熔覆的分类激光熔覆技术概述11/72预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理——预置熔覆材料——预热——激光熔化——后热处理。同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理——送料激光熔化——后热处理。按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是：基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。激光熔覆的分类激光熔覆技术概述12/72评价激光熔覆层质量的主要指标为:熔覆层厚度、熔覆层宽度熔覆层形状系数(宽度/厚度)稀释率硬度及其沿深度分布基板的热影响区深度及变形程度等稀释率η=A2/(A1+A2)=h/(H+h)激光熔覆层质量指标激光熔覆技术概述其中：A1是熔覆层，A2是稀释区，HAZ是热影响区W为熔覆层宽度Ha为熔覆层高度Hb为基体熔化深度13/72冷却速度快(高达106K/s)，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；涂层稀释率低(一般小于5%)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控;氧-乙炔火焰熔覆感应熔覆氩弧熔覆等离子弧熔覆激光熔覆激光熔覆技术的优点激光熔覆技术概述14/72热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm；能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比;光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;工艺过程易于实现自动化。激光熔覆技术的优点激光熔覆技术概述15/72由于激光熔覆的众多优点，因而在各行各业中得到广泛的应用，但是激光熔覆技术也存在它的不足之处：由于涂层与基体产生较大的温度梯度，使熔覆涂层与基体体积膨胀收缩率不一致，因此熔覆涂层产生裂纹的敏感性比较大;由于熔覆带较窄，要想得到大面积的激光熔覆涂层比较困难。激光熔覆技术的缺点激光熔覆技术概述16/72激光熔覆成套设备组成：激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺17/72激光器的选用：应用广泛的有CO2激光器，固体激光器。CO2激光器固体激光器激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺18/72CO2激光器是应用最广、种类最多的一种激光器,在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%，北美更高达70%。CO2激光器具有功率高、效率高、光束质量高等优点。激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺19/72固体激光器主要包括光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器等。固体激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长等优点，速度快、深度大、无变形、熔覆层无夹渣、熔池细腻无气孔，可以在室温或者特殊的条件下进行工作。但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，为高反射材料，则光纤激光器、二极管激光器由于其自身设计的特点，就显得不太适合了，而碟片激光器则比较适合焊接(包括熔覆)、切割反射率比较高的材料。激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺20/72激光器的选用：目前应用广泛的有CO2激光器、固体激光器Nd:YAG。CO2激光器和Nd:YAG激光器的输出特性：激光器波长/μm输出方式脉冲宽度/ms输出能量最大输出功率密度CO2激光器10.6PW/CW0.1-100PW:几个焦耳CW:几十~几千焦10的6次方Nd:YAG激光器1.06PW/CW0.01-10PW:几个~几百焦耳CW:几十~几千焦10的6次方由上表可知，激光的输出能量有脉冲式和连续式两种类型。Nd:YAG激光相对C02激光温度升的快，需要激光的能量少，热影响区和热变形区小，处理层冷却速度快，温度梯度大，所以激光产生的热影响区和热变形区依次是:Nd:YAG激光<C02激光。激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺21/72在激光熔覆与加工过程中，金属激光能量的吸收是一个十分重要的参数。下表为几种金属对激光的吸收率:金属材料室温熔点C02激光Nd:YAG激光C02激光Nd:YAG激光AlCuFeTi碳钢不锈钢1.861.553.078.132.759.725.884.899.7225.708.6930.726.45.113.013.712.1314.620.016.241.143.38.244.2从上表可知，金属表面对激光的吸收率随激光波长的增加而减少，则金属表面对激光的吸收率的大小依次为Nd:YAG激光>C02激光综上所述:(1)C02激光器适用于大功率、大尺寸精度要求较低的加工和熔覆领域，Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸、精度要求较高的加工和熔覆领域。(2)Nd:YAG激光比C02激光更适用于激光熔覆和激光直接接触金属快速制造领域。激光熔覆设备激光熔覆设备与工艺22/72激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，是一种对裂纹敏感的工艺。涂层成形质量的影响对于激光再制造产品的可靠性非常重要，熔覆材料和激光熔覆工艺的选择决定了最终的涂层质量，而工艺参数对于控制涂层质量具有很大的影响。激光熔覆工艺参数主要包括：激光功率、激光束扫描速度、光斑直径、搭接率、离焦量等。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺23/72激光功率与稀释率成正比关系，随着激光功率的增大，粉末与基体的表面温度增加从而熔化量增大，因此容易产生气孔、裂纹等现象。如果激光功率持续增大，基体的熔化加剧，从而导致基体变形或者产生裂纹等现象。如果激光功率过小，激光稀释度变小，涂层与基体的冶金效果不好，容易出现脱落现象。为了避免此问题，应该控制合理的激光功率。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺24/72扫描速度是激光工艺参数中非常重要的参数。极限速度是指激光束只可使合金粉末熔化，而几乎不能使基体熔化的扫描速度。要使涂层成形完好，要求激光扫描速度必须小于极限速度。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺25/72光斑直径主要影响熔覆涂层的宽度，光斑直径和熔覆涂层宽度以及扫描速度的关系可由下式确定：W=D×(1-aVb)式中，a为经验常数，和工艺特性、材料属性有关。当其他工艺参数一定的情况下，随着光斑直径的增大，涂层宽度增大，激光熔池增大，因此其表面张力减小，涂层质量得到一定的提高。如果光斑直径过小，则很难得到大面积的熔覆，如果光斑直径过大，激光束热量容易分散，影响涂层的质量。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺26/72熔覆涂层单位面积所需能量叫做能量密度E，又称激光比能，其计算公式为：E=P/(DVb)式中P为激光束功率，D为激光束光斑直径及Vb为激光扫描速度。激光比能与激光功率有着密切的关系，在光斑直径与扫描速度一定的情况下，激光比能与激光功率成正比关系。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺27/72搭接率是影响大面积涂层质量的一个重要标准,要想得到大面积的激光熔覆涂层，需要从搭接方面来入手分析。如果搭接率过低，搭接处容易形成凹坑等缺陷且表面比较粗糙，如果搭接率过高，涂层表面变的比较平整光滑，但是可能会有气孔、裂纹的产生，因此要选择合适的搭接率。激光熔覆的工艺参数激光熔覆设备与工艺29/72在激光熔覆过程中，影响激光涂层成形质量和性能的因素非常复杂，激光熔覆材料是一个主要因素。按熔覆材料的初始供应状态熔覆材料可分为粉末状、膏状、丝状、棒状和薄板状，其中应用最广泛的是粉末状材料。按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中自熔性合金粉末的研究与应用最多。目前广泛应用的主要有Fe、Ni、Co基自熔性合金粉末，以及为了进一步提高耐磨性而加入各种陶瓷相混合形成的金属陶瓷材料。激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺30/72特点:1、含有B、Si，作用：脱氧、造渣2、基材适应性可广泛应用于包括各类碳钢、合金钢、不锈钢和铸铁类材质，但不适宜含S较高的钢材，因为钢中S的存在会在交界面处形成一种低熔点的脆性物质，容易使熔覆层脱落。分类：Ni基合金、Co基合金、Fe基合金自熔性合金粉末镍基自熔性粉末具有非常好的自熔性，良好的韧性、耐冲击、耐热性、抗氧化性及较高的耐蚀性，但是高温性能较差。钴基自熔性粉末比镍基自熔性粉末自熔性能要差一些，但其耐高温性能最好，且具有良好的耐热震、耐磨、耐蚀性能，但成本较高。铁基自熔性粉末的自熔效果较前两种粉末最差且抗氧化性能差，但是成本最低。激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺铁基自熔性合金粉末31/72特点：陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层。分类：硅化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末(Al2O3和ZrO2)缺点：与基体金属的热膨胀系数、弹性模量及导热系数等差别较大，熔覆层易出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用中将出现变形开裂、剥落损坏等现象。激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺陶瓷粉末氧化铝粉末32/72复合粉末主要是指高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。特点：金属的强韧性、良好的工艺性与陶瓷材料优异耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合复合粉末体系:1、碳化物合金粉末(如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)2、氧化物合金粉末(如Al2O3\Zr2O3\TiO2等)3、氮化物合金粉末(TiN、Si3N4等)块状WC球状WC激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺4、硼化物合金粉末5、硅化物合金粉末复合粉末33/72其他金属粉末包括：铜基、钛基、铝基、镁基、锆基、铬基以及金属间化合物基材料等。这些材料多数是利用合金体系的某些特殊性质使其达到耐磨减摩、耐蚀、导电、抗高温、抗热氧化等一种或多种功能。激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺其他金属粉末34/72选择熔覆材料要坚持以下几点原则：熔覆材料与基体材料的熔点要接近，避免产生裂纹等现象。保证熔覆材料与基体之间具有一定的润湿性。尽量控制粉末的粒度在一定的范围内，要避免粉末过细，影响熔池的流动性，粉末如果过大，影响激光熔覆工艺性能。熔覆材料与基体材料的热膨胀系数要尽可能接近，如果相差太大容易产生裂纹等现象，影响涂层的质量。激光熔覆材料激光熔覆设备与工艺35/72激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑：一是宏观上，考察熔覆层气孔、裂纹、形状等；二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注意分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。激光熔覆技术存在的问题激光熔覆设备与工艺36/72激光熔覆层的裂纹图像：微裂纹;(b)图(a)的放大图像激光熔覆层中的气孔图像：(a)熔覆层中部区域;(b)熔覆层底部区域受熔覆材料与基体材料的热物性差异以及成形工艺等因素的影响，容易在成形件中形成裂纹、气孔、夹杂和层间结合不良等缺陷。激光熔覆技术存在的问题激光熔覆设备与工艺37/72气孔是Ni基激光熔覆涂层中经常出现的缺陷。激光熔覆层中的气孔是由于在激光快速熔凝的条件下，熔池中的气体来不及逸出而形成的。此外，在采用粉末预置法预置涂层材料时，粘结剂在熔覆过程中受热分解产生气体，形成气孔。一般来说，气孔是难以完全避免的，但可以采用一些措施加以控制。常用的方法有：防止合金粉末储运中的氧化，在使用前要烘干去湿以及激光熔覆时要采取防氧化措施等。气孔的产生及防止激光熔覆技术存在的问题激光熔覆设备与工艺38/72由于材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，如果成形工艺控制不当，易于在成形件中形成裂纹，成形过程中裂纹一旦产生，整个成形过程将被迫终止，同时已成形的金属零件只能报废处理。改善激光熔覆层的应力状态和消除裂纹的方法有以下几种：合理选择激光工艺方法和参数；合理设计熔覆材料的成分和组织；在基体上添加涂层提高基体对熔覆层的润湿性；在熔覆材料中添加合金元素提高熔覆层组织的强韧性；利用熔覆层应力的作用特点改进熔覆工艺。激光熔覆技术存在的问题激光熔覆设备与工艺裂纹的产生、控制及防止39/72不同激光功率的单道熔覆层截面形貌：(a)1300W;(b)1600W;(c)1900W;(d)2200W单道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析40/72可以看出其它工艺参数不变的条件下，扫描速度增加，熔覆层高度变化十分明显。这是由于扫描速度的增加，粉末有效利用率降低和单位时间内输入基体激光能量降低造成的。熔覆层高度和宽度的减小是由于扫描速度的增加，使单位时间内输入基体的激光能量减少，粉末有效利用率降低造成的。不同扫描速度的单道熔覆层截面形貌(a)200mm/min;(b)250mm/min;(c)300mm/min;(d)350mm/min单道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析41/72Rp过低时，更多的激光能量作用于基体，造成熔池过度变宽和变深，而进入熔池的粉末量却不足以完全填充；Rp的增加带动粉流汇聚点增大，输入基体的激光能量降低，熔池宽度相对减小。不同送粉率Rp的单道熔覆层截面形貌(a)1.7g/min;(b)3.4g/min;(c)5g/min;(d)6.7g/min;(e)8.3g/min;(f)10g/min单道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析42/72当不考虑润湿性对熔池表面的作用时，强制对流和自然对流在熔池的右侧耦合成一个宏观的沿顺时针方向流动的主循环对流回路，而在熔池左侧为逆时针方向流动，如图(a)所示。这种对流运动的结果是熔池形状呈平面状。当考虑润湿性作用时，熔池表面张力将反向，熔体流动方向相异，如图(b)所示，这种对流结果最终导致熔覆层形貌呈现凸起状。不同截面形貌的熔池内熔体的流动特征：(a)平面;(b)凸面单道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析43/72激光熔覆层搭接示意图不同搭接率的熔覆层形貌：(a)10%;(b)35%;(c)50%Ro等于相邻熔覆道间的搭接宽度Do与单道熔覆层宽度W之比。当Ro为35%时，两熔覆道间较为平整，说明此时搭接区域的粉末可以较好的填充两熔覆道间隙。多道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析44/72搭接率Ro对熔覆层截面形貌影响示意图：(a)Ro偏小;(b)Ro较好;(c)Ro偏大从图(a)可以看出Ro偏小相邻熔覆道之间会出现明显的凹陷区，但两个熔覆道高度是一致的。从图(c)可以看出Ro偏大会出现搭接区的凸出，且两熔覆道高度不同。如在偏大和偏小的Ro下继续熔覆成形，会将缺陷遗传造成缺陷的进一步增大，最终导致成形的失败。从图(b)可以看出当Ro选择合适时，会有较好的熔覆效果。多道单层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析45/72单道多层照片：(a)不同ΔZ熔覆层;（b）阶梯熔覆层宏观形貌图(a)为P=2200W，V=300mm/min，Rp=5g/min和Rg=200l/h时，不同ΔZ的11层梯形沉积结构表面形貌。从图(b)可以看到沉积材料高度呈梯度上升，最终实现11层成形。单道多层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析46/72层薄壁样：(a)主视图;(b)左视图图为选取ΔZ小于第一层高度条件下制备的88层薄壁材料。可以清晰看到薄壁件的侧壁与基体有很好的垂直度。经对试件观察没有裂纹等严重缺陷存在，但可以看到侧壁存在有规律的凹陷，这是由于实验中采取每隔11层重新确定粉嘴与基体层的距离而留下的不连贯的痕迹。每11层内的层间没有明显的凹陷，表现出良好的连续成形性。单道多层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析47/72上下相邻层不同叠加方式的成形体表面形貌：(a)垂直叠加;(b)平行叠加可以看出上下相邻层垂直叠加方式，表面更加平整一些，这是由于当扫描方向垂直时，搭接处的凹凸缺陷可在下一层熔覆时得到弥补而不会遗传。而扫描方向平行时，搭接处的缺陷会遗传给下一层，缺陷不断累积，最终表面变得凹凸不平，质量较差。因此，在制备形成体时，应尽量选择垂直的叠加方式。多道多层激光熔覆激光熔覆层的形状及质量分析48/72Fe104熔覆层的金相图：(a)整体组织;(b)结合区;(c)中部区域;(d)顶部区域熔覆层的上部除了出现部分沿着冷却方向的带状柱状晶外，更多出现的是组织细小的等轴胞状晶，为熔覆层奠定了优异的力学性能。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层OM微观结构49/72Fe104熔覆层的截面SEM图像:(a)结合处;(b)中部;(c)上部;(d)中部区域放大图像在激光熔覆的液相凝固过程中枝晶基体会首先形核析出，逐渐长大形成树枝晶、柱状晶等，然后晶间的合金溶液冷却凝固从而发生共晶反应最终形成了密集的晶间网状结构，所以熔覆层内微观组织主要为枝晶基体和枝晶间网状共晶结构。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层SEM微观结构50/72由于Fe104合金粉末中的Si、B等元素主要用于激光熔覆液相凝固过程中的造渣功能，因此Si在熔覆层内的含量较少，且B元素在中部熔覆层内也并没有被明显检测到。然而Fe元素在熔覆层内的分布均匀且广泛，没有明显的偏析，并在枝晶基体内含量稍多，而Cr、Ni等合金元素虽然在枝晶基体和晶间共晶结构内也广泛分布，但在晶间的分布更加密集。与表中枝晶基体内的Cr、Ni的元素含量均小于晶间组织的结果相符合。Fe104熔覆层横截面EDS点分析激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层元素分布51/72Fe104熔覆层的TEM图像(a)枝晶基体和碳化物;(b)图a的放大图像;(c)图b的放大图像Fe104熔覆层内可以清晰的看到枝晶基体和黑色的合金碳化物。在(b)-(c)中，熔覆层内的枝晶晶界清晰可见，碳化物的内部可以分辨出不同形态的合金元素的物相，晶粒的排列齐整，呈纤维状。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层TEM微观结构52/72H13基体和Fe104熔覆层的摩擦系数H13模具钢基体和Fe104熔覆层在摩擦磨损试验时的平均摩擦系数分别为0.351和0.329。H13钢基体的在磨损时只需经过10min就能趋于稳定，然而Fe104熔覆层在40min时才将平均摩擦系数稳定在0.340左右。说明Fe104熔覆层耐磨性能优于基体。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层摩擦磨损性能53/72H13基体和Fe104熔覆层表面磨损形貌SEM图：(a)-(b)基体;(c)-(d)Fe104熔覆层图(a)中，基体的表面形貌表现出较深较宽且剧烈的塑性变形，出现了鱼鳞状的撕裂形貌，同时伴随着如图(b)所示的剥落坑和磨屑。图(c)中，Fe104熔覆层的磨损表面展现出比较规则且粗细深浅一致的犁沟状磨痕。如图(d)所示，Fe104熔覆层表面的只有局部的坑状剥落，且其深度和尺寸比图(b)中的更小，整体磨损更加轻微。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆铁基涂层摩擦磨损性能54/72Ni25熔覆层的金相图像：(a)横截面全貌;(b)、(c)、(d)为B、C、D在(a)中的放大图像从(b)中可以看出，Ni25熔覆层的近表面出现了大量的柱状枝晶，这些结构的平均尺寸为12~18μm，相邻结构的间距约为5~10μm。如(a)所示，这些柱状树突与胞状树突耦合排列在表层，深度约为0.2μm。在Ni25熔覆层的中间区域还发现了长针状柱状枝晶，长度在200~300μm，这与典型的快速凝固特征一致。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层OM微观结构55/72Ni25熔覆层的截面SEM图像：(a)上部;(b)中部;(c)中部区域放大图像顶部区域主要是胞状晶以及柱状晶组成，而中部区域与顶部区域没有明显的区别。在图(c)中可以观察到，枝晶结构和晶间结构共同组成了Ni25熔覆层的微观组织结构。其中，较为平滑的枝晶结构作为基体，大多数碳化物以及硅化物存在于晶间结构中，作为增强相来强化整体性能。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层SEM微观结构56/72Ni25熔覆层枝晶与晶间的EDS点分析：(a)横截面的SEM图像;(b)点a;(c)点b由图(b)-(c)可以看出，在枝晶与晶间区域的都发现了含量较高的Ni元素，而在枝晶区域Si元素以及Fe元素的含量较高，说明枝晶区域的碳化物以及硅化物的含量较多。总体来说，由于Ni元素的导热系数较高，枝晶与晶间在凝固过程中的元素偏析情况并没有很明显，这也缩小了枝晶与晶间区域由于元素含量差异而造成的组织和性能差异。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层元素分布57/72Ni25熔覆层的TEM图像：(a)枝晶基体和碳化物;(b)图a的放大图像从图中我们可以看出，在大块的白色组织为γ-Ni基体，周围发现了大量黑色且狭长的碳化物结构。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层TEM微观结构58/72H13钢基体与Ni25熔覆层的摩擦系数H13模具钢基体和Ni25熔覆层在摩擦磨损试验时的平均摩擦系数分别为0.351和0.325。由于Ni25熔覆层的微观组织主要由奥氏体组成，在摩擦磨损的过程会提供一定程度的润滑作用，来减少磨环对熔覆层表面的破坏程度。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层摩擦磨损性能59/72H13基体和Ni25熔覆层的表面磨损形貌SEM图：(a)H13钢基体;(b)Ni25熔覆层在(a)中可以观察到明显的塑性变形和大量的疲劳剥落，显示出严重的粘接磨损和撕裂。而Ni25熔覆层磨损表面仍以大规模的剥落和分层为主，由此可见，Ni25熔覆层并没有从根本上改变原来的磨损类型。由于Ni25中含有大量的Ni元素，导致最终形成以奥氏体为主的组织结构，较低的硬度及强度在摩擦磨损的过程中抵抗磨环的压应力时会发生粘结和变形，最终导致了大面积的疲劳剥落。激光熔覆层的形状及质量分析激光熔覆镍基涂层摩擦磨损性能60/72虽然激光熔覆技术发展较快，在工业生产中具有广泛的应用前景，但是激光熔覆技术真正大范围的应用于生产尚有许多问题有待深入系统的研究：一是熔覆涂层的耐磨损、耐腐蚀性，目前国内外对激光熔覆层耐磨性研究的比较深入，但有关激光熔覆层耐蚀性的研究报道较少，也不够系统和深入；二是激光熔覆的开裂问题，减少和解决开裂和熔覆层孔洞等问题有待深入研究。激光熔覆技术发展趋势61/72激光熔覆主要的发展趋势如下：设计使用梯度功能涂层材料，先预置过渡层或韧性、塑性相，在激光加工前后进行预热与后热处理；结合现代计算机科学技术，通过模拟计算建立熔池的温度场分布模型，研究熔池内流体的对流机制，模拟激光熔覆层的应力分布规律，以及凝固时熔覆层内组织变化的规律，进而优化设计熔覆工艺参数；设计出适合于激光熔覆的专用材料，根据熔覆层的性能要求定性与定量地设计出合金的成分，并根据不同的使用工况设计不同形状的涂层材料；激光熔覆技术发展趋势62/72通过激光熔覆与其他表面改性技术结合，制定新的工艺、方法，扩大激光表面处理技术的应用范围；进一步改进激光熔覆配套设备中的送粉器控制系统，提高其精确度，使其实现自动化、智能化、人性化等；致力于大功率、小型化激光器的研制与开发，完善大面积激光熔覆层制工艺，以适应大规模生产与加工。激光熔覆技术发展趋势63/72轴修复前状态激光熔覆过程激光熔覆技术修复轴激光熔覆技术的典型案例64/72预处理工序：包括工件表面除油、除锈→喷砂清理（进一步清理）→熔覆前处理（将需要激光熔覆的区域清洗干净，将存在明显缺陷的区域整平）

。质量检验工序：采用磁粉探伤、X射线探伤、荧光探伤或者显示剂探伤