激光熔覆改善材料性能研究范文

《激光与红外》2017年第5期

摘要：阐述了采用激光熔覆进行表面改性的研究进展，主要从激光熔覆提高基体材料的耐磨、耐蚀、抗氧化性等方面进行介绍。并将其与传统的热喷涂表面改性方法进行了对比。同时介绍了激光熔覆技术的应用现状。总体而言，激光熔覆层与基体呈冶金结合，结合强度高；熔覆层的厚度可控制；激光熔覆层气孔少、组织致密。

关键词：激光熔覆；表面改性；耐磨性

激光熔覆是一种涉及物理、冶金、材料学等领域的材料加工与表面改性技术，其技术手段是通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料及基材表层一起熔凝，形成与基材表面为冶金结合的表面熔覆层[1]，在制备耐磨、耐蚀、抗氧化、热障涂层方面都获得了一些成功的应用[2-4]。激光熔覆是一种非常重要的材料表面改性技术，经济效益较高且发展迅速。它可以使廉价的低性能金属表面具有贵重的高性能合金表面的性能，以降低材料的成本，减少能源消耗，提高金属零件的使用寿命[5-7]。激光熔覆技术始于20世纪70年代，1976年美国的DSGnanamuthu获得了激光熔覆一层金属于另一种金属基体上的熔覆方法专利。1981年，公司利用激光熔覆，在发动机叶轮片上熔覆钴基合金，提高了其耐磨性。经过30余年的发展，激光熔覆已成为材料表面工程领域研究的热门课题，被广泛地用于航空航天、石油、化工、冶金、电力、机械、模具等领域[8]。本文从激光熔覆技术改善基体耐磨、耐蚀、抗氧化性等性能方面进行了阐述，通过与热喷涂技术的对比得到了激光熔覆技术的优势并介绍了激光熔覆技术目前的应用现状和发展趋势。

1激光熔覆改善基体性能研究

不锈钢、钛合金等金属由于在特定条件下耐磨性、耐蚀性差等缺点制约其在工业工程中的应用。利用激光熔覆技术可在这些金属基体上制备出耐磨、耐蚀、抗氧化、热障涂层和具有一些特殊性能的表面熔覆层。

1.1激光熔覆改善基体耐磨性研究

钛及其合金被广泛的应用于航天、航空、化工和生物医学领域，由于其具有优异的综合性能，如高的强度质量比、优异的耐腐蚀性、良好的热导率以及生物相容性。然而，钛合金的摩擦学性能差，尤其是在高温时摩擦系数大，限制了其应用范围[9-10]。因此有很多学者对增强钛合金的耐磨性做了大量研究。石墨、二硫化钼等常见的固体润滑剂具有极易滑动的解理面，受到剪切力时易发生晶间滑移，滑动过程中的摩擦系数较低。杨胶溪等[11]利用激光熔覆技术在TC4基材表面制备TC4/Ni/MoS2复合材料。研究了室温和400℃下激光熔覆层的耐磨性。得出结论：在400℃下，由于MoS2的自润滑性能，复合涂层的摩擦系数达到0.06；涂层的磨损量显著减少，比基体降低了将近10倍。但是这类固体润滑剂在高于450℃时发生氧化，润滑性能会很快失效。而hBN由于具有良好的高温稳定性和润滑性，而且硬度较高，摩擦过程中不易破碎，在温度高于400℃时被广泛应用。

任佳等[12]以Ni60和hBN为原料，采用激光熔覆在钛合金（Ti6Al4V）基体上制备出了以镍基固溶体为增韧相，TiC、TiB2、CrB等为耐磨增强相，hBN为固体润滑剂的自润滑耐磨复合涂层。研究了以Si3N4陶瓷球为对偶件不同载荷下的干滑动摩擦磨损性能。结果表明：涂层硬度提高，由于碳化物硼化物硬质相的存在，降低了涂层与对偶件的粘着倾向，使复合涂层具有较低的磨损率。同时hBN在力的作用下铺展于摩擦表面使摩擦副之间形成了润滑转移膜，保持力学性能的同时降低了涂层的摩擦系数。吴少华等[13]利用激光熔覆在钛合金基体上制备了酌-NiCrAlTi/TiC/CaF2自润滑耐磨复合涂层，研究了钛合金和复合涂层在室温和高温（300、600℃）下的摩擦学性能。结果表明：复合涂层以镍基固溶体为增韧相，碳化物为增强相均匀分布于涂层中，复合涂层硬度大大提高，在室温下具有较低的摩擦系数，高温下表面生成的氧化膜起到了润滑作用。XiaoLongLu等[14]利用激光熔覆技术在Ti6Al4V基体上制备出了Ni60-hBN涂层。研究了在5N载荷下不同温度、hBN含量不同时涂层的摩擦学性能。

结果表明：镍基增韧相在高温时变软，与硬的Si3N4球配副时发生粘着磨损，涂层的摩擦系数较高。在加入hBN后生成的TiB2、TiC相和hBN固体润滑剂共同作用下改善了其摩擦学性能。以上的研究表明，硬质相的生成可提高涂层的硬度。可以外加硬质陶瓷相提高硬度以减少摩擦表面的粘着磨损从而降低摩擦系数，但是在重载作用下陶瓷颗粒可能会脱离基体，相容性较差。因此现在的研究大都通过与熔池中的元素反应原位生成增强相，起到强韧复合涂层的作用。少量六方氮化硼hBN的加入使涂层在高温（>400℃）时具有良好的耐磨性；而金属氟化物在高温下也有优异的摩擦学性能；MoS2的加入使其在中温下有显著地自润滑性能，降低了涂层的摩擦系数。在今后的研究中学者可以同时复配低、中、高温段固体润滑剂，这样在一个很宽的温度范围(25℃～1000℃)内涂层材料的摩擦磨损性能可能会大大提高。此外还有学者对其它金属基体的耐磨性做了大量研究。

ShitangZhang等[15]采用激光熔覆在1Cr18Ni9Ti基体上制备了Ni/hBN涂层，并与Si3N4陶瓷配副。研究了100N载荷下从室温到800℃下的摩擦学特性。研究发现随着温度的升高，摩擦系数呈下降趋势，当温度为800℃时，摩擦系数最低为0.25；600℃时磨损率最小为0.1伊10-7g/Nm。总的来说，激光熔覆镍基合金并添加一定的润滑剂可在提高硬度保证材料力学性能的同时有效降低基体的摩擦系数和磨损率。激光熔覆材料除镍基粉末外还有钴基、铁基、陶瓷粉末。有学者在不锈钢表面激光熔覆Co基、Fe基合金粉末，使基体的硬度和耐磨性提高，同时也改善了其在特定环境中的耐腐蚀性。但是Co基合金成本较高，Fe基合金中Cr元素含量较低，其抗氧化性差。陶瓷粉末由于具有好的耐磨、耐腐蚀、抗氧化、耐高温性也常被用来制作高温耐磨涂层。此外，激光熔覆专用粉末的开发也成为了当下的发展趋势，在保持材料硬度的情况下有效的降低了熔覆层的开裂问题。

1.2激光熔覆改善基体耐蚀性研究

在特定的环境中，比如海洋环境、酸碱溶液中，零件表面的失效形式主要是腐蚀，这就导致了零件报废甚至整个机器的故障。腐蚀给造成的经济损失惨重，故在特定环境中对零部件的保护尤为重要[16]。杨宁等[17]在45钢基体表面制备出了VC-WC-W2C颗粒增强镍基熔覆层，涂层厚度0.8～1.0mm，并采用静态浸泡法研究该熔覆层在10%H2SO4溶液中的腐蚀性。得出结论：不同V2O5垣WO3垣C含量的镍基熔覆层在硫酸溶液中的耐蚀性均较好。杨晓红等[18]利用同步送粉法，在45钢表面激光熔覆Ni35合金粉末。研究了在3.5wt%NaCl溶液中，45钢基体与Ni35熔覆层的电化学性能。结果表明：在NaCl溶液中，Ni35熔覆层的腐蚀电位为-0.896V，基体的腐蚀电位为-1.006V，熔覆层的自腐蚀电流密度为1.096A/m2，基体自腐蚀电流密度为1.685A/m2，耐腐蚀性较基体大大提高且腐蚀速率要低于基体。郭士锐等[19]在不锈钢基体上激光熔覆Co基合金。利用气蚀装置对熔覆后的试样和基体进行分析。经激光熔覆后的试样表面抗气蚀性能较基体提高了2.7倍，气蚀累计质量损失仅为基体的36.8%。综上，激光熔覆耐蚀涂层以Ni基自熔合金或不锈钢及以它们为基的金属陶瓷复合涂层材料为主，具有优良的抗腐蚀性能。此外，由于稀土或稀土氧化物可以细化晶粒、改善基体的抗腐蚀能力，同时还可以提高涂层与基体的结合强度，降低涂层孔隙率。因此，学者可以通过激光熔覆技术制备含稀土氧化物的复合涂层以提高耐腐蚀性能。

1.3激光熔覆改善基体抗氧化性研究

韦子运等[20]采用NiCoCrAlY合金粉末在GH4037合金表面激光熔覆制备了纳米SiC颗粒增强Ni基合金涂层，进行了高温抗氧化性试验。试验发现加入适量纳米SiC颗粒涂层在高温时氧化增重比未加入SiC缓慢，这是因为激光熔覆层致密的氧化膜提高了抗剥落能力。张松等[21]在2Cr13钢表面激光熔覆钴基稀土合金涂层时，将稀土元素钇加到熔覆层中，熔覆层经氧化处理增重是未加钇的1/4。由此得出，加入钇明显地改善了熔覆层的高温抗氧化性能。ZhangXiaowei等[22]在Ti6Al4V基体上激光熔覆Ti/AlN混合粉末生成TiN/Ti3Al复合涂层。研究了Ti、AlN在不同的摩尔比下，600、800℃时涂层的抗氧化性。实验表明当Ti、AlN摩尔比为4:1时，涂层表面更均匀致密；在此摩尔比之下，600℃时涂层的相对抗氧化性为6.83，800℃时为1.94，相比于基体的1.0，其抗氧化性大大提高。总的来说，为了提高高温抗氧化性能，热障涂层是目前的发展趋势，它是以MCrAlY为连接底层，M代表铁、钴、镍三种金属中的一种或两种，以ZrO2为表面隔热层，兼有良好抗热腐蚀性能和隔热性能。为了提高其稳定性，也加有适量的氧化钇、氧化镁或氧化钙。越来越多的学者研究金属/陶瓷梯度涂层作为隔热涂层运用在工业中。这种功能梯度涂层使元素含量逐层改变，减小了熔覆层材料和金属基体之间的膨胀系数、润湿性等方面的差异，降低了裂纹的产生。

2激光熔覆与热喷涂法的比较

热喷涂技术是表面改性技术的重要组成部分之一，它是利用热源将喷涂材料加热熔融或软化，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面，制造一个特殊的工作表面(厚度为十微米至百微米级)，使其具有耐磨减摩、抗氧化、隔热、绝缘、导电等一系列多种功能[23]。冯旭东等[24]在Q235基体上利用火焰喷涂法制备了Ni25合金涂层，再采用激光熔覆重熔涂层，通过SEM观察得到激光熔覆层质量良好，基本无裂纹和气孔，组织致密晶粒细小；而热喷涂层有明显的孔洞，结合界面的质量差。激光熔覆层的硬度明显高于热喷涂层的硬度。马文有等[25]在铜合金表面先等离子喷涂镍基合金粉末，再进行激光重熔，在室温时以45钢为对磨件进行销盘磨损试验。

结果表明：热喷涂层近似呈层状结构，结合不致密，并有少量孔洞及裂纹出现，热喷涂层的耐磨性提高了5倍，经重熔后缺陷消失，与基体呈冶金结合，耐磨性提高了10倍。李刚等[26]在38CrMoAl基体上分别用激光熔覆与氧乙炔火焰喷涂制备NiCrBSi+25%WC合金涂层。通过对比可知激光熔覆涂层致密无气孔、熔覆层对基体的热影响较小且基体上存在弥散相，涂层的耐磨性大大增加；相反热喷涂涂层中有气孔、夹杂缺陷，涂层对基体的热影响较大，容易引起基体工件的变形，硬度也稍低于激光熔覆层。与热喷涂技术相比可知，激光熔覆层与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，涂层强度较高，不易使工件变形，而且目前大力开展的梯度涂层可以设计涂层的成分和结构。除了上述优点外，还有学者研究发现：该技术存在的一些问题，熔覆层的质量不易控制，表面会产生裂纹，所以这就要求熔覆层与基体材料的热膨胀系数要无限接近，虽然可以通过预热及后热的方法减少裂纹，但是该方法不能从根本上改善此问题，因此很多学者研究开发专用的激光熔覆材料。熔覆工艺参数不易控制，很多学者也通过大量实验来寻找使基体达到最好性能时的熔覆功率、扫描速度等，可通过计算机模拟来节省试验时间。同时对激光熔覆成型理论的研究尚须进一步完善，熔池固液界面的温度梯度及冷却速度对材料组织和性能影响较大，因此对熔池尺寸和温度的模拟也成为当下的研究热点。

3激光熔覆技术的应用现状

随着工业技术要求的发展，对发动机叶片、轴类零件、齿轮类零件等的工作温度环境要求也越来越高，零件失效和报废的速度越来越快[27]。如果可对表面损伤的零件进行修复，可以提高零件的利用率、减少经济损失。由于激光熔覆技术具有一系列优良的性能，因此该技术被广泛地用于零部件的修复中。张松等[28]将激光熔覆技术应用于鼓风机叶片表面的强化。即在15MnV钢叶片上激光熔覆镍基WC合金粉末，得到的涂层组织致密均匀，与基体结合良好，耐磨性和耐腐蚀性大大提高。经实际运行试验，原15MnV钢叶片运行总时间为800h，激光熔覆处理的叶片运行总时间不低于3200h，寿命提高了4倍以上。宫新勇[29]对受损TC11钛合金整体叶片盘的断裂叶片实施激光熔覆沉积修复。修复后的叶轮经仿形加工、无损检测、动平衡校验、超转试验后,最终实现了装机应用。罗奎林等[30]对航空发动机大型风扇机闸静子叶片采用单道多层熔覆工艺进行修复。结果表明熔覆区和母材结合良好，界面无冶金缺陷；激光熔覆层显微硬度平均比母材高15%；对修复后的风扇机匣经发动机400h长期试车后进行清洗、分解、故障检查，未发生掉块现象，熔覆质量高。马向东等人[31]采用Fe901铁基合金对Crl2淬火失效模具进行激光熔覆修复，使其具有较高的硬度、耐磨性和抗冲击性能，实际效果良好。

TaberneroI[32]对粉末和激光束的相互作用、熔池的创建等进行了模拟，最终利用激光熔覆技术对GGG70L冲压模具进行修复。刘建永[33]利用机器人激光熔覆技术对覆盖件拉深模进行了局部熔覆强化，取得了较好效果。JXiong等[34]利用激光熔覆对热轧机机壳进行修复，减少了轴承的磨损，提高其使用寿命。刘长生[35]通过激光熔覆镍基合金粉末对压缩机转子轴颈进行修复重建，运行显示各项指标均正常，并用便携式震动检测仪进行了检测。结果表明，修复的转子振动小于双振幅，转子与轴承的接触良好，运转平稳磨损正常。陈曦[36]对采煤机大齿轮采用单道激光熔覆Ni合金粉末进行修复再制造，并利用显微硬度仪、摩擦磨损试验仪及扫描电镜等检测装置对熔覆层表面进行组织检测。经修复，齿轮表面硬度满足要求；磨损率优于原材料。检测结果基本满足目标需求。目前，有学者利用激光熔覆在钛合金基材上制备具有生物活性陶瓷的羟基磷灰石，并将此植入人体引导诱发骨细胞的生长，其在生物医学领域的应用意义非凡。随着野中国制造2025冶发展规划的不断推进，激光熔覆技术将广泛应用于航空航天、电力行业、石油勘探、煤炭开采以及梯度功能零件的修复再制造中，并产生巨大的经济效益。

4结语

本文从激光熔覆改善基体材料性能、与热喷涂对比的优势以及其在零件修复中的应用三个方面对激光熔覆技术进行表面改性的研究进展加以综合阐述，得出结论：激光熔覆层与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少；绿色环保等特点被广泛用于金属的表面改性中。因此在未来的发展中，对激光熔覆的技术要求也会越来越高，学者可从以下几个方面进行深入研究：（1）熔覆工艺的优化。针对熔覆层表面开裂的问题，设计复合涂层和梯度功能涂层是未来的发展方向。研究熔池的温度场分布，熔覆层内发生组织变化的过程，来进一步完善熔覆工艺。（2）开发大功率的激光器。目前大部分激光器的功率较小，导致只能熔覆较小面积的工件，今后学者可以开发大功率的激光器，使熔覆面积扩大。（3）计算机模拟的应用。利用计算机模拟熔覆工艺过程可获得最佳的工艺参数，这样节省了通过大量试验寻求最优性能的时间。

参考文献：

[1]关振中．激光加工工艺手册[M]．北京：中国计量出版社，2005．

作者：高东强,王蕊,陈威,王哲 单位：陕西科技大学