激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

1973年，美國avco企業(yè)d.s.gnamauth獲得了光學(xué)涂層技術(shù)專利，1979年，日本先后宣布了光學(xué)涂層技術(shù)在氣輪機(jī)葉片上的應(yīng)用專利。其技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代,它是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面與基材相互熔合,形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層。激光熔覆的作用不僅僅是提高材料表面層的性能,而是賦予它新的性能,并降低制造成本和能耗,節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬元素。由于激光熔覆技術(shù)在激光熔覆理論,物理數(shù)學(xué)模型,合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究,設(shè)備自動(dòng)化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控,專用功能部件研制以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展,因此,激光熔覆技術(shù)不僅引起西方各國的注意,同時(shí)也受到了國內(nèi)的廣泛重視,被廣泛地應(yīng)用于航天、汽車、石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、工模具和輕工業(yè)等領(lǐng)域。本文主要從鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和金屬陶瓷作為激光熔覆材料的應(yīng)用、熔覆層性能和激光工藝參數(shù)等方面綜述激光熔覆技術(shù),并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了分析。1化學(xué)成分和加工工藝激光熔覆材料體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和金屬陶瓷等,其性能取決于熔覆層的組織和相組成,其化學(xué)成分和加工工藝又決定了熔覆層的組織和相組成。1.1非平衡相轉(zhuǎn)移的碳化物熔覆層激光熔覆鐵基合金適用于溫度要求不高(<400℃)的耐磨零件,所用粉末主要有不銹鋼類和高鉻鑄鐵類,分別適用于低碳鋼和鑄鐵基體。其熔覆層為非平衡的奧氏體和M7C3碳化物,由于固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)與碳化物交互作用使熔覆層具有920HV0.2的較高硬度。由于鐵基合金成本低廉,經(jīng)常用作鎳基合金的代用品,與鎳基合金相比,鐵基合金激光熔覆層韌性稍差。1.2不銹鋼自熔合金鈷基、鎳基合金具有高硬度、耐磨、抗熱和抗氧化等性能。從工藝上講,激光熔覆層又因?yàn)榧す饪焖倌踢^程產(chǎn)生的晶粒細(xì)化、非穩(wěn)態(tài)相和過飽和固溶體而具有高硬度、耐磨性和耐蝕性。因此,鈷基、鎳基激光熔覆層被廣泛應(yīng)用于高參數(shù)閥門密封面等惡劣工況條件。比如,意大利菲亞特汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥座的環(huán)形表面用Stellite合金激光熔覆。起初用AVCO6.5kW激光器,8s處理一件。用某研究所研制的一種稱為能量回收腔的裝置,大大提高了能量利用率,使所需能量減少一半以上;再如美國的汽車排氣閥座也用激光熔覆Stellite合金,俄羅斯利哈喬夫汽車廠的排氣閥座激光熔覆耐熱合金。激光熔覆用鈷基合金目前主要有Stellite合金、鈷基高溫合金和鈷基自熔合金,鎳基合金有Colmonoy合金和鎳基自熔合金等。Colmonoy合金具有很好的耐腐蝕和耐磨損的性能,并且具有良好的穩(wěn)定性而被用于耐磨環(huán)境。Stellite合金被廣泛應(yīng)用于非潤滑的高溫磨損件,其中含ω(Cr)=30%左右的Cr可以提高抗腐蝕性,另外加入ω(W)=4%～17%的W產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的效果,合金中含碳量為w(C)=0.1%～3.0%時(shí)可形成堅(jiān)硬的碳化物。Stellite6合金成分組成為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,通過對(duì)其顯微組織、耐腐蝕、耐磨性進(jìn)行研究,認(rèn)為,Stellite6合金激光熔覆層是由先共晶的γ-Co(固溶體)枝晶基體和枝晶間網(wǎng)狀共晶M7C3組成的,當(dāng)C含量超過2%而接近2.5%時(shí),基體就由亞共晶轉(zhuǎn)變?yōu)檫^共晶。在激光熔覆Stellite6合金中Co是以高溫相存在,這是由于激光熔覆的快速冷卻所致。鈷基高溫合金用于激光熔覆的研究也時(shí)見報(bào)道,由它可得到高溫耐氧化兼有耐磨損性能的熔覆層,熔覆層中碳化物有M7C3、M6C、MC和M23C6幾種形式。通常激光用鈷基自熔合金粉末是在Stellite合金的基礎(chǔ)上研制的,合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C,此外添加B和Si增加合金粉末的潤濕性以形成自熔合金,但B含量過多會(huì)增加合金的開裂傾向。鈷基自熔合金粉末與鋼鐵件在熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、密度等方面都比較接近,從而減少了熔覆層在冷凝過程中的熱收縮應(yīng)力;而且鈷基合金具有良好的熱穩(wěn)定性,在熔覆時(shí)很少發(fā)生蒸發(fā)升華和明顯的變質(zhì);另外,鈷基粉末合金在熔化時(shí)具有很好的濕潤性,熔化后在基體材料的表面均勻鋪散,有利于獲得致密性好和光滑平整的熔覆層,提高了熔覆層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度。由于鈷基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W,因此它具有良好的高溫性能和綜合力學(xué)性能,Co與Cr形成穩(wěn)定的固溶體。由于含碳量較低,基體上彌散分布著亞穩(wěn)態(tài)的Cr23C6、M7C3和WC等各種碳化物以及CrB等硼化物,導(dǎo)致合金具有更高的紅硬性、高溫耐磨性、耐蝕性和抗氧化性。1.3激光熔覆金屬陶瓷的基本成分陶瓷材料具有一般金屬材料難以比擬的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性能,但其脆性一直是其廣泛應(yīng)用的障礙。激光熔覆金屬陶瓷是通過大功率激光束的作用,形成均勻、致密、且與基體結(jié)合牢固并具有一定韌性的金屬/陶瓷復(fù)合層。近年來,用高能量密度的激光熔覆高硬度和耐磨損的金屬/陶瓷涂層是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域,國內(nèi)某大學(xué)在這方面做了大量的研究,已取得了可喜的成績。2輻照作用方面激光工藝參數(shù)包括:激光功率、掃描速度、光斑直徑等,這些參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量均有影響,如何評(píng)價(jià)每個(gè)工藝參數(shù)在熔覆層形成過程中的作用是熔覆層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。國內(nèi)外研究者尤其是國內(nèi)的研究者作了大量的工作,并提出了比能量的概念。比能量,即單位面積上的輻照能量。可將功率大小和掃描速度等因素綜合在一起。。另外還提出了質(zhì)能量、線能量等綜合工藝參數(shù)。大部分研究者認(rèn)為激光熔覆參數(shù)不是孤立地影響熔覆層宏觀和微觀質(zhì)量,而是相互影響的。對(duì)激光熔覆層性能的研究集中在耐磨性、耐腐蝕性、界面結(jié)合特性等方面。研究表明,激光熔覆層與等離子噴焊比較,其缺陷率低,組織細(xì)密均勻,成分稀釋率小,對(duì)基體熱影響小,熔覆層強(qiáng)韌性均有明狐提高。研究還表明,激光功率過小和過大都不利于熔覆層的耐蝕性和耐磨性,只有在比較合適的功率下,微粒熔化比較充分,熔覆層結(jié)合良好,試樣耐磨性才能明顯提高。文獻(xiàn)在對(duì)Ni-WC金屬陶瓷層耐磨性的研究中,發(fā)現(xiàn)熔覆層中WC顆粒的種類和含量是其耐磨性變化的重要因素,但過高的WC含量也會(huì)降低熔覆層的耐磨性。3激光熔覆法非織造材料的成分設(shè)計(jì)問題盡管激光熔覆技術(shù)在近年來得到快速發(fā)展,但作為大范圍商業(yè)應(yīng)用還受到很大限制,僅就熔覆層而言,首先需解決的是熔覆層材料成分設(shè)計(jì)問題,因?yàn)槿鄹矊有阅芘c合金成分密切相關(guān)。目前,激光熔覆