激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層研究進(jìn)展

激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層研究進(jìn)展

激光熔覆技術(shù)修復(fù)重要機(jī)械部件的表面。傳統(tǒng)的方法，如重疊和熱噴涂層，具有很高的效率，涂層厚度均勻，與基質(zhì)相連，但由于加熱過(guò)程的緩慢，稀釋率和熱損傷的影響區(qū)域較大，這只適用于平坦的表面。而激光熔覆技術(shù)具有能量密度高、熱變形與熱影響區(qū)小、稀釋率低、激光加工位置可以精確定位等優(yōu)點(diǎn),正成為汽車、冶金、交通等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于激光熔覆自身的特點(diǎn)即快速加熱與快速冷卻凝固,在材料表面極易形成裂紋,這已成為阻礙激光熔覆技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用難以逾越的障礙之一。為解決熔覆層裂紋問(wèn)題,加快推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層的研究現(xiàn)狀,提出了激光感應(yīng)復(fù)合快速的新方法,熔覆效率相對(duì)于傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)也大大提高而且金屬陶瓷復(fù)合涂層無(wú)氣孔與裂紋。1激光金屬陶瓷復(fù)合涂層研究現(xiàn)狀1.1同步送粉法原理文獻(xiàn)系統(tǒng)地總結(jié)了預(yù)置粉末法與同步送粉法的工藝特點(diǎn)。預(yù)置粉末法首先采用粘結(jié)劑將合金粉末調(diào)和成膏狀涂于基材表面,然后進(jìn)行激光熔覆。該方法雖然簡(jiǎn)單易操作,但主要缺點(diǎn)是激光加工窗口窄、熔覆效率低,僅局限于平整表面的工件,且有機(jī)粘結(jié)劑在熔覆過(guò)程中極易形成氣孔,導(dǎo)致熔覆層開(kāi)裂。同步送粉法又分為同軸送粉法與離軸送粉法,見(jiàn)圖1所示。其基本原理是利用高能束激光輻照基材的同時(shí),將金屬陶瓷復(fù)合粉末送入熔池,低熔點(diǎn)的金屬吸收激光能量后首先被熔化,經(jīng)激光掃描后,熔化的金屬作為粘結(jié)劑將高熔點(diǎn)的陶瓷相包覆其中,然后快速冷卻凝固形成金屬陶瓷復(fù)合涂層。相對(duì)于預(yù)置粉末法而言,同步送粉法具有粉末利用率高、稀釋率低、與基材結(jié)合牢固、熔覆層宏觀尺寸可控及加工窗口寬等優(yōu)點(diǎn)。但同步送粉法由于粉末流在與激光束作用前要先聚焦,且聚焦的粉末流尺寸不能大于激光光斑直徑,導(dǎo)致粉末噴嘴與基材間可調(diào)節(jié)的距離很窄,且粉末流量不能過(guò)大,否則會(huì)對(duì)激光能量形成“屏蔽”效應(yīng),導(dǎo)致涂層中陶瓷相大量燒損且不能與基材形成冶金結(jié)合。而離軸送粉法的粉末流量與激光束能量可以單獨(dú)控制,粉末噴嘴與基材間的距離和角度可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié),因此,可使熔覆效率大大提高,特別是多道搭接激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層時(shí),可以大大降低陶瓷相的燒損與熔解,提高熔覆涂層的抗開(kāi)裂與耐磨損性能。1.2wc復(fù)合涂層的顯微組織用于激光熔覆的金屬陶瓷復(fù)合粉末主要是在合金粉末如鎳基、鈷基與鐵基粉末中摻入陶瓷相如WC,TiC,SiC等硬質(zhì)化合物以滿足熔覆層各種性能的要求。相對(duì)于TiC與SiC而言,由于WC的密度較大,在激光熔覆過(guò)程中不存在上浮與高溫氧化的問(wèn)題,在熔覆涂層內(nèi)可以保持其高硬度的性能,因此,WC在激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層中被廣泛地使用。李強(qiáng)等人應(yīng)用預(yù)置粉末法在中碳鋼上進(jìn)行了激光熔覆鎳基鑄造WC復(fù)合涂層的實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn):復(fù)合涂層的顯微組織為外延生長(zhǎng)的平面晶、胞狀晶與柱狀晶。XRD分析結(jié)果表明,復(fù)合涂層主要由WC,W2C,γ-Ni,η1-M6C,M23C6,M7C3及Ni4B3與Ni3B等相結(jié)構(gòu)組成。涂層硬度分布為HV0.2960-1040,表明從熔池底部到頂部熔池溫度伴隨著升高,鑄造WC的燒損與熔解變得嚴(yán)重。Chiang等人采用相同的方法也在高碳鋼上應(yīng)用激光熔覆方法獲得了stellite12+WC的復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn),顯微組織主要是由樹(shù)枝晶、共晶、多面狀枝晶與未熔解的WC組成,WC與Co基合金相互作用及燒損后生成σ-Co+M23C6+M6C+M7C3等物相結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明,WC在復(fù)合涂層中存在不同形式的燒損。粗顆粒如粒度為(600～900)μm的燒結(jié)WC主要發(fā)生“黑心”式燒損;當(dāng)WC的粒度為(125～530)μm時(shí),主要發(fā)生溶解擴(kuò)散式燒損;對(duì)于粒度小于100μm的鑄造WC,則主要發(fā)生潰散式燒損與非均勻長(zhǎng)大式燒損。后來(lái)吳新偉等人應(yīng)用差熱分析法證明了激光熔覆鎳基WC復(fù)合涂層時(shí)還存在反應(yīng)擴(kuò)散式燒損。1.3碳化符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層耐磨損性能的影響綜上所述,陶瓷相的粒度、燒損特征與分布對(duì)復(fù)合涂層的耐磨損性能與抗開(kāi)裂性能都有重要的影響。因此,建立激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層的數(shù)學(xué)模型,對(duì)正確理解激光束、復(fù)合粉末與基材三者之間的相互作用過(guò)程,合理選擇陶瓷相顆粒的粒徑與激光加工工藝參數(shù)都有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。曾曉雁等人應(yīng)用網(wǎng)格與定量金相法提出了計(jì)算碳化鎢顆粒平均間距的模型,即:d=2πDˉˉˉ[0.785f5????√?1](1)d=2πDˉ[0.785f5-1](1)式中:d表示碳化鎢顆粒間的平均間距;f5表示碳化鎢的面積分?jǐn)?shù);DˉˉˉDˉ表示碳化鎢顆粒的平均粒徑。該式表明碳化鎢顆粒間的平均間距與顆粒粒徑成正比,而隨碳化鎢面積分?jǐn)?shù)的增加而減小。因此,碳化鎢顆粒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)越高,平均粒徑越小,對(duì)粘結(jié)金屬的“陰影保護(hù)效應(yīng)”越強(qiáng),復(fù)合涂層也就具有更優(yōu)異的耐磨損性能。早在1992年,Hoadly等人應(yīng)用有限元方法模擬了離軸送粉法激光熔覆過(guò)程的溫度場(chǎng),在建立模型時(shí)他們假設(shè)激光熔覆是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)二維模型,并且認(rèn)為熔覆粉末被吹入激光熔池后快速地混合均勻。后來(lái)Picasso等人也應(yīng)用有限元方法建立了激光熔覆過(guò)程的二維靜態(tài)模型,研究了熱毛細(xì)管效應(yīng)與粉末噴射力對(duì)熔池的形狀、溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的影響。由于實(shí)際的激光熔覆是一個(gè)動(dòng)態(tài)三維過(guò)程,因此,上述二維模型的建立雖然對(duì)理解激光熔覆過(guò)程有一定的幫助,但模型與實(shí)際激光熔覆過(guò)程相差較大,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的實(shí)用性并不強(qiáng)。近年來(lái),激光熔覆模型的建立向三維動(dòng)態(tài)方向發(fā)展,使模型與實(shí)際激光熔覆過(guò)程越來(lái)越接近,向在線預(yù)測(cè)與控制熔覆層質(zhì)量邁進(jìn)了一大步。Toyerkani等人建立了離軸送粉法激光熔覆過(guò)程的三維有限元模型,研究了激光加工工藝參數(shù)如激光功率、掃描速度、脈沖形狀以及粉末流速對(duì)熔覆層幾何形狀的影響。后來(lái)加拿大A.Fathi等人將上述模型進(jìn)行了延伸與發(fā)展,在該模型中他們認(rèn)為激光熱源由無(wú)限個(gè)點(diǎn)熱源組成,因此,使用移動(dòng)點(diǎn)熱源與重疊原理求解熱傳導(dǎo)方程。利用該模型可以根據(jù)熔覆層的厚度及激光掃描速度精確預(yù)測(cè)熔池深度、稀釋率及激光加熱區(qū)的溫度分布,可實(shí)時(shí)控制應(yīng)用,從而為控制與提高熔覆質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。2預(yù)熱與后熱從以上文獻(xiàn)的研究結(jié)果可以看出,激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層技術(shù)并未在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,關(guān)鍵原因是激光熔覆效率低且熔覆層極易產(chǎn)生裂紋。解決激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層開(kāi)裂的途徑主要有:預(yù)熱與后熱、開(kāi)發(fā)專用合金粉末、優(yōu)化工藝參數(shù)、加入稀土元素等。預(yù)熱與后熱方法被認(rèn)為是最有利于消除裂紋的方法之一,一般是采用加熱爐或氣體火焰對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱與后熱處理,從而來(lái)減小熔覆層與基材間的溫度梯度,達(dá)到提高熔覆層抗開(kāi)裂性能的目的。但由于該方法受熱過(guò)程緩慢,會(huì)引起熔覆層組織粗化,從而導(dǎo)致機(jī)械性能惡化。此外,對(duì)于大型零部件如大型軋輥、曲軸等,需要大型的加熱爐,長(zhǎng)時(shí)間的加熱與保溫容易氧化鐵皮,而且裝卸極不方便,不但工作效率低,而且還容易灼傷操作人員,應(yīng)用前景不容樂(lè)觀。專用合金粉末開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),并在實(shí)用期間需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本高居不下,而通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)來(lái)抑制熔覆層開(kāi)裂的作用也有限。添加稀土元素是否有助于提高熔覆層抗開(kāi)裂性能目前還存在著很大的爭(zhēng)議,因此,尋找一種運(yùn)行成本低、易操作且能提高激光熔覆效率與消除熔覆層裂紋的方法成為了研究人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。3高頻感應(yīng)加熱器盡管國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者提出了許多防止激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層開(kāi)裂的措施,但都未從根本上消除裂紋?；诖?本文提出了激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆的新方法,其基本原理是倫茲定律,即隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)會(huì)形成渦流,根據(jù)焦?fàn)栃?yīng),渦流可以產(chǎn)生熱。因此,利用高頻感應(yīng)加熱線圈在工件表面產(chǎn)生的集膚效應(yīng),可使工件表面的溫度只需幾秒鐘就可達(dá)到紅熱狀態(tài),然后將激光束定位到感應(yīng)加熱區(qū),實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合,同時(shí)快速進(jìn)行激光熔覆。本實(shí)驗(yàn)室已在A3鋼表面進(jìn)行了激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆實(shí)驗(yàn),熔覆粉末為Ni60A+20wt%WC的復(fù)合粉末,采用圖2所示的裝置進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆時(shí),激光掃描速度達(dá)3000mm/min,粉末沉積率為(52.24～82.67)g/min,獲得了熔覆層寬度為(3～5)mm,厚度為(0.6～1.2)mm的金屬陶瓷復(fù)合涂層,經(jīng)檢測(cè)沒(méi)有氣孔與裂紋。通過(guò)引入高頻感應(yīng)加熱器,激光熔覆的效率得到大大提高,其顯著的優(yōu)點(diǎn)如下:1)感應(yīng)加熱裝置尺寸小,開(kāi)啟迅速,可取代體積大、起動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)、效率低的加熱爐;2)被加熱的工件不需要同感應(yīng)器接觸,加熱時(shí)間短,裝卸方便,而且可以對(duì)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)加熱并同時(shí)進(jìn)行激光熔覆,比傳統(tǒng)激光熔覆的效率高1～5倍;3)可對(duì)需要加熱的區(qū)域精確定位,而不必對(duì)工件進(jìn)行整體加熱,因此對(duì)工件尺寸與形狀無(wú)限制。對(duì)于修復(fù)大尺寸工件如大型軋輥、曲軸等優(yōu)勢(shì)十分明顯,應(yīng)用前景十分廣闊。4熔覆層模面的加工與性能的優(yōu)化相比于傳統(tǒng)的表面處理技術(shù),激光熔覆技術(shù)在關(guān)鍵零部件表面修復(fù)與三維快速制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)于激光熔覆的工藝、組織與性能演變規(guī)律的研究報(bào)道很多,而且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。為了理解激光熔覆過(guò)程的機(jī)理,合理選擇激光加工工藝參數(shù),優(yōu)化熔覆層的組織與性能,國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者提出了許多關(guān)于激光熔覆的數(shù)學(xué)模型,對(duì)于在線控制與預(yù)測(cè)激光熔覆層的幾何形貌與質(zhì)量具有重大的理論意義與實(shí)用價(jià)值。目前,激光熔覆技術(shù)最大的問(wèn)題是熔覆層容易產(chǎn)生裂紋,特別是在大型機(jī)械零部件以及難焊接基材上進(jìn)行表面修復(fù)時(shí)更加明顯,嚴(yán)重阻礙了激