激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王斌修，李成彪

(青島理工大學機械工程學院，山東青島266033)

激光熔覆技術(shù)是材料表面改性技術(shù)中的一種重要方法，它利用高能激光束 (104106W/cm2)，將具有不同成分、性能的材料與基材表面快速熔化、擴展并迅速凝固，形成一層具有特殊物理、化學或力學性能的復合材料，從而獲得基體所不具備的性能，如高硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及高溫下的抗氧化性等，這種復合材料具備了熔覆材料和基體二者的優(yōu)勢，彌補了相互間的不足。采用該技術(shù)可使涂層與基體的結(jié)合方式由常規(guī)熱處理中的機械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，從而更能勝任摩擦、磨損條件較為苛刻的場合。

1 激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點

與各種常規(guī)表面處理技術(shù)，如涂料涂層、電鍍、堆焊和等離子噴涂等相比，激光熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點:(1)激光能量密度高，加熱速度快，熔覆層熱影響區(qū)小，工件變形小;(2)激光能量密度可調(diào)，在確?；臉O低稀釋率的同時，能夠保證熔覆層和基體間呈良好的冶金結(jié)合;(3)激光熔覆時，加熱、冷卻速度快，熔覆層晶粒細小、結(jié)構(gòu)致密，能夠獲得較高的硬度和良好的耐磨、耐腐蝕性能;(4)光斑照射區(qū)域可通過導光系統(tǒng)進行處理，可對工件局部或難加工部位進行選區(qū)熔覆;(5)適用范圍廣，理論上幾乎所有的金屬、陶瓷材料都可通過激光熔覆將其熔覆到任何合金上。

2 激光熔覆技術(shù)的工藝方法

與激光熔覆相關的工藝主要是材料表面預處理方法、熔覆材料供給方式、預熱和后續(xù)熱處理。熔覆材料供應方法可分為合金同步法與合金前置法。

2.1 合金同步法

合金同步法是指在激光照射基材的同時，通過專門的送料系統(tǒng)將熔覆材料送入激光作用區(qū)，使熔覆材料和基材同時熔化，繼而冷卻結(jié)晶形成合金熔覆層。該方法工藝過程簡單，易控制和實現(xiàn)自動化，并且熔覆材料利用率高，實際生產(chǎn)中采用較多。文獻 ［1］研制了一種適用于垂直面送粉激光表面強化的噴嘴，建立了一套完整的垂直面送粉激光強化系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)進行了垂直面送粉激光強化技術(shù)的研究，利用該系統(tǒng)能夠確保垂直面送粉各方向的均勻性和激光熔覆熔池的良好惰性氣體保護和光束折彎鏡片的保護，很好地保證了熔覆層與基體的冶金結(jié)合和稀釋率的關系。

2.2 合金前置法

合金前置法是將待熔覆的合金材料預先涂敷在材料表面，利用激光照射，使整個合金覆蓋層和一薄層基體熔化，待激光束離開后，熔化部分迅速凝固而使得熔覆層和基體間呈冶金結(jié)合。該方法工藝過程簡單、操作方便，但涂敷層厚度不易控制，很難保證稀釋率和結(jié)合強度。因其操作過程的簡便性，還是得到了許多研究者的喜愛，如文獻 ［2］利用合金前置法在45鋼表面預先涂敷Ni基WC金屬陶瓷涂層，然后采用DL5KWCO2橫流激光成套設備對其進行激光熔覆，預置厚度為1 mm，在特定的激光參數(shù)下，獲得了耐磨性提高約15倍、耐腐蝕性提高近3倍的熔覆層，并且將該技術(shù)應用于抽油泵柱塞上，柱塞壽命提高了3倍以上，應用效果良好。

3 激光熔覆技術(shù)的材料

自激光熔覆技術(shù)開發(fā)應用以來，最初應用和研究最廣的涂層材料是自熔性合金材料。隨著人們對熔覆涂層的使用要求越來越高，單純的自熔性合金材料已無法滿足要求，于是就出現(xiàn)了復合材料和陶瓷材料。

3.1 自熔性合金材料

自熔性合金材料主要特點是含有硅和硼，所以具有自我脫氧和造渣的性能，即所謂的自熔性。該合金被重熔時，硅和硼分別形成SiO2和B2O2，并在熔覆層表面形成薄膜，該薄膜能防止合金中元素被氧化，并與這些元素的氧化物形成熔渣。自熔性合金粉末分類及其特點見表1［3］。選材時，應根據(jù)不同的需求選擇不同類型的合金材料。

表1 自熔性合金材料的粉末分類及其特點

自熔性合金粉末研發(fā)最早且應用最為廣泛，文獻［4］選用鎳基合金，利用激光熔覆技術(shù)成功對地損壞了的HL8-4離心壓縮機齒輪軸實現(xiàn)了修復。安裝運行后發(fā)現(xiàn)修復后的齒輪軸各項指標均達到修復前水平，且推力面的硬度還有了進一步的提高。文獻［5］選用鈷基合金，在H13模具鋼表面進行激光熔覆處理，成功制備了鈷基合金涂層。涂層與基體間呈良好的冶金結(jié)合，硬度和耐磨性得到了顯著改善。文獻［6］選用鐵基合金，采用5 kW橫流CO2激光器，在304L不銹鋼基體上熔覆了Fe75.5C7.0Si3.3B5.5P8.7非晶涂層。涂層無微觀裂紋、夾雜等缺陷，與基體結(jié)合良好。涂層的顯微硬度呈梯度分布，中部硬度最高，最高硬度為HV441.3，大約是基體硬度的3倍。

3.2 復合材料

復合粉末的出現(xiàn)是為了獲得金屬陶瓷復合涂層，它兼并了金屬的強韌性、良好的工藝性和陶瓷材料的耐熱、耐蝕、高溫抗氧化性能，是近些年激光熔覆技術(shù)領域研究的熱點。復合涂層的陶瓷相可以通過“機械外加法”或“原位自生顆粒法”獲得。機械外加法是指直接將陶瓷顆粒與合金粉末混合均勻，然后進行激光熔覆。原位合成法是指在一定條件下，通過元素與元素或者元素與化合物之間的化學反應，原位生成陶瓷顆粒相。文獻［7］采用激光熔覆和重熔的方法在低碳鋼CCS-B上制備Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶納米晶復合涂層，該涂層具有良好的摩擦磨損性能。文獻 ［8］采用激光熔覆技術(shù)，利用鎳包鋁、鎳基合金與鋁的混合粉，在鋼基底上原位合成了NiAl、Ni3Al金屬間化合物覆層。該研究不僅改善了熔覆質(zhì)量，同時降低了基底中鐵元素的熔化量，減輕了其對涂層的稀釋作用，原位合成涂層的硬度達到HV490540。

3.3 純陶瓷材料

純陶瓷粉末主要包含硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，目前應用較多的是氧化物陶瓷粉末，如氧化鎳、氧化鋁。陶瓷粉末具有良好的耐磨、耐蝕、耐高溫以及抗氧化性能，常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層。但陶瓷相與基體的熱物性差異較大且之間的相互作用以及顆粒加入時引起熔池中能量、動量和傳輸條件的改變都會影響涂層的成形效果。目前，生物陶瓷材料作為一個研究熱點，受到了廣泛關注，文獻［9］采用激光熔覆技術(shù)，在Ti-6Al-4V合金表面制備了生物陶瓷復合涂層，涂層質(zhì)量完好且與基體呈冶金結(jié)合，硬度高達 HV1474。文獻 ［10］以80CaCO3-20CaHPO3·H2O另加1%Y2O3為原料，利用激光熔覆技術(shù)，在TC4鈦合金表面成功制備出以羥基磷灰石為主的、具有梯度特征的生物陶瓷涂層。該涂層致密度由表及里呈現(xiàn)出逐步提高的特征，顯微硬度則逐漸降低。

4 存在的問題及解決方法

目前激光表面熔覆技術(shù)仍存在著有待解決的問題，具體如下。

(1)涂層裂紋的控制。在激光作用層內(nèi)存在大的熱應力和開裂傾向，特別是熔覆層與基體交界處的開裂，常常導致表面熔覆層剝落，這是目前激光熔覆技術(shù)工業(yè)化的主要障礙之一。對于裂紋的控制通常采取下列方法［11］:①工藝條件的改善。合理選擇工藝參數(shù)的原則有:嚴格控制激光熔覆過程中的線能量;合理調(diào)節(jié)激光功率，從而控制熱輸入量;適當選擇光斑大小。另外，選擇預熱和熔覆后續(xù)處理也對防止裂紋有積極影響。②熔覆合金成分的設計。通過限制合金粉末中某些元素的含量或向合金粉末中加入某些具有特殊性質(zhì)的元素以達到控制裂紋產(chǎn)生或增加涂層抗裂能力的效果。研究表明:在滿足性能要求的前提下，控制合金粉末中B、Si的含量，或者在合金粉末中加入能夠增加其韌性的某些合金元素，如V2O5，均能有效控制涂層裂紋的產(chǎn)生。另外，在基材與熔覆層之間設置一層良好的中間過渡層，可以保證熔覆層和基材之間有良好的應變協(xié)調(diào)能力，也能起到一定的防止裂紋產(chǎn)生的作用。

(2)粘結(jié)劑和預置膜。合金前置法中預置膜厚度的控制、合金元素均勻性的保持以及粘結(jié)劑成分的選用等在現(xiàn)有文獻中幾乎都是一筆帶過。預置膜的厚度會影響激光能量在涂層和基體間的分配，預置膜過厚導致基體熔化過少，影響涂層和基體間的冶金結(jié)合;反之，則基體熔化過多，影響涂層的稀釋率。合金元素的均勻與否與熔覆層的整體質(zhì)量息息相關。粘結(jié)劑的使用對實驗結(jié)果有不可忽視的影響。粘結(jié)劑應僅僅起到將合金粉末粘附在基體上的作用，不能與基材或熔覆材料發(fā)生化學反應，而且最佳的結(jié)果是激光照射后粘結(jié)劑揮發(fā)或者氣化，從而減少實驗結(jié)果的影響因素。

(3)大面積熔覆。要將激光熔覆技術(shù)廣泛應用于實際生產(chǎn)，大面積熔覆是必不可少的，這必然要采用多次搭接技術(shù)。搭接意味著在每個相鄰掃描帶的結(jié)合處出現(xiàn)了二次加熱效應，這就難以控制材料表面的顯微硬度。這一缺陷嚴重制約了激光熔覆技術(shù)投入實際生產(chǎn)。現(xiàn)有文獻中提出的大面積光斑技術(shù)使激光光束由圓形變成矩形［12］，雖然在一定程度上減少了搭接率，卻是治標不治本。為了改善因搭接而產(chǎn)生的缺陷，除了依賴更大功率的激光器減少搭接率之外，還應加大對搭接處顯微組織的理論研究，從改善加工工藝和調(diào)整激光加工參數(shù)入手，才能從根本上解決這一難題。

5 展望

鑒于激光熔覆技術(shù)具有許多傳統(tǒng)表面處理技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，作者有理由相信，它會在未來工業(yè)中發(fā)揮出巨大作用。然而就目前而言，雖然激光熔覆技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但真正在工業(yè)中的應用才剛剛起步，許多關鍵技術(shù)還有待研究者的進一步努力，作者認為未來一段時間對激熔覆技術(shù)的研究重點應放在以下幾個方面。

(1)加強激光熔覆基礎理論的研究。加強對激光與基材及熔覆材料的作用機制的研究，模擬激光熔覆過程中溫度場、熔凝規(guī)律并建立模型，進一步完善激光熔覆過程中關鍵因素的實時檢測。只有以足夠成熟的理論作為指導，激光熔覆技術(shù)才能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

(2)開發(fā)新工藝。鑒于目前激光熔覆技術(shù)存在的缺陷，可以考慮開發(fā)新的工藝方法，如激光復合熔覆［13］，即采用普通加熱方法，再加上激光復合加熱來完成熔覆處理工作，匯集二者的優(yōu)點，同時克服各自的缺點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

(3)匯總現(xiàn)有研究成果，注重細節(jié)研究。盡管近些年來有關激光熔覆技術(shù)的研究成果不斷出現(xiàn)，但多數(shù)都是零散的。一項成熟的技術(shù)，必須要做到有據(jù)可查，所以必須對現(xiàn)有激光熔覆的工藝方法、工藝參數(shù)、熔覆材料等進行匯總和分類，建立數(shù)據(jù)庫，以方便研究者和企業(yè)的進一步研究與應用。統(tǒng)籌規(guī)劃的同時，應更加注重細節(jié)的研究，如粘結(jié)劑的配置與選用、同步送粉裝置的設計、熔覆材料與激光工藝參數(shù)的選擇、激光掃描路線的制定等，只有把握住每一個細節(jié)，才能獲得最為理想的研究結(jié)果。

(4)在實際條件下進行研究。在實驗室研究階段，要充分考慮實際生產(chǎn)條件，利用計算機仿真技術(shù)，模擬實際生產(chǎn)條件和激光熔覆過程。此外，還要重視在實際條件下的研究，使激光熔覆技術(shù)能夠真正解決實際生產(chǎn)中所遇到的問題。

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