鋁合金表面激光熔覆技術(shù)

張鵬飛，李玉新，吳利蕓

(中北大學 材料科學與工程學院， 太原 030051)

【化學工程與材料科學】

鋁合金表面激光熔覆技術(shù)

張鵬飛，李玉新，吳利蕓

(中北大學 材料科學與工程學院， 太原 030051)

綜述了鋁合金表面激光熔覆技術(shù)的進展狀況，介紹了鋁合金表面激光熔覆工藝特點和工藝方法；闡述了工藝參數(shù)對熔覆層幾何形貌特征和熔覆層組織性能的影響，展望了鋁合金表面激光熔覆技術(shù)發(fā)展方向。

鋁合金；激光熔覆；研究進展

鋁及鋁合金是輕量化的首選材料，年產(chǎn)量僅次于鋼鐵，是有色金屬之首。鋁合金具有比強度大、密度小、易加工、耐腐蝕性好和導電性與導熱性好、無磁性等優(yōu)良的綜合性能，人們稱其為21世紀最具開發(fā)、應(yīng)用潛力的“綠色材料”，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域[1-3]。但是，鋁合金也存在表面硬度低、耐磨性差等諸多問題，在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。近年來，激光熔覆技術(shù)脫穎而出，與等離子噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積、化學鍍、電鍍和熱噴涂等傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)的主要優(yōu)點有：激光束能量極高，對基體的熱影響較?。粚ν繉酉♂屄市。荒芎妮^少，能量利用率高，性價比高；熔覆層表面較為光滑平整，組織均勻，殘余應(yīng)力較小，涂層與基體界面結(jié)合較好[4-8]。然而，傳統(tǒng)的表面強化方法強化層與基體結(jié)合強度較差且獲得的強化層較薄。不少方法還存在弊端，如鉻酸鹽的毒性很大，嚴重污染環(huán)境和危害人類健康，激光表面強化層較薄，結(jié)合強度不高，容易產(chǎn)生開裂、脫落等[9-10]。激光熔覆被廣泛應(yīng)用于裝備制造，如美國的汽車排氣閥座用激光熔覆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。激光熔覆修理魚雷殼體、魚雷發(fā)動機缸體、潛艇垂直發(fā)射系統(tǒng)(VLS—Vertical Lauching System)導彈發(fā)射管以及許多正在研究的航空結(jié)構(gòu)件。

本文重點介紹鋁合金表面激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀、激光熔覆層的幾何特征、組織與性能和存在的問題，并提出進一步的研究方向。

1 鋁合金表面激光熔覆技術(shù)的現(xiàn)狀

20世紀70年代人們開始對激光熔覆進行研究，1974年Gnanamuthu申請并于1976年獲得了第一個關(guān)于激光熔覆的專利[11]，日本也相繼公布了激光熔覆在氣輪機葉片上的應(yīng)用專利，自20世紀80年代高功率CO2激光器出現(xiàn)以來，激光表面工程得到了迅速的發(fā)展。近年來，隨著電子行業(yè)技術(shù)的進步，研制出更大功率的半導體激光器，激光熔覆技術(shù)對鋁合金表面處理是克服鋁合金硬度低、耐磨性差的方法之一。隨著激光表面加工技術(shù)的完善，對鋁合金表面激光熔覆技術(shù)的研究愈來愈多。激光熔覆技術(shù)是利用激光束通過熔化基體部分表面以及涂層粉末，使涂層粉末和基體材料表面凝固并與基體形成冶金結(jié)合，從而改善基體表面性能的一種方法[12]。

1.1 設(shè)備的選用及熔覆方法

目前，應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有燈泵YAG激光器、CO2激光器、半導體激光器。燈泵YAG固體激光，結(jié)構(gòu)相對簡單，電光轉(zhuǎn)化效率在3%左右，功率大概在500～700 W，波長 1 064 nm，由于其功率較低，速度慢，在應(yīng)用方面受到很大的限制。

CO2氣體激光器功率大，大約在2 000～10 000 W左右，電光轉(zhuǎn)化效率在10%左右，能耗大，工作效率適中。由于其體積龐大，又由于波長為10.6 μm的激光不能通過光纖傳導，靈活性受到限制。采用CO2激光器進行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷[13]。

半導體激光器高度集成，壽命長，電光轉(zhuǎn)換效率高約50%，功率可達 1 000～7 000 W，工作效率高，結(jié)構(gòu)小巧，可通過光纖傳導。隨著半導體激光技術(shù)的發(fā)展，制造的半導體模塊功率越來越大，成本大幅下降，半導體激光的優(yōu)越性突顯出來：功率大，波長分布廣，金屬吸收率高，集成度高，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，更適合于鋁合金的激光熔覆。

熔覆方法主要有同步送粉法(如圖1所示)和預置粉末法(如圖2所示)[14-15]。同步送粉法是在激光熔覆的同時用送粉設(shè)備將要熔覆的粉末材料送入到激光束中，經(jīng)激光輻照熔化后落在基體上凝固，形成與基體良好冶金結(jié)合的熔覆層。同步送粉方式有漿料送入式、粉末注入式和送絲式[16]。Barekat等[36]采用同軸送粉方式在γ-TiAl基體上激光熔覆Co-Cr-Mo合金粉末，并得到合適的激光熔覆工藝參數(shù)。預置粉末法是用粘結(jié)法或者噴涂法將要熔覆粉末預先涂覆于基體表面，然后進行激光掃描使粉末熔化，與基體結(jié)合到一起。Liu等[17]通過在AA333鋁合金表面上預置Al-Cu粉末，采用10 kW的CO2激光器進行激光熔覆，研究了一定激光工藝參數(shù)下，載氣流量、激光功率等參數(shù)對覆層品質(zhì)的影響。同步送粉法是熔覆時合金粉末與基體表面同時熔化，預置粉末法是首先加熱涂層表面，再依賴熱傳導過程加熱整個涂層[18]。同步送粉法可以減少缺陷的產(chǎn)生，激光能量吸收率高，無內(nèi)部氣孔等優(yōu)點，可以大大提高熔覆層的質(zhì)量，易于自動控制，但是要求熔覆粉末的固態(tài)流動性好，送粉設(shè)備需要精確送料。預置涂層法簡單易行，成本較低，但是預置層粘結(jié)劑受熱分解，容易導致熔覆層內(nèi)產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。國外主要采用同步送粉法，而國內(nèi)以粉末預置法居多。

圖1 同步送粉法

圖2 預置粉末法

1.2 熔覆材料

熔覆材料決定了熔覆層的性能。熔覆材料的物理性能差異，影響熔覆層與基體之間的結(jié)合強度。如果基體與熔覆層材料的熔點、比重、熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)等差異較大，界面潤濕性不好，熔覆層與基體結(jié)合處可能出現(xiàn)缺陷，如氣孔、裂紋、未熔合等。所以選擇熔覆材料時，要考慮材料物理性能的匹配性。目前，常用的熔覆材料有自熔性合金粉末、陶瓷粉末、復合材料粉末等。下面介紹近幾年國內(nèi)外鋁合金表面激光熔覆粉末的一些情況。

1) 鎳基合金熔覆層。Ni和Cr常用作增強元素來提高Al的表面硬度，且Ni2Cr2B2Si合金熔點較低，Ni與Al元素可以形成金屬間化合物，易與鋁基體形成冶金結(jié)合，顯著提高熔覆層的硬度和耐磨性。鄭英等[19]在6063鋁合金表面激光熔覆Ni60，獲得無裂紋的熔覆層，她在試驗中添加稀土氧化物CeO2，促進晶粒細化，提高熔覆層的組織均勻性，提高了表面硬度和耐磨性。李曉薇[20]研究了在AA6061鋁合金上激光熔覆了NiCrSiB，其熔覆層形成金屬間化合物NiAl、NiAl3、Ni3Al。熔覆層的顯微硬度為900HV，耐磨性為基體的4倍。在3.5%NaCl鹽溶液中，熔覆層的腐蝕電位明顯正移。Liang G Y等[21]采用5KW的CO2激光器在Al-Si合金表面上激光熔覆了Ni粉、Cr粉、Al粉的混合粉末。通過SEM觀察到，熔覆層中有許多的過共晶結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)，大大提高鋁合金的摩擦磨損性能。

2) 銅基合金熔覆層。王維夫等[22]采用CO2激光熔覆方法，在鋁合金表面成功制備了銅基合金涂層。涂層中的強化相表現(xiàn)出了“富Mo核心”+“包圍相”的復合結(jié)構(gòu)特征，所獲涂層的硬度約為270HV0.05，比ZLl04鋁合金基體提高了2倍。Biswas,Krishanu等[23]將Cu/Fe熔覆于鋁合金表面，其熔覆層維氏硬度達到600HV0.025。董世運等[24]將LFCu16熔覆于ZL104合金表面激光熔覆銅基復合材料涂層，激光熔覆層在宏觀上有分層現(xiàn)象，銅合金熔覆層顯微硬度為350～400HV，為ZL104基體材料顯微硬度(90～110HV)的4～5倍。魏廣玲等[25]在6061鋁合金表面預置Cu、Ni、Fe、Co、Si合金粉末，利用激光溶覆技術(shù)制得大量硬質(zhì)顆粒增強相彌散分布在(Cu、Ni)固溶基體中，并起到了彌散強化作用。熔覆層主要由CoFe相及少量CoAl相等組成。當合金成分配比(質(zhì)量百分數(shù))為Cu65Nil6Fe7Co9時，溶覆層平均硬度約為基材的4.5倍。Yue T M等[26]在鋁合金(A17075)表面激光熔覆CuO+Al+SiO2涂層，研究其顯微組織結(jié)構(gòu)以及涂層成分，指出涂層中形成了A12O3，對于Si的存在是否提高了A12O3成分的形成還有待進一步研究。

3) Fe基合金溶覆層。胡木林等[27]在6001鋁合金表面激光熔覆Fe基粉末，獲得低稀釋率、無裂紋的鐵基熔覆層。S.Tomida等[28]在鋁合金A5052表面上激光熔覆了Fe+Al的混合粉，表面涂層顯微組織由α-Al+FeAl3、FeAl3、Fe2Al5組成，硬度可達600～1 000HV，耐磨性更好，它們的顯微硬度分別可以達到 HV100、HV300～500、HV600～1000，呈細小針狀的 FeAl3和塊狀的 Fe2Al5金屬間化合物也具有很高的硬度。王彥芳等[29]在ZL101鋁合金基體上激光熔覆了Fe粉和Al粉混合粉末，激光熔覆涂層主要由FeAl與Fe3Al相構(gòu)成，F(xiàn)e-Al，2Fe-Al，3Fe-Al均有較高的顯微硬度744HV，603HV和795HV。

4) 陶瓷合金熔覆層。陶瓷材料，如B4C、SiC、BN、Al2O3和WC等有高的硬度、耐磨和耐腐蝕性。陶瓷熔覆層可以明顯提高鋁合金表面的硬度、耐磨、耐腐蝕性能，但陶瓷材料熔點較高，與基體不易形成良好的冶金結(jié)合。張松等[30]采用2kW連續(xù)Nd:YAG激光器在AA6061鋁合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末，制備出表面金屬基復合材料(MMC)改性層，熔覆層中含有少量的Al4C3和Al4SiC4金屬間化合物。Pujia等[31]人采用最大功率為 2KW的連續(xù)YAG激光器，在6061鋁合金表面上激光熔覆了Si粉和TiC粉的混合粉末，研究表明，TiC顆粒均勻地分布在鋁合金基體上，其硬度約為基體的3倍。Kadolkar等[32]在2024鋁合金表面激光熔覆了90%TiC+10%Si熔覆層，熔覆層顯微硬度是基體的3倍。

2 激光熔覆層的幾何特征、組織與性能

工藝參數(shù)的選擇正確與否直接影響著熔覆層幾何特征、組織與性能的好壞，所以合理選擇工藝參數(shù)是熔覆成功與否的關(guān)鍵。激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、送粉量(或預置涂層的厚度)、光斑形狀與尺寸、搭接率、稀釋率等。

2.1 激光熔覆形貌的幾何特征

激光熔覆形貌的幾何特征主要有熔高(h)、熔寬(w)、熔深(b)、潤濕角(θ)等幾個參數(shù)，圖3為熔覆層形貌幾何特征參數(shù)。另外，一個重要的參數(shù)是稀釋率(D)被定義為[33]：

M.Ansari[34]在研究影響激光熔覆形貌的幾何特征的工藝參數(shù)，結(jié)果表明影響激光熔覆形貌的工藝參數(shù)主要有：激光功率P(W)、掃描速度S(mm/s)、送粉率F(mg/s)、光斑形狀與尺寸、粉末顆粒的尺寸、粉末載體速度以及保護氣體的量。然而，特別是激光功率P(W)、掃描速度S(mm/s)、送粉率F(mg/s)對所得到激光熔覆形貌的幾何特征有顯著的影響[35]。

圖3 熔覆層形貌幾何特征參數(shù)

大量研究表明，激光熔覆層的幾何特征與主要激光熔覆工藝參數(shù)有關(guān)，三個激光熔覆工藝參數(shù)不一定全部對每個幾何特征起到主要的影響。Masoud Barekat等[36]采用同軸送粉方式在γ-TiAl基體上激光熔覆Co-Cr-Mo合金粉末，研究表明，熔高的主要決定因素是掃描速度和送粉率，激光功率影響最小，且線性關(guān)系是S-5/4F，相關(guān)系數(shù)R=0.99；熔寬與PS2/3呈線性關(guān)系；熔深b=P2S1/4F1/4；稀釋率D=P2/3S1/2F1/2；潤濕角θ=P1/4S1/2F1/2，相關(guān)性系數(shù)較高，并總結(jié)出激光熔覆Co-Cr-Mo合金在γ-TiAl基體上較好的幾何形貌特征的工藝參數(shù)。如圖4所示，陰影部分是較好的工藝參數(shù)和熔覆層形貌特征。Yuwen Sun等[37]利用響應(yīng)曲面法(RSM)中的中心復合設(shè)計(CCD)構(gòu)建了數(shù)學模型，用方差(ANOVA)分析法分析了激光熔覆參數(shù)與幾何特征之間的關(guān)系，并建立了最優(yōu)的工藝參數(shù)。對于研究激光熔覆形貌的特征，國外學者研究較多，而國內(nèi)研究較少。

圖4 工藝參數(shù)以及熔覆層形貌特征

2.2 鋁合金激光熔覆層的組織與性能

鋁合金熔點低、快的導熱性，致使其熔覆材料體系的選擇存在很大的局限性。當選用熔點較高的熔覆材料時，激光熔覆時鋁合金基體表面發(fā)生大量熔化，導致熔覆層稀釋率過大，鋁合金表面產(chǎn)生塌陷，難以形成良好的冶金結(jié)合。國內(nèi)外許多學者在鋁合金表面激光熔覆了高硬度、耐磨性強的合金以及陶瓷材料。

梁工英等[38]對Al2Si合金表面的等離子涂層Ni2Cr2、B2Si進行激光熔覆處理，涂層組織有Al3Ni2、Al2Ni、Al3Ni、AlNi和AlNi3金屬間化合物，有富鋁的Al3Ni相存在；在過渡區(qū)的內(nèi)部，有富鎳的AlNi3相存在；一些非晶組織出現(xiàn)在激光熔化亞表層中，該區(qū)域有較高的硬度(平均952HV)，是鋁合金基體的4倍，磨損性能顯著高于鋁合金基體。

張春華等[39]將NiCrBSi合金粉末預涂在6061鋁合金表面，采用2kW連續(xù)波Nd-YAG激光器進行激光表面熔覆處理。與基體形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層主要以Ni-Al金屬間化合物為主，在鋁合金表面獲得致密的Ni-Al合金激光表面改性層，熔覆層的硬度Hv高達9 000 MPa以上，在3.5%NaCl水溶液中的陽極極化曲線測定及摩擦磨損試驗結(jié)果表明，Ni基合金改性層明顯改善了6061鋁合金的電化學腐蝕及摩擦磨損性能。

Dubourg L等[40]在鋁合金上預置了銅和鐵粉末，然后采用激光熔覆技術(shù)進行熔覆，并用X射線衍射儀和顯微硬度計對熔覆層組織進行了分析，發(fā)現(xiàn)了熔覆層中存在A17CuZFe和A12Cu金屬相，所得熔覆層的顯微硬度為370HV，顯著提高了鋁合金的硬度。

3 鋁合金激光熔覆存在的主要問題

在一定程度顯著改善了鋁合金表面硬度、耐磨性等，但是鋁合金表面熔覆層仍然存在許多問題。

1) 鋁合金對光的反射率大。鋁合金在空氣中容易被氧化，形成一層氧化膜(Al2O3)。在實驗之前，鋁合金表面經(jīng)過打磨之后，表面較亮，激光反射使能量減弱，基體與熔覆材料熔化較少，影響冶金結(jié)合。實驗時可在表面涂覆黑色吸光材料或者使用化學著色、火焰噴涂、表面粗糙化方法提高激光的吸收率。

2) 稀釋率較大。因鋁合金熔點低，激光熔覆時，激光束能量大，激光比能較大，導致鋁合金表面熔化較多，熔池較深，熔覆層的稀釋率較大，影響熔覆層表面的性能。要想保證合適的稀釋率，需合理控制激光熔覆的工藝參數(shù)。

3) 熔覆層易形成氣孔、裂紋。在熔覆過程中可能產(chǎn)生氣體，快速冷卻時氣體來不及逸出會形成氣孔。為減少或者消除氣孔，熔覆過程中采用惰性氣體保護熔池，粉末在使用前烘干；或者調(diào)整工藝參數(shù)來減緩熔池冷卻速度以利于氣體逸出。由于熔覆材料與基體的潤濕性、膨脹系數(shù)等物理性能差異，熔覆層內(nèi)部熱應(yīng)力超過材料強度所致，基體與涂層界面容易產(chǎn)生裂紋。為了減少裂紋出現(xiàn)，一般對基體進行預熱處理之后再進行激光熔覆，減少基體與熔覆材料之間的溫差，來減少熱應(yīng)力，從而消除裂紋。

4 結(jié)論

鋁合金是極具有發(fā)展?jié)摿Φ妮p質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，但鋁合金硬度低、耐磨、耐腐蝕性差阻礙了其應(yīng)用發(fā)展。盡管在鋁合金表面激光熔覆技術(shù)有效的改善鋁合金的性能，某些方面取得了一定進展并進入了實際的工業(yè)應(yīng)用階段。要想全面大規(guī)模的在工業(yè)應(yīng)用，需要在基礎(chǔ)理論研究、熔覆材料設(shè)計、熔覆工藝探索、過程控制的自動化等多方面進行研究，以便更好的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

1) 基礎(chǔ)理論研究。鋁合金激光熔覆屬于快速熔化和快速冷卻的非平衡凝固過程，存在各種各樣的現(xiàn)象和運動，發(fā)生許多物理和化學反應(yīng)，要用物理和熱力學等方面的知識進行分析，才能正確指導工藝實踐。從數(shù)值模擬的角度，研究熔池的溫度場分布，熔池的對流機制，冷凝時熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過程及其規(guī)律等因素的研究，以完善熔覆模型。

2) 熔覆材料設(shè)計。鋁合金基體材料的熔點、對光的吸收率、線膨脹系數(shù)、表面粗糙度、清潔度等與粉末材料的化學成分、顆粒度、比重、潤濕性、熔點，均影響基體與熔覆層的結(jié)合，且粉末的導熱率、比熱、熱擴散系數(shù)、熔化潛熱都會影響熔池溫度場的分布。因此，必須合理設(shè)計涂層材料，使二者匹配良好，才能獲得良好的熔覆層。

3) 熔覆工藝探索。合理選擇工藝參數(shù)是影響鋁合金熔覆層組織與性能的重要因素。鋁合金熔點低，容易出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。有研究者為解決此問題提出，激光熔覆前對基體進行預熱，熔覆后對試樣進行熱處理。冷凝時熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過程及其規(guī)律，分析它們給激光加工過程中帶來的影響，進而完善加工工藝參數(shù)。

4) 過程控制的自動化。激光熔覆自動化的關(guān)鍵技術(shù)是激光熔覆系統(tǒng)的設(shè)計和控制過程的自動化，其主要包括兩部分激光寬帶光束優(yōu)化技術(shù)和自動送粉設(shè)備。國內(nèi)研制的寬帶激光熔覆送粉器主要是靠粉末自重并輔以微振輸送粉末，而不是采用輔助氣體送粉。對于粉末的利用率及熔覆效果，我國目前技術(shù)條件比較落后。

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StatusandDevelopmentofLaserCladdingonAluminumAlloys

ZHANG Pengfei， LI Yuxin， WU Liyun

(College of Material Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Research progress of laser cladding technology on aluminum alloy surface was reviewed. The characteristics and technological methods of laser cladding on aluminum alloy surface were introduced. The influence of process parameters of cladding layer and the microstructure and properties of cladding layer were discussed. The development direction of laser cladding on aluminum alloy surface was also prospected.

aluminum alloys; laser cladding; research progress

2017-05-05；

2017-06-20

山西省科技攻關(guān)項目( 2015031011-2)；山西省高校科技創(chuàng)新項目(2015104)

張鵬飛(1991—)，男，碩士研究生，主要從事鋁合金激光表面改性研究。

李玉新(1979—)，男，博士，副教授，主要從事激光熔覆及自蔓延高溫合成研究。

10.11809/scbgxb2017.10.031

本文引用格式：張鵬飛，李玉新，吳利蕓.鋁合金表面激光熔覆技術(shù)[J].兵器裝備工程學報，2017(10):151-155.

formatZHANG Pengfei，LI Yuxin，WU Liyun.Status and Development of Laser Cladding on Aluminum Alloys[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):151-155.

TG178

A

2096-2304(2017)10-0151-05

(責任編輯楊繼森)