激光熔覆工藝及熔覆材料進展＊

楊 寧,楊 帆

(1.河南教育學院,河南鄭州 450046;2.鄭州大學物理工程學院河南鄭州 450052; 3.中州大學,河南鄭州 450044)

激光熔覆工藝及熔覆材料進展＊

楊 寧1,2,楊 帆3

(1.河南教育學院,河南鄭州 450046;2.鄭州大學物理工程學院河南鄭州 450052; 3.中州大學,河南鄭州 450044)

激光熔覆技術在目前材料表面改性技術中應用較廣泛。本文概述了激光熔覆技術及工藝方法,介紹了激光熔覆材料分類及特點,并展望了激光熔覆技術的發展前景。

激光熔覆;工藝方法;熔覆材料

1 激光熔覆技術

激光熔覆技術作為一種新型的材料表面改性技術,它始于1974年,而興起于80年代,在低成本基材上制備高性能表面熔覆層,可代替大量的高級合金,以節約貴重、稀有的金屬材料,提高基材的綜合性能,降低能源消耗,適用于局部易磨損、氧化及腐蝕等零部件。激光熔覆技術在工業生產中應用廣泛,美國D.S Gnamuthu于1976年獲得了激光熔覆一層金屬于另一層金屬基體的熔覆方法專利。1981年Rolls.Royce公司成功在噴氣發動機葉片上熔覆鈷基合金面使其耐磨性得到顯著提高。隨著激光熔覆研究的不斷深入,無論在熔覆材料體系的開發及工藝研究方面,還是在熔覆硬件系統的設計方面,都取得了相當大的成就。

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷,它是利用高能激光束﹙104～106W/cm2﹚在金屬表面輻照,通過迅速熔凝,冷卻速度通常達到102～106℃/s,在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料,從而構成一種新的復合材料,以增強基材的性能,這種復合材料能充分發揮基材和熔覆材料的優勢,彌補兩者的不足,可以制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面保護涂層[1-2]。

2 激光熔覆工藝

根據合金材料供應方式的不同,激光熔覆工藝方法可以分為兩種:預置法和同步法[3-4]。方法原理如圖1所示。

2.1 預置法

預置法是指將待熔覆的合金材料預先置于基材表面,然后采用高能激光束輻照合金覆蓋層表面,使整個合金覆蓋層及一部分基材熔化,待激光束離開后,熔化的合金快速凝固而在基材表面形成冶金結合良好的熔覆層。合金預置法有兩種方法:

圖1 工藝方法

(1)預置涂覆層通常是用手工將待熔覆的合金粉末涂覆在基材表面,這種方法優點是即方便又經濟。首先用黏結劑將涂覆用的粉末調成糊狀放置于基材表面,然后在烘箱中將其干燥,最后再進行激光熔覆。此方法不足之處是手工涂覆效率較低。

(2)預置涂覆片將熔覆材料的粉末加進少量黏結劑模壓成片,放置于基體表面進行激光熔覆,此方法可以提高涂覆效率。

預置法的工藝流程為:基材待熔覆表面預處理(打磨,清洗)-預置熔覆材料-預熱-激光熔化-后熱處理。

2.2 同步法

同步法是指采用專門的送粉系統在激光熔覆的過程中將合金粉末直接送進激光作用區,在激光的作用下基體和合金材料同時熔化,然后冷卻結晶形成合金熔覆層,這種方法的優點是工藝過程簡單,合金材料利用率高,可控性好,容易實現自動化。與預置法相比,同步法更能體現激光熔覆工藝的發展趨勢。

同步法的工藝流程為:基材熔覆表面熱處理-送料激光熔化-后熱處理。

3 熔覆材料的分類及特點

利用激光熔覆技術,在材料表面上熔覆一種具有特殊性能的材料,可以提高材料表面的硬度和耐磨耐蝕等性能,因此,激光熔覆技術應用廣泛。要想獲得性能良好的材料涂層,熔覆材料的選擇是很關鍵的,對熔覆材料的選擇,必須滿足以下幾方面的要求[5]:(l)激光熔覆材料和基體相比較,激光熔覆材料應該具有一些特殊性能,如高的耐磨、耐蝕和抗氧化性等;(2)熔覆過程中應盡力避免產生過大的殘余應力,使熔覆層有裂紋出現,熔覆材料與基體的性能要接近;(3)如果用送粉法熔覆基體表面,要求粉末應具有良好的固態流動性;(4)熔覆材料還應該具有良好的脫氧、造渣能力;(5)要得到平整光滑的熔覆涂層,熔覆材料與基體間應具有良好的潤濕性。潤濕性與材料表面張力有關,表面張力愈小,液態流動性越好。

激光熔覆合金材料包括自熔性合金材料、復合材料、陶瓷材料等。這類材料具有優異的耐磨、耐蝕等性能,通常以粉末的形式使用。

3.1 自熔性合金粉末

目前常用的自熔性合金粉末有鎳基、鈷基和鐵基三大類,在鐵、鎳、鈷粉末中加入B和Si,脫氧、造渣能力非常強[6-7]。自熔性合金粉末的優點:自熔性好,當自熔性合金粉末被加熱到高溫出現液相時,合金中B、Si元素與氧反應,氧化成B2O3、SiO2與其它氧化物結合成硼硅酸鹽,能防止涂層的氧化,有利于涂層與基體的結合;熔點低,自熔性合金粉末的熔點低于基體的熔點(通常為900～1200℃),在自熔性合金粉末中B、Si與Fe、Ni等元素形成共晶組織,使合金粉末的熔點大幅度降低;潤濕性好,即液體金屬在固體表面的鋪開能力好,自熔性合金粉末熔化時形成硼硅酸鹽過程中,熔解了基體表面的氧化物,提高了液-固界面的鍵合作用,降低了表面張力,具有良好的潤濕性。

(1)鎳基自熔性合金粉末。

鎳基自熔性合金粉末可分為Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si兩個合金系列。它的組織是鎳基固溶體和碳化物,硼化物,硅化物的低熔點共晶。這類合金粉末一般含Ni為60%～85%,Cr為10%～20%,硼和硅為1.5%～6%,與鎳形成固溶體,提高合金的耐蝕性和抗氧化性,部分鉻形成高硬度Cr2C3、Cr2B等化合物。B形成高硬度的硼化物,B含量高,硬度高,耐磨性好,但不能承沖載荷,切削加工性能差。Si熔于Ni形成固溶體。碳形成碳化物提高硬度和耐磨性,但脆性增大,因此含碳量不易過高。鎳基自熔性合金涂層除耐磨性好外,還具有很好的耐蝕性和相當高熱硬性。

(2)鈷基自熔性合金粉末。

Co基自熔性涂層具有良好的耐蝕性、耐磨性和熱硬性,一般應用在700℃左右高溫下,又要求具有較高紅硬性時的涂覆,如發動機的排氣門,過熱蒸汽閥門的密封面、燃料噴嘴等。Co與Cr形成固溶體基體,在此基體上分布著大量的Cr7C3、Cr23C6、WC碳化物和CrB、Cr2B硼化物。Co具有很好的耐蝕性,Cr抗氧化好。目前,常用的Co基合金的主要元素是Ni、C、Cr和Fe等,其中Ni元素用來降低Co基合金熔覆層的熱膨脹系數,減小合金的熔化溫度區間,有效抑制熔覆層開裂現象,提高熔覆層對基體的潤濕性。不足之處鈷基自熔性合金粉末的市場價位相對較高。

(3)鐵基自熔性合金粉末。

鎳、鈷基自熔性合金都比較貴,很難在一般工業中使用,鐵基自熔性合金粉末其最大優點是成本低耐磨性強,因此工業上應用廣泛。鐵基自熔性合金是在鐵中加入Cr-Ni-B-Si-C元素。一般說來鐵基自熔性合金熔點較高,自熔性也不如鎳基和鈷基,但只要涂覆工藝得當,仍可獲得滿意的涂層。Fe基合金作為激光熔覆材料,適用于溫度要求不高(溫度小于400℃)的耐磨零件。通常情況下,鎳基和鈷基粉末價格比鐵基粉末貴1～3倍。因此,選用時要從使用性能、經濟性等方面綜合考慮。

(4)彌散碳化鎢型自熔性合金粉末。

在鎳基和鈷基自熔性合金粉末中加入一定數量碳化鎢顆粒,涂覆后碳化鎢形態與性能不變,彌散分布在基體中,可使涂層的耐磨性大大提高。

3.2 陶瓷粉末

陶瓷涂層不但可以將很好地將合金材料的高強度、高韌性和陶瓷顆粒相優異的耐磨、耐蝕和耐高溫等性能結合在一起,而且還能開發出新的功能,因此引起人們普遍關注。涂覆的陶瓷主要有三種:氧化物陶瓷(氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦等);碳化物陶瓷(碳化鎢、碳化鈦和碳化鉻等);氮化物陶瓷(氮化硅和氮化硼等)。目前,研究生物陶瓷材料也是一大熱門[8]。

激光熔覆金屬陶瓷材料可以將金屬材料較高的強度、韌性、良好的工藝性能和陶瓷相優異的耐磨、耐蝕、耐高溫及化學穩定性有機結合起來,受到人們的重視,但在應用中存在陶瓷材料與基體金屬的熱膨脹系數、彈性模量及導熱系數等性能差別較大的問題。

3.3 復合粉末

復合粉末是兩種或兩種以上不同成分固相組成粉粒的合金粉末,作為熔覆材料,這種粉末相比金屬粉末具有更強的材料特性,在目前材料表面改性方面應用比較廣泛[9]。復合粉末一般是用特殊復合方法制成的,不會因為相對密度不勻等原因,在運輸、貯存和涂覆過程中產生成分不均勻,并增加了各組分間的接觸面,使涂覆過程易于合金化。復合粉末和不同成分的合金粉末進行機械混合的粉末不同。不同點在于復合粉末中的單個粒子的組成成分,至少要有兩種或兩種以上不同成分的固相材料,而且不同成分的固相材料有明顯的相界面,不同成分的固相組元之間一般為機械結合。

復合粉末能大大提高熔覆層的耐磨性能,應用最多的是鈷包碳化鎢和鎳包碳化鎢。在復合粉末中,碳化物顆粒的加入方式有兩種:第一種方式是直接加入激光熔池;第二種方式是直接與金屬粉末混合成粉末。其中第二種方式是比較有效的,因此用的比較多。

3.4 其它熔覆材料

除上述的熔覆材料外,激光熔覆材料還包括銅基、鈦基、鋁基、鎂基等以及金屬間化合物基等材料。這些材料多數是利用合金材料的某些特殊性質使基材表面達到耐磨、耐蝕、抗高溫、抗氧化等多種性能。

4 激光熔覆技術前景

激光熔覆工藝經過將近半個世紀的發展,已完全從實驗室進入到了實際工業應用,在汽車工業、航空航天、石油行業、軋輥行業、機械動力行業和模具等諸多領域中都有著廣泛的應用。激光熔覆技術是一種新興的表面處理技術,有著很好的發展前景。同時,激光熔覆工藝也存在著一些技術上的難題,由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異,可能在熔覆層中產生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。為拓寬激光熔覆技術的應用領域,應從以下方面作進一步研究:

(1)研究激光熔覆技術的基礎理論。可以從熱力學和外延生長作為出發點,對激光熔覆凝固現象進行研究,研究范圍有:各種亞穩相是怎樣形成的、凝固過程中溶質是怎么分配的和熔覆層的組織特征等。

(2)研究開發專用的合金粉末體系。利用激光熔覆技術,對熔覆材料表面特性進一步研究,如力學性能、耐蝕性和耐摩擦磨損性能等,開發與基體結合更好的熔覆材料。

(3)研究開發專用的粉末輸送裝置與技術。建立更接近實際過程的模型,有能量、動量和質量傳輸模型,通過對這些模型的測試分析,獲得定量信息,對激光熔覆技術的相變規律更進一步研究。

REFERENCES

[1] 邱星武,李剛,邱玲.激光熔覆技術發展現狀及展望[J].稀有金屬與硬質合金,2008,36(3):54-57.

[2] 金岡優付長德.最新激光加工技術[J].金屬加工,2007(3): 40-44.

[3] 黃尚猛,李華川.激光熔覆技術在工業中的應用及其發展.裝備制造技術,2007(6):118-120.

[4] 張寶忠,孫慧平,劉萍.先進制造業中的激光測試與激光加工技術[J].機械設計與制造,2006(6):158-160.

[5] 林文松,張光鈞,王慧萍.激光熔覆技術的研究進展.熱處理技術與裝備,2008,29(2):1-7.

[6] 陳慶華,魏侖,龍晉明等.激光熔覆NiCr Al-陶瓷涂層的顯微組織研究[J].中國工程科學,2001,3(10):64-70.

[7] 林文松,張光鈞,王慧萍.激光熔覆技術的研究進展.熱處理技術與裝備,2008,29(2):1-7.

[8] 王文麗.原位自生顆粒增強鎳基激光熔覆涂層研究[D].鄭州:鄭州大學,2007.

[9] 姚建華,張偉.激光熔覆制備納米結構涂層的研究進展[J].激光與光電子學進展,2006,43(4):8-11.

Laser Cladding and Progress of CladdingMaterials

YangNing1,2,Yang Fan3
(1.Henan Institute of Education,Zhengzhou,HeNan,450046; 2.Department of Physics&Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,HeNan,450052; 3.Zhongzhou University,Zhengzhou,HeNan,450044)

Cladding surfacemodification ofmaterials in the present application ismore extensive.The technique and technologyof laser cladding is outlined,classification and characteristicsof laser claddingmaterial system is introduced,and the prospects for development of laser cladding are forecasted in this article.

laser cladding;processmethod;claddingmaterial

TG156.99

:A

:1009-3842(2010)03-0056-03

2010-05-20

河南省教育廳自然科學研究計劃(2006140009)基金資助,河南教育學院物理系重點學科資助

楊寧(1981-),女,河南商丘人,講師,研究生,研究方向激光表面改性技術,E-mail:yangningan1314@163.com