激光熔覆技術(shù)制備鎳基合金涂層的研究進展

張 勇，王 濤，李冰冰，雷 剛，王 坤

（1.國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273425；2.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264006）

激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器，主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器，由于老式燈泵浦激光器光電轉(zhuǎn)換效率低、維護煩瑣等問題，逐漸淡出了市場。關(guān)于CO2激光連續(xù)熔覆，國內(nèi)外學(xué)者對此課題很感興趣，通過大量研究，高能固體激光器的發(fā)展速度越來越快，被用于對有色合金進行表面改性。根據(jù)送粉工藝的不同，激光熔覆可以分為兩類：粉末預(yù)熔法和同步送粉法。兩者效果相似，同步送粉方式易于實現(xiàn)自動控制，激光能量吸收率高。鎳基合金粉末的耐腐蝕涂層和制備方法具有獨特性，所以在探究這種更加適合激光熔覆技術(shù)的鎳基合金粉末材料特性時，要考慮耐高溫濃硫酸腐蝕能力，利用激光熔覆技術(shù)，使用鎳基合金粉末，采用相應(yīng)的耐腐蝕涂層進行制備，能夠有效解決鎳基合金粉末形狀不穩(wěn)定等問題。激光熔覆技術(shù)制備鎳基合金涂層，主要是因為鎳基自熔性合金到耐磨性和耐腐蝕性表現(xiàn)一向很好，同時還具有較強的潤濕性，這也使得鎳基自熔性合金成為激光熔覆最好的熔覆材料之一。鎳基合金涂層在使用中的疲勞磨損現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致黏著磨損失效作用，這給使用者提出了一定的難題，人們發(fā)現(xiàn)在鎳基合金中加入一定化學(xué)計量比的鎳基石墨、石墨烯和鎳基碳化鎢，能起到更好的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。因此，加強對鎳基自熔性合金涂層的研究，能夠保證激光熔覆技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1]。

圖1 激光熔覆技術(shù)示意圖

1 激光熔覆鎳基合金涂層體系

鎳基自熔性合金具有腦模型，但是卻對于高負荷、無潤滑的工況適應(yīng)不良，如果能夠在使用中加入40CrNi2Si2MoV鋼成分，鎳基基體材料的可靠性更高，Ni45A自熔性合金粉末被作為熔覆層基質(zhì)的基本應(yīng)用材料，其所添加的內(nèi)含組分不同，包括鎳包石墨、石墨烯、鎳包碳化鎢等，有助于符合增強型涂層，從而能夠適應(yīng)嚴苛環(huán)境的使用需求，適用于激光熔覆技術(shù)[2]。

在實際的工業(yè)應(yīng)用中，由于大部分工件都處于交變載荷的整體環(huán)境內(nèi)，嚴峻的熔覆條件對工業(yè)要求更高，可能會一定程度上縮短工件的實際使用壽命。使用者發(fā)現(xiàn)，工件的表面如果不能直接接觸到不利因素，就可能給工件的整體使用帶來失效體驗，如果利用熔覆涂層，則能夠在一定程度上利用常見的金屬材料表面處理技術(shù)，大幅度改進工件的表面性能。由于熔覆工件的生產(chǎn)成本較低，恰恰能夠滿足工件的使用需求。鎳基合金涂層是一種原位合成之別鎳基復(fù)合涂層技術(shù)，為了能夠在制備工藝方面進行改進，要對于制備過程中的部分問題進行研究。激光熔覆鎳基合金涂層中含有不少成分，鎳包石墨作為一種典型的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合型粉體材料，其表層的鎳包涂層一直存在，從而能夠達成更好的吸附效果，芯部的石墨相能夠在激光熔覆的時候起到更好的柔化作用。鎳包石墨能夠激發(fā)合金元素的反應(yīng)潛能，黨石墨相反應(yīng)物與鎳基合金組合反應(yīng)之后，潤濕作用比較明顯，芯部石墨相的潤滑作用能夠促進合金涂層的耐磨損作用不斷提升。因此，在經(jīng)過實驗之后，人們發(fā)現(xiàn)，在添加不同含量的鎳基合金基礎(chǔ)成分之后，r-Ni、Ni3B、M23C6、M7C3等成分均能夠達到耐磨損和耐摩擦效果，熔覆層組織是一種典型的亞共晶形態(tài)，鎳包石墨的添加量大于10vol.%，復(fù)合涂層就能清晰的觀測到球形顆粒狀的石墨相。當(dāng)利用更加細化的復(fù)合涂層組織進行硬度提升時，耐磨性的作用能夠減少摩擦，并且降低摩擦系數(shù)后復(fù)提升，經(jīng)過多次試驗措施可以發(fā)現(xiàn)，鎳包石墨添加量為6vol.%的時候，此時的鎳基復(fù)合涂層具有最小的減摩性。

石墨烯是目前力學(xué)性能較好的材料之一，能呈現(xiàn)出石墨的層片狀結(jié)構(gòu)，而且石墨烯可被用作固體潤滑劑。添加不同含量石墨烯的鎳基復(fù)合涂層中有碳化鎢顆粒的存在，這樣整個涂層的耐磨性就會有更大的提升，熔覆層組織中的晶體數(shù)量減少后，共晶組織將會增多，利用碳化鎢在激光熔覆中的溶解作用，形成碳化鎢的顆粒邊緣晶須組織。利用不同結(jié)構(gòu)的組織，促使整個涂層達到了冶金強度，并且根據(jù)符合涂層中的碳化組織變化進行實驗，最終發(fā)現(xiàn)如果無顆粒的組織增多，復(fù)合化合物涂層的硬度和耐磨性都會有提升變化，由于這種提升變化所導(dǎo)致的摩擦性減少問題比較明顯。

鎳包石墨的核殼結(jié)構(gòu)使其能夠更加適應(yīng)工件的熔覆需求，工件的表面用鎳包覆之后，對激光熔池的反應(yīng)作用更加明顯。使用者的目的是能夠增加石墨相與鎳基合金基質(zhì)之間的潤濕關(guān)系，由于石墨相與合金元素之間的反應(yīng)比較激烈，因此，如果能夠增加石墨相與鎳基合金基質(zhì)之間的反應(yīng)速率，就能夠利用石墨相與合金之間的潤濕反應(yīng)，生成石墨為主體的潤滑液材料。這種獨特的反應(yīng)能夠促使層片狀的涂層有更高的耐磨損性能，能夠提升工件的整體性能。大量的研究表明了，利用不同含量的鎳包石墨，是一種利用鎳基合金復(fù)合涂料，給鎳基復(fù)合涂層提供典型亞共晶形態(tài)的過程，當(dāng)添加14vol.%鎳包石墨的時候，整個復(fù)合涂層的鎳包碳化鎢添加量也在發(fā)生變化，當(dāng)含量達到20vcol.%的時候，復(fù)合涂層的內(nèi)膜性最好，而且具有較強的硬度，達到比較理想的復(fù)合涂層效果。如果鎳包石墨的添加量大于10 vol.%的時候，鎳基合金復(fù)合涂層內(nèi)的成分包含球形顆粒狀石墨相，這是一種更加細致的石墨含量，隨著涂層中石墨含量的上升，為涂層的石墨含量變化提供依據(jù)。使得細化的涂層能夠達到具體的熔覆使用標準。研究實踐表明，如果鎳基合金復(fù)合涂層組織明顯細化后，其硬度顯著提升，耐磨性則逐漸增強，并且實現(xiàn)了減少摩擦性能的效果。為了能夠?qū)崿F(xiàn)先降低后增大的趨勢，使用6 vol.%的鎳包石墨添加量進行復(fù)合涂層減摩性改善。

圖2 激光熔覆鎳基合金涂層示意圖

2 激光熔覆工藝參數(shù)對鎳基合金涂層性能的影響

磨損、腐蝕和斷裂是機械工程件中的三大皮懷形式，由于材料的磨損而造成的工件失效問題，常常會使中國的GDP出現(xiàn)損耗，為了能夠在材料的磨損和腐蝕層面表現(xiàn)出更大的促進作用，可以利用協(xié)同關(guān)系加劇材料的使用效能。為了能夠在實際工程應(yīng)用中使用更合理的表面防護措施加以保護，一定要接觸激光熔覆技術(shù)的實際應(yīng)用效能，使用高質(zhì)量的熔覆技術(shù)，借助不同的手法，探究鎳基合金涂層的實際性能。如，高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)是一種借助更低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大面積熔覆層的技術(shù)，其所能夠達成的效果，是更加平整的熔覆層，并且具有成形良好，基體結(jié)合可靠性能更佳的特點。由于熔覆層的表面平整，所以才能形成感應(yīng)渦流，這樣的流動性和熔覆潤濕性，能夠給鎳基合金涂層帶來更好的適用性。激光熔覆技術(shù)在工業(yè)時代發(fā)展起來，能夠為工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進程提供更多支持，雖然合金包裹層的價格偏高，但是如果能夠使用合金包覆在材料工件上，就能夠讓相對廉價的材料工件煥發(fā)生機，在延長工件的服役時間同時，降低了工件的整體成本，使得原本廉價的工件卻能夠有高品質(zhì)合金工件的同等品質(zhì)。研究者根據(jù)涂層的使用需求控制其化學(xué)成分，在激光熔覆技術(shù)不斷發(fā)展的同時，自20世紀70年代之后，先進的激光表面改進技術(shù)受到各行各業(yè)的歡迎。工件和基體材料的表面有很多熔覆材料的成分日趨合理，利用送粉、送絲和預(yù)置技術(shù)，能夠結(jié)合高密度激光加熱技術(shù)，實現(xiàn)基體和工件表面薄層金屬的循序熔融。在激光熔覆層的厚度和形狀不斷改變的過程中，稀釋率和成分變得更加符合工件的使用需求，基體之間的結(jié)合度更高，便于使用，而且其涂層也因此具有組織致密、晶體細小、耐磨性和硬度都較高的特點[3]。

研究結(jié)果表明，激光熔覆工藝對鎳基合金涂層的性能有較大的影響，主要是由激光功率、掃描速度、離焦量、光斑尺寸、送粉速率、保護氣體流量等因素決定。在多層熔覆技術(shù)方面，搭接率也是很重要的，隨著熔覆層組織的逐漸細化，使碳化物和共晶組織不斷增多，激光覆層的平均硬度不斷提高，這樣做，是為了能夠保證激光熔覆層的高性能，激光熔覆技術(shù)工藝參數(shù)的不同，能保證涂層與基材形成冶金結(jié)合，盡可能降低基體材料的稀釋率，保證包層性能。要注意的一點是，利用激光熔覆技術(shù)，要實現(xiàn)對基體表面的處理，一般采用預(yù)處理技術(shù)進行涂層預(yù)制，使用感應(yīng)熔覆等技術(shù)與涂層使用配合，如果使用純凈粗糙的金屬表面作為工件表面，對于基體與鎳基合金涂層的貼合更有好處，二者之間的結(jié)合力更好，并且能夠提高鎳基合金涂層的實際質(zhì)量，為了達成這一效果，可以直接采用清晰處理與表面噴砂處理。良好的涂層能夠有助于制備出更加完美的基體母體。熔覆處理的速度要快，目前，熱涂法和冷涂法都被廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)。

激光熔覆作用之前，使用者將會對于基體材料進行預(yù)處理，一般的方式是為了能夠使用砂紙去除表面的鐵銹等，當(dāng)使用砂紙打掉氧化層之后，施工人員還會使用丙酮或者酒精，對基體表面的油污進行有效清潔，但是保留基材表面一定的粗糙度，激光的熔覆能量很大，為了能夠有效利用單位面積內(nèi)的激光能量，可以采用多樣熔覆粉末添加的方式，預(yù)制涂層，并且采用同步送粉法，施行小面積熔覆改性工作，在面臨缺陷進行修復(fù)的同時，激光熔覆基礎(chǔ)性實驗已經(jīng)證實同步送粉法的作用非常適合小面積熔覆改性，并且在缺陷修復(fù)方面的作用較為明顯。激光熔覆基礎(chǔ)性實驗的研究驗證了熔覆粉末和黏合劑之間的混合作用具有有效性，只要能夠?qū)⑦@種膏狀混合物精準地涂于基體表面，就可以在激光掃描熔化的同時，形成基體和冶金結(jié)合的熔覆涂層，能夠達到更好的熔覆效果。同步送粉法則可以采用專門設(shè)計的送粉器，工件運動方向與粉末氣流運動方向之間的夾角成為銳角時，正向送粉，反之逆向送粉。為了進一步提高生產(chǎn)效率和材料利用效率，在激光束的焦點位置實現(xiàn)自動供給絲料熔化的激光熔池，這樣做是為了能夠使厚度1mm的熔覆層能夠被一次性制備出來，從而對形狀復(fù)雜的三維工件制造給予支持，擴大激光熔覆技術(shù)的適用范圍[4]。

3 結(jié)語

激光熔覆技術(shù)的研究在自熔性合金粉末的添加中較為常見，使用較硬的陶瓷顆粒、較軟的石墨、二硫化鉬等不可以作為實際需要的合金層成分。利用激光熔覆技術(shù)，配合鎳基自熔性合金的耐磨性和耐蝕性，能夠保證復(fù)合涂層具有更好的力學(xué)性能，也能夠耐摩擦、抗磨損，為工業(yè)生產(chǎn)提供更好的輔助作用。不同的鎳基合金復(fù)合涂層內(nèi)容比較豐富，目前各個領(lǐng)域內(nèi)常用的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)在顯著進步，所以，利用激光熔覆這一非平衡凝固的方式，可以讓鎳基合金復(fù)合涂層的應(yīng)用效果更加顯著。在工業(yè)使用中，隨著熔覆層組織的逐漸細化，使碳化物和共晶組織不斷增多，激光覆層的平均硬度不斷提高，并且在其硬度值的變化中找到工件熔覆過程的最佳應(yīng)用。