高端鋁合金表面激光熔覆耐磨耐蝕涂層關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

張恒源，程旺軍，劉鵬飛，殷遠(yuǎn)東，孫耀寧

1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程系 新疆烏魯木齊 830017

2.新疆眾和股份有限公司 新疆烏魯木齊 830013

1 序言

鋁合金因其質(zhì)地輕、塑性好、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)、航海工業(yè)和導(dǎo)彈殼體等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1，2]。但是，鋁合金硬度低、易氧化、耐磨性能差等缺點限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，每年因鋁合金腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上千億元，因此關(guān)于鋁合金表面改性研究得到許多學(xué)者的青睞[3]。近幾十年來，利用激光束能量高和速度快的特點將基材與改性材料進(jìn)行較好地冶金結(jié)合，基體熔化和快速凝固后通常發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化和產(chǎn)生大角度晶界來提高基體硬度和耐磨性能[4-6]。

激光熔覆是一種對基體表面增強(qiáng)或修復(fù)的過程，使用激光器在基體表面沉積不同的材料層[7]。熔覆層的存在可以實現(xiàn)對材料表面性能提高，其對材料表面修復(fù)也能起到很大作用，且可得到混合粉末涂層和梯度大厚度涂層，因此激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用在增材成形、異種材料連接、裂紋修復(fù)再制造等領(lǐng)域[8，9]。然而，一些高強(qiáng)鋁合金由于自身增材制造性能較差，因此會導(dǎo)致材料加工過程中產(chǎn)生熱裂紋、氣泡、晶粒粗大等現(xiàn)象[10，11]。鋁合金對激光束吸收率低、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)高、起球及孔隙等缺點限制了其應(yīng)用領(lǐng)域[12]。鋁合金粉末在高凝固速率下會發(fā)生相偏析、各向異性晶粒生長和熱撕裂等現(xiàn)象[13]。

目前，關(guān)于鋁合金表面激光熔覆制備耐蝕耐磨涂層研究相對較少，涂層表面組織演變和分布規(guī)律極為復(fù)雜，熔覆過程基體熔點低、反光率大、潤濕性差、稀釋率大、涂層易出現(xiàn)的氣孔和裂紋等缺陷尚未完全解決，對鋁合金激光熔覆帶來了很大的挑戰(zhàn)。基于此，為全面研究鋁合金表面耐磨耐蝕涂層和分析激光熔覆關(guān)鍵技術(shù)，本文綜合分析了鋁合金激光熔覆涂層研究現(xiàn)狀、熔覆過程中存在的問題、鋁合金激光熔覆關(guān)鍵技術(shù)、激光熔覆組織及激光熔覆涂層性能等，為鋁合金復(fù)雜構(gòu)件表面激光熔覆制備高性能涂層提供理論參考。

2 鋁合金激光熔覆涂層研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外許多著名學(xué)者采用激光熔覆技術(shù)來對鋁合金表面進(jìn)行改性研究，以此來提高基體耐磨耐腐蝕性能。激光熔覆鋁合金涂層大致可分為抗氧化熔覆層[14]、耐腐蝕涂層[15]、激光耐磨熔覆層[16]、激光生物熔覆層[17]，以及激光熔覆金屬陶瓷層[18]等。隨著有關(guān)鋁合金激光熔覆涂層研究，Cu、Ni、Fe、Co、Al等金屬粉末，以及鎳基合金、銅基合金和陶瓷粉均可作為鋁合金表面熔覆材料對鋁合金表面進(jìn)行改性，以提高基體硬度、耐磨、耐腐蝕及抗氧化等性能。李琦等[19]利用激光熔覆技術(shù)制備NiCrAl/TiC 復(fù)合涂層，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗，分析其腐蝕后SEM圖像，如圖1所示。由圖1可知，A390基體表面受腐蝕嚴(yán)重，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)且表面有龜裂紋，熔覆層僅存在不明顯的點蝕現(xiàn)象。由此可得出，鋁合金表面熔覆涂層存在能增加基體耐腐蝕性能。張鵬飛等[20]在7075鋁合金基體表面制備Ti/TiBCN復(fù)合涂層，采用MFT-R4000往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)對基體和制備好的涂層進(jìn)行摩擦試驗，觀察摩擦后金相顯微形貌，如圖2所示。由圖2可知，鋁合金基體硬度低，摩擦試驗后表面粗糙不平，有較深犁溝，屬于典型的犁削式磨損，而涂層表面受影響小，因此激光熔覆涂層表現(xiàn)了較強(qiáng)的抗磨損能力。

圖1 NiCrAl/TiC復(fù)合涂層基體和熔覆層腐蝕形貌[19]

圖2 Ti/TiBCN復(fù)合涂層基體與涂層磨損后金相顯微形貌[20]

JIANG等[21]利用激光熔覆技術(shù)聚焦離子束和微機(jī)械臂對AA7075鋁合金熔覆層進(jìn)行原位制備來用于對飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料表面修復(fù)。對其熔覆層進(jìn)行透射電鏡檢測（TEM），如圖3所示。表征結(jié)果顯示：晶界處有不同類型粗相，熱影響區(qū)納米顆粒密度數(shù)量較低，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖3 AA7075鋁合金熔覆層TEM圖像[21]

3 鋁合金激光熔覆存在的問題

通過激光熔覆對鋁合金表面進(jìn)行改性，極大地提高了鋁合金性能。熔覆時吸光率的大小會影響涂層質(zhì)量，通常黑色吸光率較好，大多數(shù)激光熔覆基體也為黑色，但鋁合金基體是銀白色，吸光率較差，從而影響涂層質(zhì)量[22]。目前，以鋁合金為基體的激光熔覆仍面臨諸多問題。

（1）鋁合金不易熔化 鋁合金電負(fù)性較強(qiáng)，表面極易氧化形成金屬間氧化物，氧化物硬度和熔點較高，不易熔化[23]，且Al與其他元素的負(fù)混合焓導(dǎo)致脆性氧化物生成，在熱應(yīng)力作用下促進(jìn)裂紋的萌生，造成涂層質(zhì)量降低。

（2）鋁合金表面易反光，激光透射率低 根據(jù)菲涅耳方程，入射到鋁合金材料表面的激光反射率表示為

式中——徑向偏振分量上的反射激光能量（J）；

E11——徑向偏振分量上的入射激光能量（J）；

φ1——入射角（°）；

δ——介質(zhì)的電導(dǎo)率（S/m）；

γ——激光的角頻率（rad/s）。

式中B——鋁合金的表面透射率；

A——鋁合金的吸收率[L/（g/cm）]。

在激光熔覆過程中，鋁合金材料表面只能吸收小部分能量，對激光利用率低，嚴(yán)重影響熔覆效果，鋁合金對波長為10.6μm的CO2激光反射率高達(dá)96.9%。鋁合金激光熔覆層的質(zhì)量與熔覆材料本身有關(guān)，且激光熔覆時參數(shù)設(shè)置如激光功率、離焦率、掃描速度等均會影響涂層性能。

（3）鋁合金熔覆時易形成氣孔 由于鋁合金導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)高，因此在激光束作用下受熱快速熔化時變形大，在快速冷卻過程中因氣體來不及逸出而形成氣孔。熔覆材料的膨脹系數(shù)和潤濕性能與鋁合金相差較大時，容易在涂層界面產(chǎn)生裂紋，影響涂層質(zhì)量。

4 鋁合金激光熔覆關(guān)鍵技術(shù)

目前，常用激光熔覆方式為先預(yù)置熔覆材料涂層后進(jìn)行激光熔覆和熔覆粉末材料與激光同步熔覆，如圖4所示。同步送粉法容易實現(xiàn)自動化控制，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，同時具有熔覆質(zhì)量良好、能量吸收率高等優(yōu)點。

圖4 激光熔覆示意[19]

沈育偉[24]利用高功率半導(dǎo)體激光器在5052鋁合金基體表面激光熔覆得到Al-Si合金涂層，表面硬度高于900HV。WANG等[25]利用選擇性激光熔融制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，將鋁基體和增強(qiáng)體結(jié)合使用，復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用于模具制造、航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)，如圖5所示。

圖5 應(yīng)用于模具制造、航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)的復(fù)雜部件[25]

5 鋁合金激光熔覆涂層性能

鋁合金表面激光熔覆耐蝕耐磨涂層以Ni基、Co基、TiC或金屬陶瓷復(fù)合材料為主，具有較好的耐蝕性和耐磨性[26，27]。其中陶瓷熔覆層具有相對優(yōu)異的耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好等性能，能夠較大程度地改善基體表面硬度和耐磨性，但其脆性較弱[28]。在大功率激光器的作用下，利用激光熔覆技術(shù)可以形成硬度高、耐蝕性與耐磨性強(qiáng)、具有一定韌性的鋁合金/陶瓷復(fù)合涂層，進(jìn)一步對材料表面進(jìn)行改性[29，30]。YUE等[31]利用準(zhǔn)分子激光技術(shù)對AA7075鋁合金表面進(jìn)行改性。如圖6、圖7所示，TEM/電化學(xué)腐蝕檢測結(jié)果表明，激光熔化區(qū)形成2層致密氧化鋁薄膜且消除了較粗的第二相顆粒；經(jīng)過激光處理樣品的極化電阻比未處理高一個數(shù)量級，且電容低6倍左右，能有效增強(qiáng)基體耐蝕性。

圖6 AA7075鋁合金表面改性后高分辨力的透射電鏡圖像[31]

圖7 動電位極化試驗后的表面形貌[31]

6 結(jié)束語

利用先進(jìn)激光熔覆技術(shù)且選取合適熔覆材料形成鋁氧化物、晶粒細(xì)化、位錯密度改變，對鋁合金進(jìn)行表面改性，可增強(qiáng)其強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕及耐磨損等性能，使鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛、更高效使用。然而鋁合金的一些特性，如熔點低、反光率大、潤濕性差、熔覆層稀釋率大，以及容易出現(xiàn)氣孔、裂紋缺陷等問題，不能滿足工業(yè)需求。針對鋁合金激光熔覆中面臨的問題，目前需要探索的內(nèi)容主要包括以下幾個方面。

1）激光工藝參數(shù)的開發(fā)與輔助技術(shù)的探索。激光功率、離焦率、掃描速度等工藝參數(shù)的設(shè)置均影響激光熔覆涂層性能，因此建立鋁合金熔覆工藝參數(shù)窗口至關(guān)重要。

2）熔覆材料的設(shè)計。結(jié)合其他基體表面熔覆材料的研究，探索出復(fù)合鋁合金表面熔覆材料體系。通過加入中間層材料過渡，添加吸光劑減少激光的反射率，添加黏結(jié)劑增強(qiáng)基體與粉末的冶金結(jié)合。

3）目前，鋁合金表面激光熔覆涂層的研究缺乏關(guān)于組織變化機(jī)理和規(guī)律變化的研究，隨著激光器的發(fā)展，越來越多的研究者在鋁合金表面激光熔覆做出卓越貢獻(xiàn)，利用激光熔覆技術(shù)對鋁合金表面進(jìn)行改性處理、提高表面性能、進(jìn)行表面修復(fù)將是發(fā)展趨勢。