楊 寧,楊 帆

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

激光熔覆工藝及熔覆材料進(jìn)展＊

楊 寧1,2,楊 帆3

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

激光熔覆技術(shù)在目前材料表面改性技術(shù)中應(yīng)用較廣泛。本文概述了激光熔覆技術(shù)及工藝方法,介紹了激光熔覆材料分類(lèi)及特點(diǎn),并展望了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展前景。

激光熔覆;工藝方法;熔覆材料

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)作為一種新型的材料表面改性技術(shù),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(jí)合金,以節(jié)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(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,美國(guó)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(zhuān)利。1981年Rolls.Royce公司成功在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)論在熔覆材料體系的開(kāi)發(fā)及工藝研究方面,還是在熔覆硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面,都取得了相當(dāng)大的成就。

激光熔覆亦稱(chēng)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(guò)迅速熔凝,冷卻速度通常達(dá)到102～106℃/s,在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料,從而構(gòu)成一種新的復(fù)合材料,以增強(qiáng)基材的性能,這種復(fù)合材料能充分發(fā)揮基材和熔覆材料的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)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(hù)涂層[1-2]。

2 激光熔覆工藝

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

2.1 預(yù)置法

預(yù)置法是指將待熔覆的合金材料預(yù)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(gè)合金覆蓋層及一部分基材熔化,待激光束離開(kāi)后,熔化的合金快速凝固而在基材表面形成冶金結(jié)合良好的熔覆層。合金預(yù)置法有兩種方法:

圖1 工藝方法

(1)預(yù)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(yōu)點(diǎn)是即方便又經(jīng)濟(jì)。首先用黏結(jié)劑將涂覆用的粉末調(diào)成糊狀放置于基材表面,然后在烘箱中將其干燥,最后再進(jìn)行激光熔覆。此方法不足之處是手工涂覆效率較低。

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

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

2.2 同步法

同步法是指采用專(zhuān)門(mén)的送粉系統(tǒng)在激光熔覆的過(guò)程中將合金粉末直接送進(jìn)激光作用區(qū),在激光的作用下基體和合金材料同時(shí)熔化,然后冷卻結(jié)晶形成合金熔覆層,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,合金材料利用率高,可控性好,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。與預(yù)置法相比,同步法更能體現(xiàn)激光熔覆工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

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(lèi)及特點(diǎn)

利用激光熔覆技術(shù),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(shù)應(yīng)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(guān)鍵的,對(duì)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(yīng)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(guò)程中應(yīng)盡力避免產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力,使熔覆層有裂紋出現(xiàn),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(yīng)具有良好的固態(tài)流動(dòng)性;(4)熔覆材料還應(yīng)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(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性。潤(rùn)濕性與材料表面張力有關(guān),表面張力愈小,液態(tài)流動(dòng)性越好。

激光熔覆合金材料包括自熔性合金材料、復(fù)合材料、陶瓷材料等。這類(lèi)材料具有優(yōu)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(lèi),在鐵、鎳、鈷粉末中加入B和Si,脫氧、造渣能力非常強(qiáng)[6-7]。自熔性合金粉末的優(yōu)點(diǎn):自熔性好,當(dāng)自熔性合金粉末被加熱到高溫出現(xiàn)液相時(shí),合金中B、Si元素與氧反應(yīng),氧化成B2O3、SiO2與其它氧化物結(jié)合成硼硅酸鹽,能防止涂層的氧化,有利于涂層與基體的結(jié)合;熔點(diǎn)低,自熔性合金粉末的熔點(diǎn)低于基體的熔點(diǎn)(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(diǎn)大幅度降低;潤(rùn)濕性好,即液體金屬在固體表面的鋪開(kāi)能力好,自熔性合金粉末熔化時(shí)形成硼硅酸鹽過(guò)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(rùn)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(gè)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(diǎn)共晶。這類(lèi)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(guò)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(dāng)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(yīng)用在700℃左右高溫下,又要求具有較高紅硬性時(shí)的涂覆,如發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門(mén),過(guò)熱蒸汽閥門(mén)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(lái)降低Co基合金熔覆層的熱膨脹系數(shù),減小合金的熔化溫度區(qū)間,有效抑制熔覆層開(kāi)裂現(xiàn)象,提高熔覆層對(duì)基體的潤(rùn)濕性。不足之處鈷基自熔性合金粉末的市場(chǎng)價(jià)位相對(duì)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(yè)中使用,鐵基自熔性合金粉末其最大優(yōu)點(diǎn)是成本低耐磨性強(qiáng),因此工業(yè)上應(yīng)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(shuō)來(lái)鐵基自熔性合金熔點(diǎn)較高,自熔性也不如鎳基和鈷基,但只要涂覆工藝得當(dāng),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(jià)格比鐵基粉末貴1～3倍。因此,選用時(shí)要從使用性能、經(jīng)濟(jì)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(shù)量碳化鎢顆粒,涂覆后碳化鎢形態(tài)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(qiáng)度、高韌性和陶瓷顆粒相優(yōu)異的耐磨、耐蝕和耐高溫等性能結(jié)合在一起,而且還能開(kāi)發(fā)出新的功能,因此引起人們普遍關(guān)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(mén)[8]。

激光熔覆金屬陶瓷材料可以將金屬材料較高的強(qiáng)度、韌性、良好的工藝性能和陶瓷相優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫及化學(xué)穩(wěn)定性有機(jī)結(jié)合起來(lái),受到人們的重視,但在應(yīng)用中存在陶瓷材料與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等性能差別較大的問(wèn)題。

3.3 復(fù)合粉末

復(fù)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(qiáng)的材料特性,在目前材料表面改性方面應(yīng)用比較廣泛[9]。復(fù)合粉末一般是用特殊復(fù)合方法制成的,不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)密度不勻等原因,在運(yùn)輸、貯存和涂覆過(guò)程中產(chǎn)生成分不均勻,并增加了各組分間的接觸面,使涂覆過(guò)程易于合金化。復(fù)合粉末和不同成分的合金粉末進(jìn)行機(jī)械混合的粉末不同。不同點(diǎn)在于復(fù)合粉末中的單個(gè)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(jī)械結(jié)合。

復(fù)合粉末能大大提高熔覆層的耐磨性能,應(yīng)用最多的是鈷包碳化鎢和鎳包碳化鎢。在復(fù)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(shù)是利用合金材料的某些特殊性質(zhì)使基材表面達(dá)到耐磨、耐蝕、抗高溫、抗氧化等多種性能。

4 激光熔覆技術(shù)前景

激光熔覆工藝經(jīng)過(guò)將近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,已完全從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用,在汽車(chē)工業(yè)、航空航天、石油行業(yè)、軋輥行業(yè)、機(jī)械動(dòng)力行業(yè)和模具等諸多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù),有著很好的發(fā)展前景。同時(shí),激光熔覆工藝也存在著一些技術(shù)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(shù)的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,應(yīng)從以下方面作進(jìn)一步研究:

(1)研究激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)理論。可以從熱力學(xué)和外延生長(zhǎng)作為出發(fā)點(diǎn),對(duì)激光熔覆凝固現(xiàn)象進(jìn)行研究,研究范圍有:各種亞穩(wěn)相是怎樣形成的、凝固過(guò)程中溶質(zhì)是怎么分配的和熔覆層的組織特征等。

(2)研究開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的合金粉末體系。利用激光熔覆技術(shù),對(duì)熔覆材料表面特性進(jìn)一步研究,如力學(xué)性能、耐蝕性和耐摩擦磨損性能等,開(kāi)發(fā)與基體結(jié)合更好的熔覆材料。

(3)研究開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的粉末輸送裝置與技術(shù)。建立更接近實(shí)際過(guò)程的模型,有能量、動(dòng)量和質(zhì)量傳輸模型,通過(guò)對(duì)這些模型的測(cè)試分析,獲得定量信息,對(duì)激光熔覆技術(shù)的相變規(guī)律更進(jìn)一步研究。

REFERENCES

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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(xué)研究計(jì)劃(2006140009)基金資助,河南教育學(xué)院物理系重點(diǎn)學(xué)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(shù),E-mail:yangningan1314@163.com