激光熔覆加工技術(shù)研究進(jìn)展

張國(guó)平

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

激光熔覆加工技術(shù)是采用高能激光束在金屬表面熔覆一層硬度高、熱穩(wěn)定性好、與基體形成冶金結(jié)合的復(fù)合涂層的材料，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等，是一種新的表面改性技術(shù).20世紀(jì)70年代采用激光熔覆技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的易磨損零件表面進(jìn)行涂層處理，取得了很好的效果.

1 激光熔覆原理及對(duì)材料的要求

激光熔覆是指將具有特殊使用性能的材料用激光加熱溶化涂覆在基體材料表面，以獲得與基體形成良好冶金結(jié)合和使用性能的涂層.激光熔覆可以在材料表面制備耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化、抗疲勞或者具有特殊的光、電、磁效應(yīng)的涂層，可以在比較低成本的條件下，顯著提高材料的表面性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，延長(zhǎng)其使用壽命.

常用的激光熔覆材料主要有鎳基合金、鈷基合金、鐵基金金等與高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、氧化物等陶瓷顆粒形成的復(fù)合材料，其化學(xué)成分和加工工藝又決定了熔覆層的組織和相組成.鎳基合金是最早應(yīng)用于激光熔覆的材料.Colmonoy合金耐蝕、耐磨，主要用于耐磨環(huán)境.Stellite合金具有很高抗的腐蝕性.激光熔覆也可以采用鈷基自熔合金，以增加合金的潤(rùn)濕性.鈷基自熔合金熔化后在基體材料的表面均勻鋪散，可以提高表面的致密性和光滑平整性.此外，鈷基自熔合金的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、密度等性能指標(biāo)與鋼鐵基體比較接近，可以提高熔覆層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度.

鐵基合金適用于溫度要求不高 (＜400℃)的耐磨零件，主要有不銹鋼類和高鉻鑄鐵類.與鎳基合金比，鐵基合金激光熔覆層韌性稍差.由于鐵基合金成本低廉，常被用作鎳基合金的代用品.通常使用的金屬粘結(jié)相有Ti、Co、Fe、Mo、W等，有時(shí)也采用其他金屬，如不銹鋼、青銅或高溫合金.鋁合金具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高和耐大氣腐蝕性能好等許多優(yōu)良性能，是航空、航天工業(yè)中的首選材料，但它存在強(qiáng)度低，質(zhì)體較軟，耐磨性能差的缺點(diǎn)，因此，國(guó)內(nèi)外都正在采用激光熔覆技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行改質(zhì)處理，以獲得優(yōu)良耐磨性能，從而拓寬其應(yīng)用范圍.

2 熔覆工藝及組織性能

2.1 激光熔覆工藝特點(diǎn)

激光熔覆工藝參數(shù)是影響熔覆層質(zhì)量的主要因素.工藝參數(shù)不同，熔覆層的微觀形貌也有所差異，進(jìn)而影響到熔覆層性能的優(yōu)劣.

激光熔覆的工藝特點(diǎn)為：1)激光熔覆對(duì)基體的熱影響較小，引起的變形小.2)在保證熔覆層與基體形成冶金結(jié)合的前提下，保持原熔覆材料的優(yōu)異性能.3)能進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少.4)適用范圍廣.理論上幾乎所有的金屬或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上.

2.2 工藝參數(shù)對(duì)組織性能的影響

激光熔覆加熱和冷卻速度快，偏離熱力學(xué)平衡狀態(tài)，熔覆層具有快速凝固特征，組織非常小，能形成過(guò)飽和固熔體、非晶相、超硬彌散相及亞穩(wěn)相，具有優(yōu)秀的性能.

激光熔覆層由表面到界面分為熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū).熔覆區(qū)是熔覆材料受到輻射熔化后，與微熔的基本材料形成熔池影響區(qū)的回執(zhí)溫度和組織變化及其特征與激光熔凝熱影響相同.結(jié)合區(qū)是熔覆材料與微熔材料的基體材料在熔池內(nèi)相互擴(kuò)散后凝固而成，受基體傳熱的影響與熱影響區(qū)的晶粒相互連接長(zhǎng)大呈現(xiàn)外延生長(zhǎng)，一般由平面晶或胞狀樹枝晶組成，具有典型的定向凝固特征.

3 激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

合理設(shè)計(jì)涂層材料，優(yōu)化激光熔覆工藝，以解決激光熔覆技術(shù)常見的涂層裂紋現(xiàn)象.

采用大功率激光寬帶熔覆技術(shù)可以較好地解決工藝繁瑣、效率低、成型性差，上述等問(wèn)題，提高熔覆材料的激光吸收效率.目前解決的方法為在涂覆層表面涂敷一層吸光涂料，或者采用準(zhǔn)分子激光光源降低激光波長(zhǎng)，以提高熔覆材料的激光吸收率.

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