激光熔覆工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展

楊曉倩，李亞江，馬群雙，王娟

(山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061)

0 前言

激光熔覆技術(shù)興于20世紀(jì)70年代，是通過不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料與基材表層一起快速熔凝，形成與基材表面冶金結(jié)合良好涂層的表面改性技術(shù)。與傳統(tǒng)的化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬)、電鍍、堆焊、噴涂等相比，該技術(shù)具有熔覆層晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密及稀釋率低等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在航空航天、模具、石油化工等行業(yè)成為表面工程領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點(diǎn)。

激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，傳統(tǒng)的熔覆工藝面臨著熔覆層開裂敏感性高，易產(chǎn)生氣孔及效率較低等問題。裂紋現(xiàn)象和行為牽涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工藝是決定熔覆質(zhì)量及效率的關(guān)鍵因素，深入研究工藝特性對(duì)于該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 激光器的發(fā)展

激光器是將其他能量轉(zhuǎn)換為激光的器件，是激光熔覆加工系統(tǒng)的核心組件。自1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定激光的理論基礎(chǔ)，到19世紀(jì)60年代紅寶石、氦氖、砷化鎵半導(dǎo)體及染料等激光器的相繼問世，激光器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。激光器的種類繁多，按工作方式分為連續(xù)型和脈沖型，按工作介質(zhì)分為4 類，激光器類型及特點(diǎn)如表1所示。

針對(duì)激光熔覆技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用的激光器主要是橫流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的輸出波長(zhǎng)為1.06 μm，較CO2激光波長(zhǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)金屬及其合金而言，一般隨波長(zhǎng)的增加，吸收率減小，所以同一金屬材料對(duì)這兩種激光的吸收率有很大差別。張安峰等[1]研究了CO2和YAG激光的熔覆特性，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一種材料，YAG激光的吸收率約是CO2激光的3倍多。但因CO2激光器轉(zhuǎn)換功率高，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，目前仍為激光熔覆主要采用的激光器。

表1 激光器的類型及特點(diǎn)

隨著技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的光纖激光器也逐漸應(yīng)用到激光熔覆中，這種激光器是以摻入某些激活離子的光纖作為工作介質(zhì)，或利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成。光纖激光器具有多種優(yōu)勢(shì)，如光纖的可撓性帶來的小型化、集約化;多維空間的加工;光電效率達(dá)30%以上，有效降低成本;可調(diào)諧性好等。徐宇藍(lán)等[2]利用機(jī)器人光纖激光系統(tǒng)在45鋼表面作鐵基粉末熔覆，結(jié)果表明熔覆層顯微硬度高于基材兩倍以上，能夠消除搭接處微裂紋及氣孔等缺陷，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

2 激光熔覆工藝

2.1 傳統(tǒng)激光熔覆工藝

激光熔覆技術(shù)按熔覆材料的供給方式分為兩類，即預(yù)置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。預(yù)置式是指將待熔覆的合金粉末預(yù)先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆蓋層表面掃描，使覆蓋層及一部分基材熔化，激光束離開后熔化的金屬快速凝固在基材表面形成冶金結(jié)合良好的熔覆層。同步式是指在激光熔覆過程中采用專門的送粉系統(tǒng)將合金粉末直接送入激光作用區(qū)，在激光的作用下使供料和熔覆同時(shí)完成，之后冷卻結(jié)晶形成熔覆層。預(yù)置式的手工涂覆效率較低;同步式的熔覆工藝過程簡(jiǎn)單，效率高，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

影響熔覆層質(zhì)量的因素眾多，包括激光功率、光斑尺寸、激光掃描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的預(yù)處理和后處理，材料的熱物理特性等。但激光功率、掃描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的參數(shù)，通常用比能量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化已有大量的試驗(yàn)，如Lusqui?os 等[3]在不銹鋼上采用光纖激光熔覆Co 基合金探究了各個(gè)參數(shù)之間的影響。Przybylowicz 等[4]在鎳基和鈷基合金粉末中分別添加WC相，探討了激光功率和掃描速度對(duì)碳鋼上裂紋的影響規(guī)律。王璐等[5]在45鋼表面熔覆NiCrMn+WC 硬質(zhì)合金層，研究掃描速度及功率對(duì)顯微硬度的影響。王志堅(jiān)等[6]采用鐵基合金粉末進(jìn)行單道熔覆試驗(yàn)，研究了激光功率、掃描速度及送粉量對(duì)熔覆形狀尺寸和成形效率的影響。

雖然針對(duì)工藝參數(shù)對(duì)熔覆層組織性能、顯微硬度、缺陷影響等做了大量的研究，但各個(gè)參數(shù)對(duì)熔覆質(zhì)量的影響規(guī)律較為復(fù)雜，需針對(duì)特定的熔覆材料體系進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.2 復(fù)合激光熔覆工藝

傳統(tǒng)的激光熔覆工藝易出現(xiàn)裂紋等問題，影響熔覆層的質(zhì)量及使用性能。所以，近年來復(fù)合激光熔覆技術(shù)得到很快發(fā)展，如激光熔覆輔加電磁攪拌、超聲波、機(jī)械振動(dòng)、交變磁場(chǎng)等。余本海等[7]在激光熔覆WC－Co 基合金中輔加電磁攪拌的研究中發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌能夠使熔覆層組織的晶粒均勻細(xì)化，并能夠消除熔覆層內(nèi)的氣孔和微裂紋，提高熔覆層質(zhì)量。王維等[8]利用超聲波對(duì)BT20 鈦合金進(jìn)行激光熔覆時(shí)指出，超聲波能夠使熔覆層內(nèi)部組織氣孔率下降、晶粒尺寸減少。Zhou 等[9]輔加感應(yīng)加熱系統(tǒng)在Cu 基體上熔覆Cu－Fe基合金粉末，試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)氣孔及裂紋等缺陷(圖1)。在熔覆層中央(圖1b)有大量5～50 μm 尺寸的球狀粒子(A)分布于細(xì)小晶?；w(B)中，通過分析知富銅基質(zhì)中的球狀粒子含過飽和Cu的富Fe相。此外，熔覆層的顯微硬度是基材的3倍，其強(qiáng)化是沉淀硬化及彌散硬化等的組合強(qiáng)化。

圖1 激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆Cu－Fe 基的顯微組織圖[9]

3 激光熔覆主要問題及解決

雖然激光熔覆在眾多的表面改性技術(shù)中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，且近年來激光熔覆新工藝也得到研究，但作為大范圍商業(yè)化應(yīng)用的表面改性技術(shù)而言，其裂紋、氣孔、大面積熔覆等亟待解決的問題限制了它的應(yīng)用發(fā)展。

3.1 裂紋及氣孔缺陷的控制

激光熔覆是一個(gè)典型的快速加熱、冷卻的過程，特別是在熔覆硬質(zhì)陶瓷相時(shí)，由于熔覆材料與基體材料在物理性能上的差異，易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致熔覆層的開裂[10]，如圖2a所示。這種裂紋問題可通過調(diào)控材料間熱脹系數(shù)的匹配來解決，而在選定材料的基礎(chǔ)上，一般通過優(yōu)化工藝方法及工藝參數(shù)來抑制熔覆層的開裂。另外，還可以減少溫度梯度(如預(yù)熱、保溫);在合金粉末中添加增韌、增塑的元素以達(dá)到抑制裂紋產(chǎn)生、增加熔覆層抗裂的目的[11]。研究表明，在合金粉末中加入V2O5能抑制裂紋的生成;超聲波振動(dòng)也可以有效地控制裂紋的產(chǎn)生[12－13]。Zhou 等[14]在激光熔覆鎳系和WC相的復(fù)合涂層中發(fā)現(xiàn)存在裂紋，如圖2b所示，而利用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆可獲得無裂紋的熔覆層。

關(guān)于氣孔的形成機(jī)制，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為:氣孔是由于殘余的保護(hù)氣體或在激光熔覆過程中形成的氣體沒有足夠的時(shí)間從熔池中逸出而形成的。對(duì)于氣孔的控制，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)、減少氣體來源(如烘干熔覆合金粉末)、預(yù)熱緩冷、略微延長(zhǎng)熔池時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。Zhou 等[15]通過研究不同基體及熔覆材料對(duì)氣孔的影響，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)相同時(shí)，由于基體熱導(dǎo)率的不同使Q235鋼形成的氣孔比不銹鋼上的大很多(圖3a，3b)。另外，含Cr3C2粉末的熔覆層生成的氣孔更大(圖3a，3c)，這是由于Cr3C2的熔點(diǎn)比Fe901的高，未融化粉末間的孔隙連接起來形成了較大尺寸的氣孔。

圖2 裂紋形態(tài)圖

圖3 氣孔的形態(tài)特征圖[15]

3.2 高效激光熔覆的實(shí)現(xiàn)

將激光熔覆技術(shù)廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，大面積熔覆是必不可少的。大面積熔覆工藝主要有兩種:多道搭接和多層疊加，即從橫向及縱向兩個(gè)方向加工處理。由于激光光斑尺寸較小，而搭接會(huì)造成相鄰掃描帶結(jié)合處的“二次加熱”效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)材料表面顯微硬度降低及裂紋的產(chǎn)生，這嚴(yán)重制約了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用。

提高熔覆效率可通過使用大功率的激光器、增加掃描速度或光斑直徑等實(shí)現(xiàn)，但其受比能量Es的限制，不能無限制的提高。為改善因搭接產(chǎn)生的問題，研究表明，采用矩形光斑或激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)等均有利于提高熔覆效率。如在寬帶光束模式下，不僅可以增加熔覆帶寬度，還能夠降低裂紋敏感度。同時(shí)，利用熔池邊緣溫度梯度形成的表面張力起到攪拌熔體合金使其均勻分布的作用[16]。如圖4在不同光斑的激光熔覆試樣中，矩形光斑的熔覆面積更大，而圓形光斑熔覆則需要多次搭接，且出現(xiàn)氣孔缺陷。周圣豐等[17]在激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的試驗(yàn)中表明，復(fù)合熔覆的效率是單純?nèi)鄹驳?倍多，而稀釋率僅為5.2%，抗干滑動(dòng)磨損性能約是單純?nèi)鄹驳?.42倍。另外，周圣豐等[18]利用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的方法在Q235鋼表面獲得了無氣孔與裂紋的Ni 基WC 熔覆層，且相對(duì)于單純激光熔覆，復(fù)合熔覆的效率約提高了5倍。試驗(yàn)表明，在激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，熔覆層與基材間的溫度梯度大大降低，這是獲得Ni 基WC 熔覆層無裂紋的關(guān)鍵原因。

圖4 不同光斑下激光熔覆試樣

4 前景展望

激光熔覆技術(shù)具有熔覆層晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密及稀釋率低等一系列優(yōu)點(diǎn)，但仍存在裂紋、氣孔缺陷，大面積熔覆的實(shí)現(xiàn)及設(shè)備昂貴等問題，在選定材料的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝方法和工藝參數(shù)尤為重要。未來激光熔覆工藝的發(fā)展應(yīng)該聚焦在以下幾個(gè)方面:

(1)新型激光器的工業(yè)化應(yīng)用。性能良好的大功率激光器是激光熔覆的首要條件，未來傾向于研發(fā)大功率、小型化的激光裝置，提高電源的穩(wěn)定性和壽命。固體激光器應(yīng)解決轉(zhuǎn)換效率低的問題，其發(fā)展趨勢(shì)包括尋求新波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作介質(zhì)，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，提高轉(zhuǎn)換效率等。光纖激光器具備一系列的優(yōu)點(diǎn)，未來應(yīng)開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，降低成本，擴(kuò)大工業(yè)化應(yīng)用。

(2)新型激光熔覆工藝的發(fā)展。熔覆層的開裂是激光熔覆最棘手的問題，應(yīng)優(yōu)化傳統(tǒng)熔覆工藝、開發(fā)新型熔覆技術(shù)，如梯度熔覆和高頻感應(yīng)熔覆等。梯度熔覆是在熔覆層與基體間熔覆復(fù)合層，熔覆層前后進(jìn)行合適的熱處理等。高頻感應(yīng)熔覆是利用導(dǎo)體在高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行輔助加熱，利用高頻感應(yīng)制備的熔覆層成形良好，析出強(qiáng)化相分布均勻，缺陷少。這兩種工藝均有利于解決熔覆中常見的裂紋、氣孔等問題，但復(fù)合熔覆技術(shù)存在工藝復(fù)雜及效率低下等問題。

(3)激光熔覆效率及精度的提高。激光熔覆層表面不平整，后續(xù)機(jī)加工量較大，如何提高激光熔覆的精度也是亟待解決的問題。應(yīng)研發(fā)新型一體式送粉熔覆設(shè)備及高精度送粉控制系統(tǒng)，解決與大功率激光器配套的精確度與熔覆工藝穩(wěn)定性等問題。

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