激光熔覆納米涂層及其在模具修復(fù)中的應(yīng)用

王輝 馬麗秋 胡增榮

摘 要：激光熔覆技術(shù)是一種較為有效的表面改性及修復(fù)技術(shù)。簡述了激光熔覆納米涂層技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，并簡要介紹了其在模具修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。指出激光熔覆適合對(duì)各類模具進(jìn)行表面修復(fù)，并且通過熔覆制備適宜的納米涂層進(jìn)而有效提高修復(fù)后模具的表面性能。簡單介紹了其存在的問題和今后研究的方向。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；模具；修復(fù)

中圖分類號(hào)：TG1744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.006

基金項(xiàng)目：蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院第二十批大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研基金項(xiàng)目（ KY2018130A）

作者簡介：王輝（1996-），男，江蘇揚(yáng)州人，本科，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)，296348722@qq.com。

激光熔覆技術(shù)，是一種較新的表面改性及修復(fù)技術(shù)。其是在激光束作用下，將合金粉末或混有增強(qiáng)相的混合粉末，在高能激光束輻照下加熱并熔化，當(dāng)光束移開后自激冷卻并與基體材料形成冶金結(jié)合涂層，從而能有效改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化和修復(fù)方法。例如，對(duì)45#鋼進(jìn)行鎳基納米Al2O3激光熔覆后，其硬度和耐磨性可以顯著提高。在Q235 鋼基體表面預(yù)置金屬陶瓷粉末，采用CO2激光進(jìn)行熔覆，得到的與基體為冶金結(jié)合的金屬陶瓷熔覆層，熔覆層的硬度可以達(dá)到800 HV。

總的來說，激光熔覆是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)。它能夠方便地在普通金屬材料表面制備高性能的涂層，并且對(duì)基體材料性能的影響非常微弱。高性能的涂層能夠有效改善某些零件的使用性能，另外激光熔覆技術(shù)也可以方便地應(yīng)用到金屬材料的表面修復(fù)中。對(duì)金屬表面的磨損、劃痕、裂紋等缺陷可以采用激光熔覆的方法，在基體上“長肉”，補(bǔ)全磨損量、缺陷，覆蓋劃痕、彌合裂紋等，然后再進(jìn)一步進(jìn)行加工處理，即可得到滿足要求的最終制件。這些特點(diǎn)使其在材料表面改性和再制造行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，很多國家都對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用非常重視。

按粉末提供的方式不同激光熔覆可分為兩大類：即預(yù)置粉末法和同軸送粉法。兩種方法各有特點(diǎn)，預(yù)置粉末法簡單方便，對(duì)激光頭要求不高，而同軸送粉法要求增加送粉器和同軸激光頭，設(shè)備較為復(fù)雜，但其易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并且激光的利用率高，不容易產(chǎn)生內(nèi)部氣孔，熔覆層內(nèi)分布較為均勻。

總體來說激光熔覆具有如下特點(diǎn)：（1）急速冷卻（高達(dá)106 K/s），這樣快速凝固的過程中容易得到細(xì)晶組織甚至非晶態(tài)等。（2）熔覆層化學(xué)成分穩(wěn)定，并與基體能夠形成冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，結(jié)合緊密可靠。 （3）熱影響及熱變形小，當(dāng)采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可忽略不計(jì)。（4）對(duì)基體材料及粉末材料沒有特別要求，幾乎所有的基體材料和粉末都可以進(jìn)行激光熔覆，做表面改性或修復(fù)。（5）通過連續(xù)熔覆，可以得到較厚的熔覆層，其單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0 mm，可以與3D打印技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行針對(duì)性熔覆，所以經(jīng)濟(jì)性好。（6）激光頭和被熔覆工件幾乎沒有力的作用，通過光路調(diào)整，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離熔覆。 （7）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，比如與機(jī)械手臂相結(jié)合等。

對(duì)傳統(tǒng)的激光表面熔覆涂層進(jìn)行改進(jìn)，比如可以通過添加納米粒子或使用輔助工藝進(jìn)行超高速冷卻以實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合涂層的制備。已有的研究表明，在高硬、高耐磨涂層中添加納米相，可進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性，可顯著地提高材料的耐高溫、抗氧化性，以得到更加優(yōu)異的綜合性能。這對(duì)各類模具的表面修復(fù)和改性增強(qiáng)具有重要意義。

模具工作一段時(shí)間后表面會(huì)因磨損、腐蝕等原因造成失效，通常都是直接報(bào)廢，這必然造成巨大浪費(fèi)。采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行模具修復(fù)對(duì)延長模具使用壽命有重要作用，模具修復(fù)技術(shù)種類較多，其中激光熔覆是應(yīng)用比較廣泛、效果也比較好的一類新技術(shù)。當(dāng)前激光熔覆，尤其是激光熔覆納米涂層技術(shù)在模具修復(fù)領(lǐng)域主要有如下應(yīng)用：

（1）壓鑄模具修復(fù)。金屬壓力鑄造，尤其是輕合金的壓力鑄造在汽車、通訊等行業(yè)的產(chǎn)品上大量應(yīng)用。壓力鑄造時(shí)熔融金屬在高壓、高速下充滿模具型腔進(jìn)而壓鑄成型，這一過程中模具反復(fù)與熾熱金屬接觸，容易發(fā)生熱疲勞、磨損、腐蝕等問題。雖然現(xiàn)在大量采用了各種表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)模具表面進(jìn)行處理，但由于其工藝過程的特點(diǎn)決定，每年有大量的壓鑄模具因表面磨損、熱裂紋和腐蝕等原因而不能再投入生產(chǎn)。這造成了巨大的浪費(fèi)，對(duì)于這些模具就非常適合采用激光熔覆高性能納米涂層的方法進(jìn)行修復(fù)，由于激光處理的快速熔凝特點(diǎn)和納米涂層的優(yōu)越性，修復(fù)后的模具表面性能甚至可以優(yōu)于新模具。比如某鋁合金壓鑄企業(yè)采用激光熔覆修復(fù)的壓鑄模具使用壽命提高了1.5倍。

（2）砂型鑄造模具修復(fù)。傳統(tǒng)砂型鑄造歷史悠久，但手工造型效率太低，對(duì)于如汽車零件等的大批量生產(chǎn)基本都使用金屬模具自動(dòng)造型。金屬模具的磨損，也可以采用激光熔覆的方法進(jìn)行修復(fù)。不過相對(duì)于其他模具，砂型鑄造模具精度要求和修復(fù)難度要小的多，所以實(shí)際生產(chǎn)中大多使用原子灰或樹脂進(jìn)行快速修補(bǔ)，但長期使用效果顯然不如激光熔覆涂層。

（3）塑料模具修復(fù)。各種塑料模具，如注塑模、吹塑模等其表面也存在熱疲勞及磨損腐蝕等問題，相對(duì)來說塑料模具較為復(fù)雜，精度要求也較高，所以其模具成本也較高，對(duì)這類報(bào)廢模具的維修和強(qiáng)化就顯得更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（4）鍛壓模具修復(fù)。鍛壓，不論是熱鍛還是冷鍛對(duì)模具要求都非常高。而且模具的工況也更惡劣，更容易出現(xiàn)各種問題，從而導(dǎo)致?lián)p壞報(bào)廢。對(duì)這類模具也可以采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行模具表面裂紋、缺陷和磨損等問題的修復(fù)，同時(shí)熔覆高性能納米涂層對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化。

（5）沖壓模具修復(fù)。在金屬材料冷沖壓過程中，模具在壓力機(jī)的作用下使金屬材料發(fā)生塑性變形或分離，大批量生產(chǎn)時(shí)模具的磨損是較為突出的問題。可以使用激光熔覆的方法修復(fù)磨損或出現(xiàn)缺陷的沖壓模具。比如錘鍛模沖頭在根部出現(xiàn)的熱裂紋及橋部塌陷使用激光熔覆工藝進(jìn)行修復(fù)，沖裁模具的沖頭磨損也可以使用激光熔覆高性能納米涂層進(jìn)行尺寸恢復(fù)及性能強(qiáng)化。如對(duì)用于沖裁4 mm厚Q235板材的Cr12沖裁模，其裂紋和刃口剝落采用激光熔覆修復(fù)就取得了良好的使用效果。

（6）其他應(yīng)用。除了以上幾類模具修復(fù)上的應(yīng)用外，激光熔覆還可以廣泛應(yīng)用于其他模具或零件的修復(fù)上。比如冶金行業(yè)的軋輥，汽輪機(jī)葉片、閥門等。

當(dāng)前激光熔覆技術(shù)快速發(fā)展，其在模具修復(fù)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，但其還存在一些共性問題需要解決，比如：熔覆裂紋的控制，熔覆材料的研發(fā)，熔覆工藝數(shù)據(jù)庫的開發(fā)等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任德亮，林齊，李婷，等.冷作模具曲面激光熔覆修復(fù)工藝及路徑研究[J].表面技術(shù)，2018，47（3）：54-60.

[2] 張德強(qiáng)，張吉慶，郭忠娟.激光熔覆修復(fù)45#鋼模具的組織及性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（2）：118-120.

[3] 李婷. 冷作模具凹曲面激光熔覆修復(fù)工藝研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[4] 楊天云.模具的復(fù)合激光熔敷改性工藝研究[J].熱加工工藝，2015，44（22）：138-140.

[5] 謝祖華.模具的激光熔覆修復(fù)[J].福建農(nóng)機(jī)，2014（4）：22-25.

[6] 李福海，陳興馳，佟鑫，等.模具的激光表面熔敷成型技術(shù)及應(yīng)用[J].塑料制造，2014.

（04）