高端鋁合金表面激光熔覆耐磨耐蝕涂層關鍵技術研究進展

張恒源，程旺軍，劉鵬飛，殷遠東，孫耀寧

1.新疆大學機械工程學院機械工程系 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

鋁合金因其質地輕、塑性好、導熱性好等優(yōu)點，在生物醫(yī)學、航海工業(yè)和導彈殼體等眾多領域廣泛應用[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用領域，每年因鋁合金腐蝕造成經(jīng)濟損失高達上千億元，因此關于鋁合金表面改性研究得到許多學者的青睞[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行較好地冶金結合，基體熔化和快速凝固后通常發(fā)生細晶強化和產(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或修復的過程，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，因此激光熔覆技術被廣泛應用在增材成形、異種材料連接、裂紋修復再制造等領域[8，9]。然而，一些高強鋁合金由于自身增材制造性能較差，因此會導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用領域[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鍵技術，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、鋁合金激光熔覆關鍵技術、激光熔覆組織及激光熔覆涂層性能等，為鋁合金復雜構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)外許多著名學者采用激光熔覆技術來對鋁合金表面進行改性研究，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]利用激光熔覆技術制備NiCrAl/TiC 復合涂層，進行電化學腐蝕試驗，分析其腐蝕后SEM圖像，如圖1所示。由圖1可知，A390基體表面受腐蝕嚴重，呈現(xiàn)蜂窩狀結構且表面有龜裂紋，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復合涂層，采用MFT-R4000往復摩擦磨損試驗機對基體和制備好的涂層進行摩擦試驗，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)了較強的抗磨損能力。

圖1 NiCrAl/TiC復合涂層基體和熔覆層腐蝕形貌[19]

圖2 Ti/TiBCN復合涂層基體與涂層磨損后金相顯微形貌[20]

JIANG等[21]利用激光熔覆技術聚焦離子束和微機械臂對AA7075鋁合金熔覆層進行原位制備來用于對飛機結構材料表面修復。對其熔覆層進行透射電鏡檢測（TEM），如圖3所示。表征結果顯示：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，導致強度降低。

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 鋁合金電負性較強，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與其他元素的負混合焓導致脆性氧化物生成，在熱應力作用下促進裂紋的萌生，造成涂層質量降低。

（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——介質的電導率（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96.9%。鋁合金激光熔覆層的質量與熔覆材料本身有關，且激光熔覆時參數(shù)設置如激光功率、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，影響涂層質量。

4 鋁合金激光熔覆關鍵技術

目前，常用激光熔覆方式為先預置熔覆材料涂層后進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鋁基復合材料，將鋁基體和增強體結合使用，復雜部件的結構優(yōu)化應用于模具制造、航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)，如圖5所示。

圖5 應用于模具制造、航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)的復雜部件[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，利用激光熔覆技術可以形成硬度高、耐蝕性與耐磨性強、具有一定韌性的鋁合金/陶瓷復合涂層，進一步對材料表面進行改性[29，30]。YUE等[31]利用準分子激光技術對AA7075鋁合金表面進行改性。如圖6、圖7所示，TEM/電化學腐蝕檢測結果表明，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 結束語

利用先進激光熔覆技術且選取合適熔覆材料形成鋁氧化物、晶粒細化、位錯密度改變，對鋁合金進行表面改性，可增強其強度、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)與輔助技術的探索。激光功率、離焦率、掃描速度等工藝參數(shù)的設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)窗口至關重要。

2）熔覆材料的設計。結合其他基體表面熔覆材料的研究，探索出復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，添加黏結劑增強基體與粉末的冶金結合。

3）目前，鋁合金表面激光熔覆涂層的研究缺乏關于組織變化機理和規(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，利用激光熔覆技術對鋁合金表面進行改性處理、提高表面性能、進行表面修復將是發(fā)展趨勢。