激光熔覆技術的研究進展

介紹了激光熔覆技術的發(fā)展、應用、設備及工藝特點，簡述了激光熔覆技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了激光表面改性技術存在的問題，展望了激光熔覆技術的發(fā)展前景。
0引言
　　激光熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔敷技術是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化,光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層,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的一種表面強化方法[1~3]。如對60#鋼進行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進行了對比，發(fā)現(xiàn)前者的耐蝕性明顯高于后者[4]。
激光熔覆技術是一種經(jīng)濟效益很高的新技術,它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料，因此,世界上各工業(yè)先進國家對激光熔覆技術的研究及應用都非常重視[1-2、5-7]。

1　激光熔覆技術的設備及工藝特點
目前應用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對于連續(xù)CO2激光熔覆,國內(nèi)外學者已做了大量研究[1]。近年來高功率YAG激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻報道,采用CO2激光進行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個數(shù)量級,因而更適合此類金屬的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]
激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現(xiàn)自動化控制,激光能量吸收率高,無內(nèi)部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能,使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點。
激光熔覆具有以下特點[2、9]：
( 1) 冷卻速度快(高達106 K/s), 屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。
( 2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合，通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;
( 3)熱輸入和畸變較小, 尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。
( 4) 粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;
(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0 mm,
( 6) 能進行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比;
( 7) 光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔敷;
( 8) 工藝過程易于實現(xiàn)自動化。
很適合油田常見易損件的磨損修復。

2　激光熔覆技術的發(fā)展現(xiàn)狀
激光熔覆技術是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它由上個世紀60年代提出,并于1976年誕生了第一項論述高能激光熔覆的專利。進入80年代,激光熔覆技術得到了迅速的發(fā)展,近年來結(jié)合CAD技術興起的快速原型加工技術,為激光熔覆技術又添了新的活力。
目前已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度,熱穩(wěn)定性好,化學穩(wěn)定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經(jīng)滿足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的熱點,目前已經(jīng)進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究[1、10]。

3　激光熔覆存在的問題
評價激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結(jié)合,必要時要進行質(zhì)量壽命檢測。
目前研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發(fā)、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。
目前激光熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:
① 激光熔覆技術在國內(nèi)尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。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[1]。
② 光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。
③激光熔覆層的開裂敏感性，仍然是困擾國內(nèi)外研究者的一個難題，也是工程應用及產(chǎn)業(yè)化的障礙[1、11]。目前，雖然已經(jīng)對裂紋的形成擴進行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。

4 激光熔覆技術的應用和發(fā)展前景展望
進入20世紀80 年代以來, 激光熔敷技術得到了迅速的發(fā)展, 目前已成為國內(nèi)外激光表面改性研究的熱點。激光熔敷技術具有很大的技術經(jīng)濟效益,廣泛應用于機械制造與維修、汽車制造、紡織機械、航海[12]與航天和石油化工等領域。
目前激光熔覆技術已經(jīng)取得一定的成果,正處于逐步走向工業(yè)化應用的起步階段。今后的發(fā)展前景主要有以下幾個方面:
(1)激光熔覆的基礎理論研究。
(2)熔覆材料的設計與開發(fā)。
(3)激光熔覆設備的改進與研制。
(4)理論模型的建立。
(5)激光熔覆的快速成型技術。
(6)熔覆過程控制的自動化。