激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)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(shù)。激光表面熔敷技術(shù)，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(qiáng)化方法。

激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)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(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。

應(yīng)用于激光熔覆的激光器，主要有CO2激光器和固體激光器(主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器。老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低，維護(hù)繁瑣等問(wèn)題已逐漸淡出市場(chǎng))。

對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速，主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用CO2激光進(jìn)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。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm，較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因而更適合此類金屬的激光熔覆。

激光熔覆，按送粉工藝的不同可分為兩類：粉末預(yù)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，激光能量吸收率高，無(wú)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(diǎn)。

同軸送粉原理圖

預(yù)置送粉原理圖

1.激光熔覆具有的特點(diǎn)

(1)冷卻速度快(高達(dá)106K/s)，屬于快速凝固過(guò)程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)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(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)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(shí)，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(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;

(5)熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm;

(6)能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性價(jià)比;

(7)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;

(8)工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，很適合常見易損件的磨損修復(fù)。

2.激光熔覆與激光合金化的異同

激光熔覆與激光合金化，都是利用高能密度的激光束所產(chǎn)生的快速熔凝過(guò)程，在基材表面形成于基體相互融合的、具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者工藝過(guò)程相似，但卻有本質(zhì)上的區(qū)別，主要區(qū)別如下：

(1)激光熔覆過(guò)程中的覆層材料完全融化，而基體熔化層極薄，因而對(duì)熔覆層的成分影響極小，而激光合金化則是在基材的表面熔融復(fù)層內(nèi)加入合金元素，目的是形成以基材為基的新的合金層。

(2)激光熔覆實(shí)質(zhì)上不是把基體表面層熔融金屬作為溶劑，而是將另行配置的合金粉末融化，使其成為熔覆層的主題合金，同時(shí)基體合金也有一薄層融化，與之形成冶金結(jié)合。

激光熔覆技術(shù)制備新材料，是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國(guó)科學(xué)界和企業(yè)的高度重視。

3.工藝領(lǐng)域

激光熔覆技術(shù)，是一種涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)。

它由上個(gè)世紀(jì)60年代提出，并于1976年誕生了第一項(xiàng)論述高能激光熔覆的專利。進(jìn)入80年代，激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，結(jié)合CAD技術(shù)興起的快速原型加工技術(shù)(增材制造技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù))，為激光熔覆技術(shù)又添了新的活力。

現(xiàn)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(gòu)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(qiáng)度，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)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(dòng)磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)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(fù)合涂層已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)進(jìn)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。

激光熔覆的應(yīng)用主要在兩個(gè)方面，即耐腐蝕(包括耐高溫腐蝕)和耐磨損，應(yīng)用的范圍很廣泛，例如，內(nèi)燃機(jī)的閥門和閥座的密封面，水、氣或蒸汽分離器的激光熔覆、模具表面的修復(fù)等。

同時(shí)，提高材料的耐磨和耐腐蝕性，可以采用Co基合金(如Co-Cr-Mo-Si系)進(jìn)行激光熔覆，基體中物相成份范圍中Co3Mo2Si硬質(zhì)金屬間相的存在可保證耐磨性能，而Cr則提供了耐腐蝕性。

審核編輯 黃昊宇