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激光熔覆技術

發布日期:06-13                    發布來源:《熱處理技術與裝備》


  摘要:概括地介紹了激光熔覆技術的機理、材料體係、工藝參數及國內外發展現狀。

  關鍵詞:激光熔覆;工藝參數;發展現狀

0 引言

   激光熔覆技術是在需處理的零部件表麵預置一層能滿足使用要求的特製粉末材料,然後用高能激光束對塗層進行快速掃描處理。預置粉末在瞬間熔化並凝固,塗層下基體金屬隨之熔化一薄層,二者之間的界麵在很窄的區域內迅速產生分子或原子級的交互擴散,同時形成牢固的冶金結合。在快速加熱下,基體受熱影響極小,無變形。該項技術主要特點為:(1)可通過不同合金粉末進行成分設計,得到完全致密的冶金結合塗層;(2)由於快速加熱和冷卻,激光熔覆層組織均勻致密,微觀缺陷少,性能優於其他工藝;(3)激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控製,易實現選區甚至微區熔覆,且對基體的熱影響甚微;(4)熔覆層的稀釋率小,且可精確控製;(5)屬於無接觸型處理,便於自動化,實現柔性加工。

  激光熔覆組織是一種快速凝固組織,它的形成與熔覆材料成分、工藝參數密切相關。它的基本特征是組織細小均勻,基體固溶度增大,形成亞穩相,且易於實現自動化,從而具有優異的性能。

1 激光熔覆技術

1.1 激光熔覆彩料

   由於激光熔覆可以將高熔點材料熔覆在低熔點的基材表麵,且材料的成分亦不受平衡冶金熱力學限製,因而,所采用的激光熔覆材料的範圍相當廣泛,包括鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物複合合金材料以及陶瓷材料等,其中合金材料和碳化物複合合金材料的激光熔覆較為成熟,並已獲得實際應用。激光熔覆合金體係主要有鐵基合金、鎳基合金、估計合金和金屬陶瓷等。激光熔覆鐵基合金適用於要求局部耐磨且容易變形的零件,鐵基合金深層的基材多用鑄鐵和低碳鋼熔覆;鎳基合金適於要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件,所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高;鈷基合金塗層適於要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件;陶瓷塗層在高溫下有較高的強度,且熱穩定性好,化學穩定性高,適用於耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。這類材料具有優異的耐磨和耐蝕等性能,通常以粉末的形式使用,並采用火焰噴焊等方法熔覆,可獲得表麵光滑且與基材結合較好的熔覆層。最先選用且研究最廣的塗層材料是鎳基,鈷基,鐵基自熔合金,基體材料有各種碳鋼、不鏽鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。這幾種自熔合金與上述基體材料具有良好的潤濕性,易獲得稀釋率低、與基體成為冶金結合的致密塗層。在此基礎上,在自熔合金中加入各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒,形成了複合塗層,甚至純陶瓷塗層,進行複合塗層或純陶瓷塗層的激光熔覆,可獲得各種優異的表麵性能。不同激光熔覆材料的適用基材範圍較廣泛,如鎳基塗層材料可用於碳鋼,合金鋼,鑄鐵及鋁合金等的表麵熔覆,但對於一定工作環境,某一基體而言,存在一最佳塗層合金。

   國內外用於生產的激光熔覆自熔性合金粉末可分為鎳基自熔性合金粉末、鈷基自熔性合金粉末、鐵基自熔性合金粉末,其主要特點是含有矽和硼,因而具有良好的自我脫氧和造渣的性能,即所謂自熔性。這類合金在重溶時,合金中的硼和矽被氧化,在覆層表麵形成薄膜。這種薄膜既能防止合金中的元素被氧化,又能與這些元素的氧化物形成硼矽酸鹽熔渣,從而獲得氧化物含量低、氣孔率少的噴焊層。硼與矽還降低合金的熔點,增加合金的浸潤作用,對合金的流動性及表麵張力產生有利影響。自熔合金的硬度與合金的含硼量與含碳量有關,隨硼、碳含量的增加而提高,這是由於硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數量增加所致。由於基材含有較高的鉻等元素,所以合金還具有優異的耐蝕和抗氧化性。為提高自熔合金的硬度及耐磨性,也可在其中加入較多的WC,形成自熔合金與WC的混合物。

1.1 激光熔覆工藝參數

   激光熔覆是一個複雜的物理、化學冶金過程,是一種對裂紋敏感的工藝。熔覆層的質量和性能除與熔覆材料的原始成分、基材的成分和性能密切相關外,在很大程度上取決於激光熔覆的工藝參數。激光熔覆的工藝參數主要包括激光功率P、光斑直徑(光束直徑D或麵積S)、光腔輸出時光束構型和聚焦方式、工件移動速度和激光掃描速度V、激光掃描多道搭接係數μ和不同填料方式確定的塗層材料添加量(如預置厚度或送粉量)等。此外還有一些綜合性的工藝參數,如:比能量、功率密度、線能量。如何評價各個工藝參數在熔覆層形成過程中的作用是熔覆層設計的關鍵。

   激光功率是影響熔覆層品質的主要因素。功率越大,熔化的合金量越多,產生氣孔的機率就越大,隨著功率增加,周圍的金屬液體流向氣孔而使氣孔數量逐漸減少甚至得以消除,裂紋數量也逐漸減少。當熔覆層深度達到極限深度後,隨著功率提高,將引起等離子體增大,基材表麵溫升加大,導致變形和開裂現象加劇。激光功率密度過低,僅表麵塗層熔化,基體未熔,此時熔覆層表麵出現局部起球、孔洞等外觀,達不到表麵熔覆和摻雜的目的。隻有在比較合適的激光功率密度下,粉末微粒熔化比較充分,熔覆層結合良好,試樣耐磨耐蝕性才能明顯提高。

   掃描速度的大小決定了粉末的加熱時間和熔池的維持時間。掃描速度過低,粉末的加熱時間越長,熔池的維持時間長,反之亦然。掃描速度提高,零件成型時間短,生成效率高。但掃描速度過快,粉末加熱時間太短,熔池維持的時間不夠,不利於粉末間氣孔排出,容易在熔覆層間產生氣孔,而氣孔是產生裂紋的根源之一。熔覆材料確定後,激光熔覆層的結構組織在很大程度上取決於激光束的功率、激光束光斑直徑、及激光掃描速度的合理配置。在激光功率一定的情況下,過低的掃描速度會導致激光束前端一定距離內的基底材料,在表麵熔化以前因加熱時間較長而表麵被氧化,基底材料表麵存在氧化物,必然會影響熔覆層界麵的結合。過高的掃描速度會使靠近界麵處的粉料中不能充分完成合成反應,殘留一些粉末,從而影響界麵結合。

   光斑形狀和尺寸(或離焦量)。不同的激光器和不同的功率輸出,都將造成激光光斑形狀發生變化,光斑形狀的不同能使所獲得的熔覆層形貌和力學性能存在較大的差別。利用隻經過簡單聚焦係統的光束變換係統,可將光束形狀調製成功率密度分布均勻的矩形或帶狀,使同時輸給工件的能量相同。但激光作用區的邊緣比中心散熱快,表麵各點溫升不同,也會產生不均勻的熔覆層。

   比能量是將激光功率和光斑尺寸對熔覆層稀釋率的影響綜合起來考慮。比能量可用下式表示:

                               比能量=激光功率/(光斑寬度  掃描速度)

   研究表明,比能量減小有利於降低稀釋率。因此在激光功率一定的條件下,熔覆層稀釋率隨光斑寬度增大而減小;當掃描速度和光斑寬度一定時,熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。隻有把熔覆比能量控製在一定範圍內,才能獲得品質優良的塗層。因而在實際的生產研究中,AG亚游集团必須找到最佳的工藝參數,才能提高產品質量,降低成本。

2 激光熔覆技術的研究現狀

   激光熔覆是近年來新興的一種金屬表麵強化技術,同時也是材料表麵激光處理領域非常活躍的研究方向。它即可形成幾微米至幾毫米厚且比較均勻的強化塗層,又可使強化層與被強化材料之間實現冶金結合,耐磨、耐蝕又耐高溫衝擊等,是一種具有廣泛應用前景的有效強化手段。它通過采用“塗層+基體”模式,在低成本基體上製備耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、熱輻射、抗輻射、導電和生物功能等多種特性的表麵強化層。激光熔覆研究始於1974年,美國的AVCO公司和MEYCO公司做了大量的工作。在國內,中科院、長春光機所最早開展了激光熔覆工藝的研究工作,並有成果見諸報端。目前,激光熔覆的研究多數是針對各行各業的特殊用途,針對不鏽鋼、低中碳鋼、可鍛鑄鐵、鋁合金及特殊合金上用鈷基、鎳基或鐵基等自熔合金粉末及陶瓷進行激光熔覆,增加其耐磨及耐腐蝕性能。


   1為激光熔覆層典型組織形貌,熔覆層由熔覆區、結合區和基底熱影響區三部分組成。熔覆區組織均勻、致密,無氣孔和裂紋等缺陷。熔覆區組織形貌由細小的樹枝晶組織及多邊形的細小等軸晶組成;組織均勻、致密、無氣孔和裂紋等缺陷。結合區為熔覆區和基底熱影響區之間的過渡區,組織形貌呈現定向快速凝固特征,為垂直結合麵沿逆熱流方向生長的樹枝晶結構,有利於提高熔覆層與基體之間的界麵結合強度,實現了基體與熔覆層良好的冶金結合。

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                           圖1 激光熔覆典型組織形貌

   圖2 為激光熔覆塗層典型硬度分析趨勢圖,從圖中可以看出硬度呈三階梯狀,分別對應熔覆區、熱影響區基材。結合區的寬度太窄,無法在硬度曲線上明顯地體現出來。熱影響區緊靠表麵熔覆區,受表麵激光輻照時的熱影響很大,使得該區域的溫度上升到奧氏體溫度,因而硬度有一定的提高。基材距離激光輻照較遠且具有較大的散熱麵積,傳到此處的能量密度較小,不足以引起基體組織發生變化。

 



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圖2 激光熔覆塗層的典型硬度分布

3 激光熔覆技術的發展

   隨著激光熔覆工藝的進步與完善,人們將對工藝的自動化和工作效率提出更高的要求,所以,送粉式激光熔覆必將成為未來發展的主流。激光熔覆應用領域非常廣泛,它可用於機械製造與維修、汽車製造、紡織機械、航海與航天和石油化工等領域。在刀具、模具、閥體上熔覆陶瓷塗層已獲得廣泛的應用。






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