激光熔覆技术在模具表面处理中的研究进展

童和强，钱星月，程 虎

（台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

激光熔覆技术在模具表面处理中的研究进展

童和强，钱星月，程 虎＊

（台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

着重介绍了激光熔覆技术在锻压、塑料等模具表面处理中的研究现状，分析了模具表面处理中存在的问题，如气孔、变形和开裂等，指出了激光熔覆技术的未来发展方向：激光熔覆多源复杂信息耦合的研究、激光熔覆基础理论研究、激光熔覆材料的设计与开发、激光熔覆工艺模型的建立以及激光熔覆设备的改进。

激光熔覆；模具表面处理；研究进展

1 引言

模具失效往往是从其表面开始的，而表面处理技术可提高模具表面性能以及使用寿命。目前可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术等，这些方法在一定程度上可延长模具的使用寿命，但它们存在工艺复杂、处理周期较长、模具变形大、表面层薄而脆等缺点［1］。因此，应当寻求一种提高模具表面性能的实用新工艺。

激光熔覆技术已经成为近年来国内外表面工程研究的重点领域之一。激光熔覆技术是指在需处理的零部件表面预置一层能满足使用要求的特制粉末材料，然后用高能激光束对涂层进行快速扫描处理，预置粉末在瞬间熔化并凝固，涂层下基体金属随之熔化一薄层，两者之间的界面在很窄的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，同时形成牢固的冶金结合。在快速热作用下，基体受热影响极小，无变形，熔覆层合金自成体系，其组织致密，晶粒细化，硬度和强韧性提高，表面性能大大改善［2］。若将激光熔覆技术应用于模具表面处理中，可以有效延长模具的使用寿命。本文将着重介绍激光熔覆技术在锻压模具、塑料模具等方面的应用，并针对激光熔覆技术目前存在的主要问题，指出了其未来主要发展方向。

2 激光熔覆技术在模具表面处理中的应用

2.1 锻压模具表面处理

锻压模具是通过对毛坯料施加外力，使其产生塑性变形，转变其尺寸、形状，从而打造成型的模具，是锻造和冲压模具的总称，在工业生产中应用极为广泛。然而目前锻压模具的使用寿命仍然比较低。据统计，由于模具寿命低而造成的钢材、工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数十亿人民币。因而，提高模具寿命是模具制造业中亟待解决的问题［3］。

近年来，利用激光熔覆技术在提高高温锻压模具表面质量以及使用寿命方面已经取得很大的进展。江胜波［4］等针对在航空领域中部分涡轮发动机叶片采用4Cr5W2SiV热作模具钢锻压成型，常处于高温（1000℃以上）、高交变应力的服役环境中，需要有很高的摩擦磨损性能以及力学性能等情况，成功研制出专用于中低碳钢及合金钢的铁基合金粉末。用该粉末对报废模具成功地进行了激光熔覆修复，模具表面的耐磨性能得到显著的提高，并且解决了熔覆层大规模开裂问题。穆亚辉［5］等自配了铁基合金粉末，通过激光熔覆技术在高温锻压模具钢基材上制备了具有特殊性能的复合涂层，获得了无裂纹的熔覆层，熔覆层与基材实现了良好的化学冶金结合。文献［6］中做了许多尝试，利用2kW CO2连续激光器在H13热作模具钢表面熔覆Stellite x-40钴基合金，选择最佳的交互作用时间进行激光熔覆处理，获得了均匀细小的熔覆层组织，并系统研究了熔覆层的组织结构、元素分布、磨损性能及电化学腐蚀性能。结果表明，H13热作模具钢经激光熔覆Stellite X-40钴基合金后，其抗磨损及腐蚀性能得到明显改善，经生产实际应用寿命考核，采用激光熔覆处理的H13钢模具，使用寿命提高3倍以上。同样，坤锻模具也是生产中经常使用的高温锻压模具之一，在工件坤锻成形过程中，模具表面经常发生严重磨损，从而导致产品合格率下降，造成生产成本提高，产品质量下降。同时，由于模具使用寿命较低也会造成产品成本提高。因此，坤锻模具表面处理成为生产中亟待解决的问题之一。赵洪云［7］等以汽车连杆坤锻为研究对象，在基体材料9SiCr经常规热处理后，在其表面熔覆一层WC陶瓷层，以提高模具使用寿命为目标，进行了一些探索性试验，并取得了良好的应用效果。

冷作模具钢需要具备高硬度、良好的耐磨性以及足够的强度和韧度等性能。采用激光熔覆技术进行表面处理后其性能得到了很大的提高。陈童［2］等通过将激光熔覆前后的Cr12MoV模具钢进行摩擦磨损实验对比分析，说明在相同的实验条件下，金属材料耐磨性能在经过激光熔覆处理后比没有经过处理时的耐磨性能有了明显的提高。

汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬度仅为40～50HRC。文献［8］中改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效控制，模具在线维修率控制在4%以下。处理前每次生产完成后均需对拉伸模进行大面积推磨，处理后只需要进行简单维护保养便可。

2.2 塑料模具表面处理

塑料模具在塑料成型加工中起着重要作用，其制造工艺复杂，生产周期长，加工成本高。尤其是精密、复杂或大型塑料模具仅制造费用就高达十几万元甚至数百万元。模具失效可造成企业减产或停产，给企业带来经济损失。因此，对失效塑料模具进行修复再利用，无疑有着显著的经济效益［9］。塑料模具的发展趋势之一是小型化、精密化，其失效的尺寸已是毫米级、微米级，需要精密修复。与其他修复技术相比，激光熔覆技术以其良好的优点被广泛应用于模具修复。常明［10］等综合考虑LWS-300WC系列脉冲Nd：YAG激光熔覆工艺参数对工艺过程的作用及其相互关系，利用单脉冲能量和重叠率描述上述工艺参数的影响和相互作用，建立理论方程分析了影响因素，从而优化了工艺参数，对塑料模具表面进行了有效的精密修复。骆芳［11］等在塑料模具钢P20表面预置非晶的纳米Al2O3、TiC、WC等陶瓷硬质颗粒的涂层，采用CO2激光器进行熔覆处理。对激光熔覆陶瓷复合涂层的显微组织结构进行了分析，并测试了其硬度和耐磨性。结果表明，通过高能量密度的激光处理，基体和熔覆层元素相互扩散与反应，其中的WC、Al2O3、FeSi成为熔覆层中的硬质相，显著提高了材料的硬度和耐磨性。

2.3 其它模具表面处理

激光熔覆技术在其他模具表面处理中也得到了应用，如玻璃模具表面的处理。

玻璃模具是玻璃制品的主要成型工具，它在使用过程中频繁交替地与高温玻璃熔体接触，尤其是合缝线处，要求具有较高的耐磨性。闫忠琳［1］等利用激光熔覆工艺，采用NiCrBSi合金粉末，对玻璃模具进行了处理，并将激光熔覆处理的玻璃模具在QD6型行列式制瓶机上进行装机试验。通过对生产现场所得的实验数据进行比较，得出激光熔覆技术是模具表面强化和修复的有效途径，能显著提高模具寿命。

3 存在的主要问题

虽然模具的加工表面经激光熔覆后，其硬度、耐磨性、耐腐蚀性等方面都能取得一定程度的提高［12］，但是在激光熔覆过程中，由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，往往造成模具表面不平整，熔覆层成份控制不均匀等；由于涂层粉末熔覆前因受潮和熔覆时发生氧化，在熔覆层内容易产生气孔；另外，由于激光加热和冷却速度极快，模具表面容易产生烧损、变形、裂纹甚至开裂等现象。

其中，裂纹是激光熔覆技术中最棘手的问题，裂纹产生的主要原因是熔覆层中存在的热应力。由于激光熔覆过程中加热和冷却的速度较快，且液态熔池金属流动性差，导致内部残余应力来不及释放，从而产生拉应力，当局部拉应力超过材料的强度极限时，就会产生裂纹。同时，裂纹的产生也受到熔覆过程中工艺参数、熔覆层和基体材料、熔覆层厚度以及处理工艺等多种因素的影响。由于激光加热冷却过快，使得熔覆层内部的氧化物、硫化物等杂质得不到释放，引起结晶内部的位错和空位增多，凝固组织的缺陷增多，同时，热脆性增大，塑韧性下降，也极易产生裂纹。

4 未来发展方向

激光熔覆技术是一项具有高科技含量的表面改性技术与装备维修技术，其研究和发展具有重要的经济价值。在工业中已获得了大量应用，解决了工程中大量维修的难题［13-17］，但为进一步解决熔覆过程中产生的气孔、裂纹、变形、熔覆层开裂等缺陷，激光熔覆未来将从以下几方面展开研究。

4.1 激光熔覆多源复杂信息耦合的研究

激光熔覆过程是由制造装备、零件、工艺以及执行过程等多方面的信息汇聚而成的。其中激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、熔池温度场分布及影响、外部环境影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性等因素也影响激光熔覆的精度，因此，对熔覆过程中多源复杂耦合信息的复合作用规律及决策机制的揭示和研究，已成为提高激光熔覆精度的重要手段之一。

4.2 激光熔覆基础理论研究

激光熔覆基础理论研究是以凝固动力学、相变理论和结晶学为基本出发点而展开的系统研究。激光熔覆过程是一种远离平衡的动态过程，其快速加热和冷却过程中的相变动力学、热力学、界面行为等理论都与传统的固态相变理论和界面理论有极大不同。因此需要积极开展激光熔覆中的系统理论研究，从而更加完善加工工艺参数，为实现激光熔覆工业化奠定基础。

4.3 激光熔覆材料的设计与开发

激光熔覆涂层质量与涂层材料密切相关，而目前激光熔覆所用的涂层材料在功能上或在体系上等诸多方面都不能满足激光熔覆工艺的需求。因此，应开发和研究满足各种熔覆涂层要求的新型的激光熔覆专用合金粉末材料。

4.4 激光熔覆工艺模型的建立

激光熔覆工艺参数是决定激光熔覆工艺熔覆层的关键因素，其主要包括激光功率P、光斑尺寸（直径D或面积S）、激光扫描速度、多道搭接系数、涂层材料的添加方式和保护方式等。随着对激光熔覆层性能要求的提高，工艺参数的优化也变得极其重要。因此，需要采用有限元分析软件模拟基体和激光束相互作用的温度场，借助数值模拟技术模拟熔覆层的应力场分布，为熔覆过程的工艺参数调整和优化提供理论依据，从而进一步提高了熔覆层性能。

4.5 激光熔覆设备的改进

目前，激光熔覆设备的精度和稳定性还不能满足工业生产要求，并且设备性能的不稳定容易导致熔覆层质量出现问题。虽然激光熔覆技术还未实现规模化，但随着科技进步的日新月异，激光熔覆技术必定会取得进一步的发展。因此，应努力开发和研究大功率、小型化激光器，进一步改进激光器的控制系统，其中，自动化、智能化、人性化将成为激光器控制系统未来研究的重要方向。

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Research Progress on Laser Cladding Technology in Mold Surface Treatment

TONG He-qiang，QIAN Xing-yue，CHENG Hu

(School of Mechanical Engineering，Taizhou University，Taizhou 318000，China)

The development status of laser cladding technology in the surface treatment of forging and plastic mold was mainly introduced in this thesis. The existing problems in mold surface treatment,such as air hole,deformation and cracking etc.,were analyzed,and the development direction of laser cladding technology was suggested,namely study on laser cladding technology based on Multi-sources information fusion,study on the basis theory about laser cladding,design and development of laser cladding materials,establishment of laser cladding technology model and improvement of laser cladding equipment.

laser cladding;mold surface treatment;research progress

周小莉）

TG 174.4

A

1672-3708（2011）03-0040-04

2011-01-14

浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目（2010R428023）；台州学院校立学生科研项目（10XS40）

程 虎（1981- ），男，江西九江人，讲师，主要从事金属材料表面改性技术研究。