金属表面激光熔覆处理技术的研究

周思华，郭艳花，晁明举，刘奎立

（1.周口师范学院 物理与电子工程系，河南 周口466001；2.郑州大学 物理工程学院 材料物理教育部重点实验室，郑州450052）

自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器得到迅速发展，形成了气体、固体、半导体、染料、光纤等激光器.激光器已经被应用于很多领域，其中在金属表面性能处理方面显示出巨大优势，这一技术称为激光表面熔覆技术.该制造技术无需模具，可以直接在低成本的基体材料上快速制造出表面性能高、结构致密的零件.激光熔覆技术因具有改善表面性能效果好和对基体材料的适用范围广等优点引起了人们的广泛关注［1，2］，随着该技术的进一步发展，将能制造出传统技术不能或难以成形的结构复杂的零件.目前，激光熔覆和熔覆成形技术在西方发达国家和我国激光加工领域已成为研究的热点.

1 表面处理技术

表面处理技术是使材料表面获得不同于基体的成分、结构组织和性能，用来提高工件的耐磨和抗腐蚀性能，是延长工件寿命的一种方法，可以利用各种物理的、化学的或机械的方法获得.表面处理的特点有：（l）由于磨损现象发生在材料表面，所以仅使表面强化就可以提高工件的耐磨性能，这样就节约了大量的原料；（2）可使材料表面层获得特殊结构和组分，如超细颗粒、超饱和固溶体和非晶态等，而基体材料与其性能相差甚远；（3）由于表面处理层很薄，用材料很少，所以在保证质量性能的前提下，可以在表面添加稀土元素，同时不会增加成本；（4）修复已经磨损的工件.表面处理技术可以提高零部件的服役寿命.目前，表面处理技术的研究与发展异常活跃，得到了高度重视，在加工领域已成为一个新兴课题［3］.

2 表面处理技术的分类

目前，用于提高材料耐磨性的表面处理方法主要有以下几种：表面镀层、化学处理、气相沉积、等离子体喷涂和激光表面处理技术.传统的表面处理方法如化学镀、化学气相沉积和各种物理气相沉积等所得的表层多为二维材料，而且制备周期长、设备昂贵，在实际工程中不易大面积推广使用.其他表面处理技术如电弧喷涂、等离子喷涂和火焰喷涂等，这些方法虽然可以得到较厚涂层，但涂层同基体材料结合强度较低，而且气孔、夹杂、疏松等缺陷在涂层中容易出现，这些缺陷限制了它们在工业生产中的应用.而激光熔覆表面处理是正在发展的高新技术，是利用激光的高辐射强度、高方向性和高单色性特点作用在工件表面，使材料表面的物理化学性能得到大幅提高.激光表面处理获得的熔覆层与基材呈冶金结合、且熔覆层具有一定的厚度，可以满足工程需要，在涂层制备领域非常具有发展前景［4］.

3 激光熔覆表面处理技术

激光熔覆表面处理技术属于高能密度加热处理技术，应用大功率CO2激光器发出的激光束对材料表面以非接触的方式进行加热，利用材料本身的传导冷却实现表面处理.主要包括激光冲击硬化、激光淬火、激光合金化、激光熔凝和激光熔覆等［5］.激光表面处理技术同其他表面强化技术相比，它具有如下特点：（1）能量集中，加工时间短，处理后工件变形小；（2）激光表面处理技术的效果好，比普通方法更显著、效率高、成本低；（3）熔覆层冷却速度极快，具有组织快速结晶的典型特点；（4）熔覆层可以采用送粉或预涂方式进行，送粉方式粉末几乎没有限制；（5）可以有选择区域的进行熔覆，可以对不易接触的区域熔覆，对工件其他部位损伤小，并具有较高的性价比；（6）整个工艺过程易于实现自动化［6，7］.目前激光处理设备配有的数控机床完全可以自动控制.

利用激光熔覆表面处理技术，可以将多种的材料复合到一起，使各种材料的优良特性组合起来，能够获得性能更优良的复合材料.复合材料的典型代表之一是金属基陶瓷，是由金属（或合金）与陶瓷相结合所组成的非均质的复合材料，它兼有金属的高塑性、高韧性与陶瓷的高硬度、耐磨损和化学稳定性等优点，是一类非常重要的工程结构材料，其耐磨性已经显示出了特有的优势.图1（a，b）是预涂方式在不同功率下熔覆层宏观形貌图.

图1 掺杂5%，10%合金粉末在不同功率下熔覆层形貌

为了得到高硬度、耐摩擦的覆层，在合金粉末中添加WC，TiC，SiC等陶瓷材料，可形成耐磨性能更强的金属陶瓷复合涂层［8-11］.这类材料由于其脆性大、熔点高、膨胀系数与基体差别大等因素不易获得无缺陷涂层，主要表现在涂层易开裂而脱落.为了细化晶粒，提高硬度，有时还需要加入稀土元素Nb，Ce等［12］.原位自生的陶瓷增强相与基体界面结合较好，陶瓷颗粒细小，裂纹发生率降低，原位自生颗粒增强金属基复合材料增强体是热力学稳定相，并且增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，与基体结合强度高，这种方法得到了深入的研究.周笑微等［13］在A3钢表面进行了Ni60合金添加Al2O3的激光熔覆试验，与纯Ni60激光熔覆层相比，添加适量Al2O3的Ni60激光熔覆层的耐磨性提高4倍，平均硬度提高HV0.3300.为了解决熔覆层表面裂纹的问题，就需要在其内部加入一些抗裂纹的相，晁明举等［14］向Ni60合金粉末中加入适量的In2O3，在45#钢表面上获得了无裂纹的高质量熔覆层.为了适应特殊情况下的需要，工件不但需要具有耐磨性，还需要具有耐腐蚀性，周笑微等在控制强化层成分、组织结构及强化层尺寸，从而改善材料表面性能等方面所做的研究，是目前新材料制备的一个典型的研究方向.娄德元等［15］人的研究表明，钴基涂层的相对耐磨值远高于镍基涂层，还可以在涂层中添加Cr等元素，以提高耐腐蚀性.利用表面激光熔覆处理技术，可以对性能退化的设备零部件进行修复后再使用，可以节约资源、能源，同时节省大量的人力物力.目前，利用表面处理技术来提高部件表面的耐磨、抗蚀性能已成为一种重要的途径［16，17］，比如对内燃机缸头的激光处理.

4 熔覆层的气孔和裂纹问题

熔覆层中的气孔是常见的缺陷.空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因.在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解.分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H.

同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳.

这些H溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔.由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出.

从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间.第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出.可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理.

产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力.可以采取合适的办法降低裂纹的发生.如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等.图2（a，b）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测.

图2 掺杂5%，10%合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测

5 前景展望

与器件设计相结合，通过改变成形材料成分，利用激光熔覆技术可以得到不同部位由不同材料组成的零部件.这些技术的应用可以发展制造材料的智能系统，通过提高光源质量，不断提高其经济性，它的应用领域将越来越广泛.但是目前这一领域也存在着需要解决的问题，如激光熔覆层本身裂纹和气孔问题、材料界面结合的问题、大功率激光器的价格与性能问题.

可以预见，激光熔覆技术将在实际生产中广泛应用，展示其优越的特性，成为最重要的表面加工技术，激光熔覆技术以其独特的优势引起了人们越来越广泛的重视，它的发展必将促使机械制造业革新.

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