激光熔覆技术制备镍基合金涂层的研究进展

张 勇，王 涛，李冰冰，雷 刚，王 坤

（1.国家能源费县发电有限公司，山东 临沂 273425；2.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东 烟台 264006）

激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器，主要包括碟片激光器、光纤激光器和二极管激光器，由于老式灯泵浦激光器光电转换效率低、维护烦琐等问题，逐渐淡出了市场。关于CO2激光连续熔覆，国内外学者对此课题很感兴趣，通过大量研究，高能固体激光器的发展速度越来越快，被用于对有色合金进行表面改性。根据送粉工艺的不同，激光熔覆可以分为两类：粉末预熔法和同步送粉法。两者效果相似，同步送粉方式易于实现自动控制，激光能量吸收率高。镍基合金粉末的耐腐蚀涂层和制备方法具有独特性，所以在探究这种更加适合激光熔覆技术的镍基合金粉末材料特性时，要考虑耐高温浓硫酸腐蚀能力，利用激光熔覆技术，使用镍基合金粉末，采用相应的耐腐蚀涂层进行制备，能够有效解决镍基合金粉末形状不稳定等问题。激光熔覆技术制备镍基合金涂层，主要是因为镍基自熔性合金到耐磨性和耐腐蚀性表现一向很好，同时还具有较强的润湿性，这也使得镍基自熔性合金成为激光熔覆最好的熔覆材料之一。镍基合金涂层在使用中的疲劳磨损现象，可能会导致黏着磨损失效作用，这给使用者提出了一定的难题，人们发现在镍基合金中加入一定化学计量比的镍基石墨、石墨烯和镍基碳化钨，能起到更好的力学性能和摩擦磨损性能。因此，加强对镍基自熔性合金涂层的研究，能够保证激光熔覆技术的广泛应用[1]。

图1 激光熔覆技术示意图

1 激光熔覆镍基合金涂层体系

镍基自熔性合金具有脑模型，但是却对于高负荷、无润滑的工况适应不良，如果能够在使用中加入40CrNi2Si2MoV钢成分，镍基基体材料的可靠性更高，Ni45A自熔性合金粉末被作为熔覆层基质的基本应用材料，其所添加的内含组分不同，包括镍包石墨、石墨烯、镍包碳化钨等，有助于符合增强型涂层，从而能够适应严苛环境的使用需求，适用于激光熔覆技术[2]。

在实际的工业应用中，由于大部分工件都处于交变载荷的整体环境内，严峻的熔覆条件对工业要求更高，可能会一定程度上缩短工件的实际使用寿命。使用者发现，工件的表面如果不能直接接触到不利因素，就可能给工件的整体使用带来失效体验，如果利用熔覆涂层，则能够在一定程度上利用常见的金属材料表面处理技术，大幅度改进工件的表面性能。由于熔覆工件的生产成本较低，恰恰能够满足工件的使用需求。镍基合金涂层是一种原位合成之别镍基复合涂层技术，为了能够在制备工艺方面进行改进，要对于制备过程中的部分问题进行研究。激光熔覆镍基合金涂层中含有不少成分，镍包石墨作为一种典型的核壳结构复合型粉体材料，其表层的镍包涂层一直存在，从而能够达成更好的吸附效果，芯部的石墨相能够在激光熔覆的时候起到更好的柔化作用。镍包石墨能够激发合金元素的反应潜能，党石墨相反应物与镍基合金组合反应之后，润湿作用比较明显，芯部石墨相的润滑作用能够促进合金涂层的耐磨损作用不断提升。因此，在经过实验之后，人们发现，在添加不同含量的镍基合金基础成分之后，r-Ni、Ni3B、M23C6、M7C3等成分均能够达到耐磨损和耐摩擦效果，熔覆层组织是一种典型的亚共晶形态，镍包石墨的添加量大于10vol.%，复合涂层就能清晰的观测到球形颗粒状的石墨相。当利用更加细化的复合涂层组织进行硬度提升时，耐磨性的作用能够减少摩擦，并且降低摩擦系数后复提升，经过多次试验措施可以发现，镍包石墨添加量为6vol.%的时候，此时的镍基复合涂层具有最小的减摩性。

石墨烯是目前力学性能较好的材料之一，能呈现出石墨的层片状结构，而且石墨烯可被用作固体润滑剂。添加不同含量石墨烯的镍基复合涂层中有碳化钨颗粒的存在，这样整个涂层的耐磨性就会有更大的提升，熔覆层组织中的晶体数量减少后，共晶组织将会增多，利用碳化钨在激光熔覆中的溶解作用，形成碳化钨的颗粒边缘晶须组织。利用不同结构的组织，促使整个涂层达到了冶金强度，并且根据符合涂层中的碳化组织变化进行实验，最终发现如果无颗粒的组织增多，复合化合物涂层的硬度和耐磨性都会有提升变化，由于这种提升变化所导致的摩擦性减少问题比较明显。

镍包石墨的核壳结构使其能够更加适应工件的熔覆需求，工件的表面用镍包覆之后，对激光熔池的反应作用更加明显。使用者的目的是能够增加石墨相与镍基合金基质之间的润湿关系，由于石墨相与合金元素之间的反应比较激烈，因此，如果能够增加石墨相与镍基合金基质之间的反应速率，就能够利用石墨相与合金之间的润湿反应，生成石墨为主体的润滑液材料。这种独特的反应能够促使层片状的涂层有更高的耐磨损性能，能够提升工件的整体性能。大量的研究表明了，利用不同含量的镍包石墨，是一种利用镍基合金复合涂料，给镍基复合涂层提供典型亚共晶形态的过程，当添加14vol.%镍包石墨的时候，整个复合涂层的镍包碳化钨添加量也在发生变化，当含量达到20vcol.%的时候，复合涂层的内膜性最好，而且具有较强的硬度，达到比较理想的复合涂层效果。如果镍包石墨的添加量大于10 vol.%的时候，镍基合金复合涂层内的成分包含球形颗粒状石墨相，这是一种更加细致的石墨含量，随着涂层中石墨含量的上升，为涂层的石墨含量变化提供依据。使得细化的涂层能够达到具体的熔覆使用标准。研究实践表明，如果镍基合金复合涂层组织明显细化后，其硬度显著提升，耐磨性则逐渐增强，并且实现了减少摩擦性能的效果。为了能够实现先降低后增大的趋势，使用6 vol.%的镍包石墨添加量进行复合涂层减摩性改善。

图2 激光熔覆镍基合金涂层示意图

2 激光熔覆工艺参数对镍基合金涂层性能的影响

磨损、腐蚀和断裂是机械工程件中的三大皮怀形式，由于材料的磨损而造成的工件失效问题，常常会使中国的GDP出现损耗，为了能够在材料的磨损和腐蚀层面表现出更大的促进作用，可以利用协同关系加剧材料的使用效能。为了能够在实际工程应用中使用更合理的表面防护措施加以保护，一定要接触激光熔覆技术的实际应用效能，使用高质量的熔覆技术，借助不同的手法，探究镍基合金涂层的实际性能。如，高频感应熔覆技术是一种借助更低生产成本，实现大面积熔覆层的技术，其所能够达成的效果，是更加平整的熔覆层，并且具有成形良好，基体结合可靠性能更佳的特点。由于熔覆层的表面平整，所以才能形成感应涡流，这样的流动性和熔覆润湿性，能够给镍基合金涂层带来更好的适用性。激光熔覆技术在工业时代发展起来，能够为工业现代化的发展进程提供更多支持，虽然合金包裹层的价格偏高，但是如果能够使用合金包覆在材料工件上，就能够让相对廉价的材料工件焕发生机，在延长工件的服役时间同时，降低了工件的整体成本，使得原本廉价的工件却能够有高品质合金工件的同等品质。研究者根据涂层的使用需求控制其化学成分，在激光熔覆技术不断发展的同时，自20世纪70年代之后，先进的激光表面改进技术受到各行各业的欢迎。工件和基体材料的表面有很多熔覆材料的成分日趋合理，利用送粉、送丝和预置技术，能够结合高密度激光加热技术，实现基体和工件表面薄层金属的循序熔融。在激光熔覆层的厚度和形状不断改变的过程中，稀释率和成分变得更加符合工件的使用需求，基体之间的结合度更高，便于使用，而且其涂层也因此具有组织致密、晶体细小、耐磨性和硬度都较高的特点[3]。

研究结果表明，激光熔覆工艺对镍基合金涂层的性能有较大的影响，主要是由激光功率、扫描速度、离焦量、光斑尺寸、送粉速率、保护气体流量等因素决定。在多层熔覆技术方面，搭接率也是很重要的，随着熔覆层组织的逐渐细化，使碳化物和共晶组织不断增多，激光覆层的平均硬度不断提高，这样做，是为了能够保证激光熔覆层的高性能，激光熔覆技术工艺参数的不同，能保证涂层与基材形成冶金结合，尽可能降低基体材料的稀释率，保证包层性能。要注意的一点是，利用激光熔覆技术，要实现对基体表面的处理，一般采用预处理技术进行涂层预制，使用感应熔覆等技术与涂层使用配合，如果使用纯净粗糙的金属表面作为工件表面，对于基体与镍基合金涂层的贴合更有好处，二者之间的结合力更好，并且能够提高镍基合金涂层的实际质量，为了达成这一效果，可以直接采用清晰处理与表面喷砂处理。良好的涂层能够有助于制备出更加完美的基体母体。熔覆处理的速度要快，目前，热涂法和冷涂法都被广泛的应用到生产领域内。

激光熔覆作用之前，使用者将会对于基体材料进行预处理，一般的方式是为了能够使用砂纸去除表面的铁锈等，当使用砂纸打掉氧化层之后，施工人员还会使用丙酮或者酒精，对基体表面的油污进行有效清洁，但是保留基材表面一定的粗糙度，激光的熔覆能量很大，为了能够有效利用单位面积内的激光能量，可以采用多样熔覆粉末添加的方式，预制涂层，并且采用同步送粉法，施行小面积熔覆改性工作，在面临缺陷进行修复的同时，激光熔覆基础性实验已经证实同步送粉法的作用非常适合小面积熔覆改性，并且在缺陷修复方面的作用较为明显。激光熔覆基础性实验的研究验证了熔覆粉末和黏合剂之间的混合作用具有有效性，只要能够将这种膏状混合物精准地涂于基体表面，就可以在激光扫描熔化的同时，形成基体和冶金结合的熔覆涂层，能够达到更好的熔覆效果。同步送粉法则可以采用专门设计的送粉器，工件运动方向与粉末气流运动方向之间的夹角成为锐角时，正向送粉，反之逆向送粉。为了进一步提高生产效率和材料利用效率，在激光束的焦点位置实现自动供给丝料熔化的激光熔池，这样做是为了能够使厚度1mm的熔覆层能够被一次性制备出来，从而对形状复杂的三维工件制造给予支持，扩大激光熔覆技术的适用范围[4]。

3 结语

激光熔覆技术的研究在自熔性合金粉末的添加中较为常见，使用较硬的陶瓷颗粒、较软的石墨、二硫化钼等不可以作为实际需要的合金层成分。利用激光熔覆技术，配合镍基自熔性合金的耐磨性和耐蚀性，能够保证复合涂层具有更好的力学性能，也能够耐摩擦、抗磨损，为工业生产提供更好的辅助作用。不同的镍基合金复合涂层内容比较丰富，目前各个领域内常用的激光熔覆技术已经在显著进步，所以，利用激光熔覆这一非平衡凝固的方式，可以让镍基合金复合涂层的应用效果更加显著。在工业使用中，随着熔覆层组织的逐渐细化，使碳化物和共晶组织不断增多，激光覆层的平均硬度不断提高，并且在其硬度值的变化中找到工件熔覆过程的最佳应用。