激光熔覆技术的研究概况及其发展趋势

2022-12-28陈冠秀安立周谭业发

机电产品开发与创新 2022年5期

陈冠秀，安立周，王硕，钱坤，谭业发

（陆军工程大学野战工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

随着科技与制造业的飞速发展，人们对机械设备的工作性能提出了更高的要求。由于机械设备往往需要在高温、强载、高压等恶劣环境条件下长期稳定运行，极易造成零部件磨损、腐蚀、氧化等表面损伤，严重影响零部件的使用寿命，阻碍机械设备的工作效率、安全性和可靠性[1]。因而，通过运用表面工程技术对机械零部件表面进行表面改性和表面强化处理，以提高其使用性能，延长服役寿命和安全可靠性，一直是广大科研人员研究的重点。新兴起的激光熔覆技术[2]能在不影响零件基体性能的前提下，在基体表面形成一层耐高温、硬度高、耐疲劳等功能的熔覆层，从而提高机械设备的综合性能，为机械设备的稳定运行提供安全、可靠的保证[3]。

1 激光熔覆技术的原理与特点

1.1 基本原理

激光熔覆技术以高能密度（104～106W/cm2）的激光束为热源，并在惰性气体的保护下，按照设定的扫描轨迹，将激光束照射于同步送出或预先涂敷在基体表面的材料（以粉末为主）上，使熔覆材料和基体表层迅速熔化，快速凝固，最终形成与基体具有冶金结合特性的功能性涂层，从而显著改善基体表层特性[4-6]。

1.2 特点

相比于其他表面强化技术（堆焊、热喷涂、电镀等），激光熔覆技术具有以下优点[7-9]：

（1）凝固过程熔池冷却速度快（102～106℃/s），熔覆层组织为典型快速凝固组织，以柱状枝晶和等轴晶为主，而当选用特定材料体系时则有可能得到非晶相、超弥散相、亚稳相等新相，且晶粒细小、致密，缺陷少，有助于提升熔覆层性能。

（2）熔覆过程中激光束的能量密度和能量利用率高，升温速度快，热循环时间短（0.001s～0.01s），热量输入少，对基体产生的热畸变和热损害程度低，基体形变程度小、性能稳定。

（3）熔覆材料选择种类多，搭配多样性，可以根据不同需求选择不同材料、改变材料成分或混合多种材料，使得熔覆层性能优异[10]。

2 激光熔覆技术的研究现状

2.1 材料体系

激光熔覆作为一种集成了材料、物理、化学、光电和自动化控制等学科的综合性表面强化技术，在熔覆过程中会受到多种因素的影响，其中熔覆材料的影响排在首位[6，9]。由于熔覆材料直接决定了熔覆层的性能，所以自激光熔覆问世以来，熔覆材料的研究便受到广大学者的关注。目前常见的熔覆材料包括自熔性合金粉末和硬质颗粒增强合金复合粉末[11]。

2.1.1 自熔性合金粉末

自熔性合金粉末是指在了铁、钴、镍及其他有色金属合金粉末中加入硅、硼元素，使其在熔覆过程中具有自行脱氧造渣和强烈自熔作用，即自熔性[12]。在激光熔覆过程中，Si、B 等元素易与粉末中的氧发生反应生成SiO2、B2O等氧化物，并在熔融状态下与其他氧化物反应生成熔点低的硼硅酸盐，从而降低熔覆材料的熔点[13]。同时，生成的硼硅酸盐和氧化物会以薄膜态覆盖于熔池表面，避免熔池内其他元素与氧接触，防止熔池中液相过度氧化，提高液相流动性，促使熔池中杂质溢出，降低熔覆层中的含氧量和夹杂物含量，提高熔池对基体的润湿能力，进而提升熔覆层的成型功能[14]。

（1）铁基自熔性合金粉末。 Fe 基自熔性合金粉末由于其极高的性价比、优良的机械性能和与钢材基体优异的界面润湿性，主要用于温度要求低、易变性和局部磨损性差的零件[15]。比如应用于石油钻杆、矿山机械、机械工程等易磨损零部件。

张晓等[16]通过采用SEM 和XRD 技术研究了LC3530铁基粉末熔覆层的性能，结果表明，熔覆层组织主要是细小、致密的等轴晶，且硬度分布均匀，约为基体（254.1HV）的2.5 倍，在摩擦磨损试验中，熔覆层的磨损量和磨损系数远低于基体，分别是基体的0.14 和0.5。 Chen 等[17]在纯钛基体上制备了铁基涂层，利用AISI52100 钢球进行了摩擦磨损性能测试。结果表明：制备的铁基涂层平均硬度和平均磨损率分别为860.4HV0.2，2.0×10-6mm3/（N·m），远低于纯钛基体，表明涂层有较好的硬度和摩擦性能。

（2）钴基自熔性合金粉末。 Co 基自熔性合金粉末凭借着其高温时较好的机械性能和耐磨损、耐腐蚀性能，主要应用于机械、电力和航空等领域，如汽轮机的叶片和燃料喷嘴、核电厂的阀座和航空航天器内的高温耐磨零件[18-19]。

邵延凡等[20]通过制备Co 基合金涂层来提高不锈钢基体的性能，发现涂层内部组织以树枝晶为主并且向涂层内部生长，在涂层底部存在少量的平面晶和胞状晶。Fu等[21]采用激光熔覆技术制备无钴镍铬基涂层，并通过XRD 进行物相观察。结果表明，熔覆层的初生相为Ni 基固溶体，其主要有M7C3和M23C6碳化物。

（3）镍基自熔性合金粉末。与Fe 基合金相比，Ni 基合金具有更好的延展性和塑性，并以其高强度、优异的耐磨、耐蚀和耐高温性能以及低于Co 基合金的价格，成为激光熔覆中研究和应用最广泛的材料，比如应用于涡轮叶片、模具、刃具、阀杆阀座和液压活塞杆等零件的修复[22-23]。

周志杰[24]通过制备Ni60A 镍基合金涂层来提高20Cr13不锈钢的表面性能，并对涂层的宏观形貌和微观组织进行研究。结果表明，涂层表面连续完整，无断裂、烧蚀等缺陷；涂层组织主要以柱状晶和树枝晶为主，在涂层底部，有一条平面晶组织组成的明显白亮带。 Liu 等[25]在铜基体上制备了Ni1015 镍基合金涂层，并对其微观结构进行了分析。结果表明，涂层表面光滑、均匀、连续，与基体结合良好，且界面完整无缺陷。在镍基合金中加入铜后，涂层与基体二者之间的热膨胀系数和熔点接近，导致快速冷却时应力较低。

（4）其他自熔性合金粉末。除上述三种合金外，Cu基、Ti 基、Al 基分别凭借各自的特点，如Cu 基合金良好的塑性、导热性和导电性[26]，Ti 基合金优良的比强度、生物相容性和耐腐蚀性[27]，Al 基合金的高塑性、轻质和易成型性[28]，应用于激光熔覆的多种场合。崔泽琴等[29]采用激光熔覆技术在AZ31B 镁合金表面制备了Cu-Ni 合金，发现熔覆层与基体结合良好，且界面完整几乎无缺陷，硬度分布均匀（75HV0.05），高于基体的45HV0.05。 Liu 等[30]研究了在TA2钛合金表面激光熔覆的Ti-Ni 熔覆层，结果表明熔覆层内存在NiTi、NiTi2和NiTi3等金属间化合物，显著提升了熔覆层的抗氧化性，其硬度约为721HV0.2，是基体的4.56 倍。靳坤等[31]利用激光熔覆在AZ91D 镁合金表面制备了Al-Ti-Ni/C 熔覆层，发现熔覆层的硬度为284.5HV，是基体的3.9倍，腐蚀电位增加了332mV，腐蚀电流密度减小了63.27%。

2.1.2 硬质颗粒增强合金复合粉末

为了进一步提升熔覆层的性能，具有优良耐磨性、耐蚀性和耐高温性的硬质颗粒是广大学者优先考虑的增强材料，如TiN[32]、SiC[33]和WC[34]等。然而，由于硬质颗粒的热物理性能与基体的相差很大，不满足相容性和润湿性原则，所以纯硬质颗粒熔覆层易出现与基体结合不牢固以及裂纹、孔隙等缺陷，无法有效发挥熔覆层性能[35]。而将硬质颗粒增强合金复合粉末作为熔覆材料可以解决上述问题。通过以自熔性合金为基材，硬质颗粒为增强相，既可以发挥硬质颗粒的优良性能，又能够结合自熔性合金的良好成型性和塑韧性，进而避免上述缺陷的产生[36]。

（1）TiC 颗粒增强合金复合粉末。刘建仁等[37]在12Cr1MoV合金钢制备了不同含量的TiC/NbC 复合涂层，并进行了相关测试。结果表明，随着Ti/Nb 比例的下降，TiC 逐渐转变为NbC，涂层的组织变得致密，晶粒向等轴晶转化，涂层硬度变大。当Ti/Nb 比为1∶1 时，涂层综合性能最好。Quan[38]研究了原位TiC 增强Co 基复合涂层的组织和性能，结果表明：涂层中主要有Cr23C6、TiC、Co3Ti 等物相，随着TiC 颗粒含量的增加，涂层的组织更加细小均匀，涂层内等轴晶的数量越来越多。当TiC 含量为30wt.%时，涂层的显微硬度增幅最高为35.7%。

（2）WC 颗粒增强合金复合粉末。 Yan 等[39]在PH13-8Mo 钢基体上激光熔覆制备了NiCrBSi-WC 复合涂层，并分析、测试了涂层的组织和摩擦性能。结果表明，涂层中含有大量二次碳化物和γ -（Ni，Fe）固溶体，包括W2C，Ni3B 和M23C6。熔覆区、结合区、热影响区和基体的平均显微硬度分别为1008HV0.2、842HV0.2、386HV0.2、356HV0.2。在摩擦试验中，涂层有较好的摩擦学性能，其摩擦系数和磨损率均为最佳。樊增彬[40]通过对WC/Ni 基合金涂层的试验、分析，发现采用单道激光熔覆时，涂层表面无明显缺陷；而在多道搭接时，涂层外表面出现明显裂纹；当涂层的稀释率在5%左右时，涂层与基体结合最好。

（3）SiC 颗粒增强合金复合粉末。段晓溪等[41]研究了不同尺寸的SiC 颗粒对316L 熔覆层的影响，结果表明，10%纳米SiC 颗粒含量的熔覆层性能最好，其显微硬度分别比316L 和含有微米SiC 的熔覆层高227HV、100HV。摩擦试验中，10%纳米SiC 颗粒含量的熔覆层摩擦性能最好，其摩擦系数与磨损量最低。 Li 等[42]通过激光熔覆Ti+SiC 熔覆层来提高TC4 合金的性能，结果表明，熔覆层内除了Ti、SiC 还有反应生成的TiC、Ti5Si3；当SiC 含量增加至20wt.%时，和基体（摩擦系数0.45，磨损深度15.5μm，显微硬度350HV）相比，熔覆层硬度高达900HV，摩擦系数和磨损深度仅为0.1 和0.35μm。

2.2 工艺参数

激光熔覆的目的是改善基体的性能，因此，熔覆层的质量就显得至关重要。激光熔覆的工艺参数会直接影响熔覆层的组织形态、几何特性、物相分布和综合性能等，进而对熔覆层的成型质量产生确定性作用。因此，很有必要对扫描速度、光斑直径和激光功率等工艺参数进行优化，来制备性能优良的熔覆层[9，13]。

2.2.1 激光功率

激光功率的大小决定了熔池的最高温度，进而影响熔池的存在时间和形状尺寸。激光功率过低，会导致熔池的温度比熔覆材料的熔点低，熔池内存在未熔融颗粒，熔覆层内易产生组织不均匀、气孔和局部球化等现象。并且低激光功率难以使基体表层熔化，导致熔覆层的结合强度较低，难以与基体形成冶金结合界面，易在外部载荷的作用下脱落。而激光功率过高则会导致熔覆材料过熔甚至产生气化现象，熔覆层与基体间的稀释作用更加严重，导致材料的利用率降低。

Han 等[43]采用不同激光功率在316L 不锈钢表面制备了镍基WC 涂层，并观察了涂层的微观结构。结果表明：随着激光功率从2500W 增加到3500W，涂层显微组织逐渐细化；当激光功率为4000W 时，涂层显微组织变粗大，出现烧蚀现象。姚芳萍等[44]通过研究不同激光功率对镍基涂层的影响，发现涂层表面的缺陷（裂纹、气孔等）随着激光功率的增大越发明显；1600W 时的树枝晶数量比1400W 时的明显增加，且以针状树枝晶为主。

2.2.2 扫描速度

扫描速度的大小决定了熔覆材料的加热时间，进而影响熔池的存在时间。扫描速度过低，熔覆材料加热时间长，熔池液相保温时间增加，导致凝固速度变慢，进而导致冷却速度减小，使晶粒生长充分，从而形成组织粗大的晶体，对熔覆层的性能产生不利影响[45]。而扫描速度过高，熔覆材料的加热时间和熔池存在时间变短，熔覆材料可能未完全熔化，导致熔覆层与基体的界面结合情况变差，容易造成脱落。

Li 等[46]为了研究扫描速度对涂层稀释率和微观组织的影响规律，制备了Ti/TiBCN 复合涂层，发现涂层的稀释率与扫描速度成反比趋势：扫描速度增大稀释率下降。涂层的微观结构基本上是相同的，与扫描速度关系不大，主要由AlTi-Al3Ti 相，TiBCN 相、TiB2相、TiN 相、TiC 相组成。涂层的微观组织在扫描速度为7mm/s 时最佳，几乎无缺陷。郭士锐等[47]研究了扫描速度对钴基合金涂层的影响，结果表明，涂层的微观组织随扫描速度的增加逐渐变得细小，而硬度和耐磨性能随扫描速度的增加出现先增强后降低的变化规律；涂层硬度与耐磨性在扫描速度为15mm/s 时最佳。

2.2.3 光斑直径

光斑直径大小会通过影响到单位面积下熔覆材料所吸收的激光能量，产生与激光功率和扫描速度类似的作用效果，进而直接影响熔池的存在。光斑直径过小，表明激光束照射下的熔覆材料升温速度更快，最高温度更高，熔池面积变小，与周围未熔化材料之间的温度梯度变大，会导致熔覆层稀释率高，孔隙和裂纹数量多。光斑直径过大，会带来如材料未完全熔化、熔覆层组织粗大、结合强度和性能不足等不良影响。

付福兴等[48]通过在40Cr 基体上激光熔覆Ni60 粉末来研究激光光斑直径对裂纹的影响。研究表明，激光光斑直径会影响裂纹的产生，熔覆层裂纹的数量和开裂程度会随激光光斑直径的增大逐步变多变大。当激光光斑为4mm时，熔覆层的成型质量最好，裂纹数量最少，开裂程度最低。于克东等[49]研究了离焦量对TiCoNiCrFe 高熵合金涂层组织和性能的影响，发现涂层主要以枝状晶为主，随着离焦量的增加，在枝晶间析出一种白色金属间化合物，致使枝状晶逐渐细化。涂层的显微硬度随离焦量的增大出现先增加后减小的变化，其最高硬度（为400.5HV）出现在离焦量为15mm 时。