激光熔覆技术在发动机气门的应用研究现状**

刘云伟 ，谭泽飞 ，陈文刚 ，戴一帆

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224）

0 概述

气阀钢用于制造汽油发动机和柴油发动机的进、排气阀，气门的质量将直接影响发动机的使用寿命、油耗、扭矩等重要评价指标。发动机气门的工作条件恶劣，通常都在高温高压、高冲刷和高磨蚀环境下工作，因此也要求气阀钢具有较高的性能，基本上要求热强度高、热硬性好、疲劳强度高、耐磨性和抗腐蚀性好[1]。气门盘头与阀座之间存在着很大的冲击磨损，因此气门必须用高温强度高、抗腐蚀性能好和高温冲击韧性好的材料制作[2]。采用新的设计和材料可以提高气门的综合性能，但是气门盘头锥面、气门杆及气门端面都有不同的力学性能要求，采用单一的材料很难全面满足[3]，在这些关键部位进行单独的表面设计强化是最佳工艺方案。

激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，是以高能激光束为热源，对材料表面进行辐照扫描将熔覆材料与基底材料熔凝在一起，在基底表面形成与熔覆材料的熔覆层，由于较高的冷却速度，涂层组织会发生晶粒细化，从而增强基底材料的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性等[4-5]。本文综述了激光熔覆技术的优势、激光熔覆涂层的优异性能、激光熔覆结果的影响因素，以及激光熔覆技术在发动机气门上的应用及相关研究，论述了激光熔覆技术在发动机气门上的应用优势，并对该技术在气门上的应用提出了几点展望。

1 激光熔覆的特点

当前，在零件表面进行耐蚀、耐磨涂层的制备主要是通过电镀铬、热喷涂、盐浴、气相沉积或堆焊等技术来实现。电镀、热喷涂制备的涂层存在孔隙（孔隙率1%~2%），且结合强度低[6]，此外，电镀废水中含有害物质，严重污染环境，因此发展新的技术非常有必要。

相较于其他对金属材料进行表面改性的技术，激光熔覆技术有以下3个独特优势[5,7]：1）激光能量密度高、基体材料受热更少、工件因受热产生的形变量小、涂层晶粒细小、组织细密，达到不改变工件质量就能强化和修复其表面的目的；2）激光加热速度快、冷却速度快（102 K/s~106 K/s）、熔池冷却时间更短，对基体的热影响更小，涂层稀释率低，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高；3）熔覆层材料选择面更广，可以根据工件的材料和所要求的性能需求选择满足要求的熔覆材料，熔覆过程易实现自动化，且无污染。因此，激光熔覆技术拥有广阔的应用前景，目前已在矿山机械、模具、铁路等工业生产中有成熟的应用场景。

2 激光熔覆的影响因素

2.1 工艺参数对涂层性能的影响

激光熔覆过程中涉及众多工艺参数，包括激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率、气体流量、搭接率等[7]，这些工艺参数对熔覆层的厚度、裂纹、气孔率、硬度以及熔覆零件的力学性能产生影响。

梁万旭等[8]设计全因子实验，探究激光功率、扫描速度、搭接率、熔覆头到基体的距离等因素相互耦合作用下对多道激光熔覆涂层形貌的影响规律，研究结果表明：扫描速度对熔覆层平均高度的影响最为显著，激光功率对基体平均熔深的影响最为显著，熔覆头到基体的距离对平均稀释率的影响最为显著，扫描速度对表面平均高度差的影响最为显著。

激光熔覆成形机理非常复杂，影响因素众多并且各项因素之间存在交互作用，工艺控制不当将直接影响熔覆质量。舒林森等[9]进行了基于均匀设计的铁基合金粉末激光熔覆工艺参数优化方法研究，采用“光内送粉”在基材上制备了铁基合金熔覆层，结果表明：当激光功率增加，扫描速度减小，单位时间内辐射到熔覆粉末及基材上的激光能量增加，基材的截面融化面积变大，稀释率增加。寇元哲等[10]研究了不同送粉速度对TC4钛合金表面激光熔覆的影响，采用同轴送粉及不同送粉速度进行熔覆实验，结果表明：送粉速度的大小对熔池大小、熔覆层深度、涂层硬度的影响较大。

2.2 激光熔覆复合工艺对涂层性能的影响

激光熔覆过程中金属的快速凝固，导致在极大的温度梯度和冷却速度下熔覆层易产生气孔和微裂纹，严重制约高质量激光熔覆层的制备，为解决激光熔覆层易产生缺陷的问题，研究人员尝试引入外加能量场来改善熔覆层的质量。研究发现，复合工艺可有效减少气孔裂纹、细化晶粒、降低残余应力等，在激光熔覆时与其他辅助技术相结合能有效改善熔覆层的缺陷，常用的激光熔覆辅助工艺有激光重熔、前预热、电磁搅拌、超声振动、机械搅拌、脉冲电流等。

王梁等[11]对激光熔覆过程进行了多物理场仿真，分析了电磁复合场参数对熔池内部流场、温度场和颗粒分布的影响规律，实验结果表明：电磁复合场的施加可抑制熔池流速，但对其温度场的分布无明显影响；当施加与重力同向的定向洛伦兹力时，大部分增强颗粒集中在熔注层上层区域；反之，大部分增强颗粒集中在下层区域。张勋等[12]研究了外加纵向磁场对奥氏体不锈钢激光-稀有气体保护复合焊接接头成形特点、微观组织及显微硬度分布的影响，结果表明：在外加纵向磁场的作用下，熔池发生旋转，接头的热循环被改变，焊接接头的熔宽增大，截面宽而深，接头处的晶粒被细化，结晶均匀性得到提高，成形系数增大。

国内外学者对镍基、钛基、铁基等多种金属材料开展了超声波辅助激光熔覆理论的研究与试验，揭示了不同功率及频率下的超声振动对晶粒形态与尺寸、枝晶生长方向、析出相等微观组织方面的作用效果。超声波的声流效应是环流、层流和紊流的综合现象，可引起熔池上下翻动，减少涂层偏析，起到均化熔覆层成分的作用。王维等[13]在BT20钛合金基体上添加频率为19.56 kHz的超声振动进行激光熔覆实验，结果表明：超声振动使得熔覆层的表面平整性良好，内部组织气孔率下降到0.75%，熔覆层晶粒尺寸减小了约42%，α片层厚度减小了23.9%，沉积生长方向的堆垛效率降低了36.7%。Zhang等[14]采用超声振动辅助激光熔覆工艺制备了陶瓷颗粒增强铁基复合涂层，超声振动在激光熔覆过程中降低了涂层的表面粗糙度，改善了激光熔池内的传热，细化了熔池内的显微组织，陶瓷数量增加、分布均匀，但略微升高了涂层的稀释度。

2.3 激光熔覆材料对涂层性能的影响

目前用于熔覆的材料主要有复合粉末、陶瓷粉末和自熔性合金粉末。

自熔性粉末主要包括铁基、钴基、镍基三个体系，其中铁基涂层抗磨性好、成本低，但涂层易产生裂纹缺陷，自熔性、抗氧化性差；钴基涂层耐磨耐蚀性好，但是价格昂贵；镍基涂层抗高温氧化性和耐磨耐蚀性好，价格适宜，综合优势明显，应用前景广阔。

复合粉末是指金属材料与陶瓷材料混合或复合而成的合金粉末，它将金属和陶瓷的性能结合起来，通过添加增强硬质颗粒制成金属陶瓷复合粉末、金属基体间化合物、稀土元素或稀土氧化物，可以得到高硬度、优良耐磨耐蚀性的复合涂层。陶瓷材料不仅具有硬度高、耐磨性好等特性，而且具有耐腐蚀性好、抗高温氧化等不锈钢的优良特征[15]，所以是制备耐磨、抗高温涂层的理想材料，利用激光熔覆技术制备的陶瓷相增强金属基复合涂层既具有金属材料的高延展性、高强度，又保留了陶瓷材料的高熔点、高耐磨性等优异性能[16]。

陶瓷粉末与基体金属的弹性模量、热膨胀系数和导热系数等差别较大，在激光熔覆成形过程中容易产生缺陷，如裂纹、气孔等。

3 在发动机排气门及座圈表面进行激光熔覆

发动机气门通常在高温、高压、高冲刷和高磨蚀的条件下工作，进气门的工作温度为300 ℃~500 ℃，排气门的温度可达600 ℃~800 ℃甚至更高。

潘邻等[17]在进行了等离子喷焊Stellite 6的报废内燃机车气门密封面上进行激光熔覆，熔覆材料为其自主研发的钴基合金，熔覆层厚度为每层约0.8 mm。结果表明：等离子喷焊层及激光熔覆层晶体形态都呈现柱状，其中熔覆层的组织较于喷焊层更细，晶体生长的方向性更好，断口裂纹沿晶界扩展，呈现晶间断裂特征，晶粒更细小，但激光熔覆层与等离子喷焊层的交界面不明显，说明激光熔覆的焊合性较好，二者的结合界面不会成为实际使用过程中的薄弱点，证明采用激光熔覆技术对等离子喷焊气门进行修复是可行的。

戴华等[18]利用激光熔覆Co基合金改性失效的排气门密封面，设计了送粉速率差较大的两组实验。实验结果表明：在熔覆过程中，送粉量的大小会影响熔覆层晶粒的成长，在送粉量过大且激光辐照能量输入足够多的情况下，熔池存在的时间变长，使熔覆层晶粒长大，熔覆层组织比喷焊层细粒度更低，组织结构更致密，因此激光熔覆可以作为延长发动机气门密封面使用寿命的有效方法。

刘蓉等[19]对比了激光熔覆与等离子喷焊在气门密封面上的应用，对同炉生产的气门分别进行激光熔覆和等离子喷焊，再对二者进行了耐腐蚀及耐磨损实验。结果表明：激光熔覆涂层比等离子喷焊层组织更致密，熔覆层耐蚀性更好、耐磨性更强，合金稀释率更低，成分更均匀；在实际生产中激光熔覆所需的时间比等离子喷焊更短，所消耗的熔覆材料更少；在台架实验中，激光熔覆的气门使用寿命更长，发动机废气排放量更小。Kawasaki等[20]开发了一种在铝合金气缸盖上熔覆铜基合金的激光熔覆工艺，该工艺具有稀释小、熔覆颗粒稳定的特点，结果表明：激光熔覆缸盖与传统缸盖相比，具有改善发动机性能、降低气门及座圈温度等优点。

综上所述，采用激光熔覆技术在报废的气门密封面上熔覆适宜的材料能有效地修复气门，延长气门使用寿命，提高材料的利用率，节约能源和珍稀金属，具有极大的社会效益和经济效益，在发动机气门的喷焊层上进行激光熔覆，可提高气门的耐腐蚀性和耐磨性，延长使用寿命。在气门座上进行激光熔覆，能改善发动机性能，降低气门及座圈的温度，对发动机耐久性有明显的提升。相比于等离子喷焊等加工方式，激光熔覆涂层具有更优越的耐磨性和耐腐蚀性，激光熔覆技术具有更高的加工效率和材料利用率，是一种较优的替代加工方式。

4 结语

激光熔覆技术在发动机气门上的应用已经有多年的探索，大量的工作表明激光熔覆涂层与基体的结合强度高，且涂层具有较高的硬度，能有效地提高发动机气门的耐磨耐蚀性。激光熔覆能用于修补表面损坏的气门，相较于等离子喷焊、堆焊等表面改性技术拥有更高的生产效率，并且生产的产品具有更高的性能，在实际发动机台架实验中也验证了使用激光熔覆加工的气门拥有更长的使用寿命，证明激光熔覆技术应用于发动机气门生产具有广阔的前景，具有较大的经济价值和社会价值[21]。激光熔覆技术是一种仍在发展中的技术，课题组对其在发动机气门及气门座中的应用有以下展望：

1）激光熔覆的设备在近年发展较为迅速，在激光功率、熔覆速度、对基体的热影响等方面的控制取得较大进步，尤其是熔覆速度的进步使得大规模的生产成为可能，因此结合新设备开展相关的研究极具意义。

2）在进行熔覆材料设计时增设过渡层，以增加涂层与基体材料的湿润度，减少熔覆层可能出现的裂纹。结合仿真软件进行熔覆材料的探索，以减少工作量并增加经济效益，收集实验数据，寻找工艺参数与试验结果之间的联系，便于找到更合适的熔覆材料并在实际生产中应用。

3）积极探索将激光熔覆技术与其他改性方式相结合，发挥不同技术的优势，推动我国发动机气门产业的发展。