高端铝合金表面激光熔覆耐磨耐蚀涂层关键技术研究进展

张恒源，程旺军，刘鹏飞，殷远东，孙耀宁

1.新疆大学机械工程学院机械工程系 新疆乌鲁木齐 830017

2.新疆众和股份有限公司 新疆乌鲁木齐 830013

1 序言

铝合金因其质地轻、塑性好、导热性好等优点，在生物医学、航海工业和导弹壳体等众多领域广泛应用[1，2]。但是，铝合金硬度低、易氧化、耐磨性能差等缺点限制了其应用领域，每年因铝合金腐蚀造成经济损失高达上千亿元，因此关于铝合金表面改性研究得到许多学者的青睐[3]。近几十年来，利用激光束能量高和速度快的特点将基材与改性材料进行较好地冶金结合，基体熔化和快速凝固后通常发生细晶强化和产生大角度晶界来提高基体硬度和耐磨性能[4-6]。

激光熔覆是一种对基体表面增强或修复的过程，使用激光器在基体表面沉积不同的材料层[7]。熔覆层的存在可以实现对材料表面性能提高，其对材料表面修复也能起到很大作用，且可得到混合粉末涂层和梯度大厚度涂层，因此激光熔覆技术被广泛应用在增材成形、异种材料连接、裂纹修复再制造等领域[8，9]。然而，一些高强铝合金由于自身增材制造性能较差，因此会导致材料加工过程中产生热裂纹、气泡、晶粒粗大等现象[10，11]。铝合金对激光束吸收率低、导热系数高、热膨胀系数高、起球及孔隙等缺点限制了其应用领域[12]。铝合金粉末在高凝固速率下会发生相偏析、各向异性晶粒生长和热撕裂等现象[13]。

目前，关于铝合金表面激光熔覆制备耐蚀耐磨涂层研究相对较少，涂层表面组织演变和分布规律极为复杂，熔覆过程基体熔点低、反光率大、润湿性差、稀释率大、涂层易出现的气孔和裂纹等缺陷尚未完全解决，对铝合金激光熔覆带来了很大的挑战。基于此，为全面研究铝合金表面耐磨耐蚀涂层和分析激光熔覆关键技术，本文综合分析了铝合金激光熔覆涂层研究现状、熔覆过程中存在的问题、铝合金激光熔覆关键技术、激光熔覆组织及激光熔覆涂层性能等，为铝合金复杂构件表面激光熔覆制备高性能涂层提供理论参考。

2 铝合金激光熔覆涂层研究现状

目前，国内外许多著名学者采用激光熔覆技术来对铝合金表面进行改性研究，以此来提高基体耐磨耐腐蚀性能。激光熔覆铝合金涂层大致可分为抗氧化熔覆层[14]、耐腐蚀涂层[15]、激光耐磨熔覆层[16]、激光生物熔覆层[17]，以及激光熔覆金属陶瓷层[18]等。随着有关铝合金激光熔覆涂层研究，Cu、Ni、Fe、Co、Al等金属粉末，以及镍基合金、铜基合金和陶瓷粉均可作为铝合金表面熔覆材料对铝合金表面进行改性，以提高基体硬度、耐磨、耐腐蚀及抗氧化等性能。李琦等[19]利用激光熔覆技术制备NiCrAl/TiC 复合涂层，进行电化学腐蚀试验，分析其腐蚀后SEM图像，如图1所示。由图1可知，A390基体表面受腐蚀严重，呈现蜂窝状结构且表面有龟裂纹，熔覆层仅存在不明显的点蚀现象。由此可得出，铝合金表面熔覆涂层存在能增加基体耐腐蚀性能。张鹏飞等[20]在7075铝合金基体表面制备Ti/TiBCN复合涂层，采用MFT-R4000往复摩擦磨损试验机对基体和制备好的涂层进行摩擦试验，观察摩擦后金相显微形貌，如图2所示。由图2可知，铝合金基体硬度低，摩擦试验后表面粗糙不平，有较深犁沟，属于典型的犁削式磨损，而涂层表面受影响小，因此激光熔覆涂层表现了较强的抗磨损能力。

图1 NiCrAl/TiC复合涂层基体和熔覆层腐蚀形貌[19]

图2 Ti/TiBCN复合涂层基体与涂层磨损后金相显微形貌[20]

JIANG等[21]利用激光熔覆技术聚焦离子束和微机械臂对AA7075铝合金熔覆层进行原位制备来用于对飞机结构材料表面修复。对其熔覆层进行透射电镜检测（TEM），如图3所示。表征结果显示：晶界处有不同类型粗相，热影响区纳米颗粒密度数量较低，导致强度降低。

图3 AA7075铝合金熔覆层TEM图像[21]

3 铝合金激光熔覆存在的问题

通过激光熔覆对铝合金表面进行改性，极大地提高了铝合金性能。熔覆时吸光率的大小会影响涂层质量，通常黑色吸光率较好，大多数激光熔覆基体也为黑色，但铝合金基体是银白色，吸光率较差，从而影响涂层质量[22]。目前，以铝合金为基体的激光熔覆仍面临诸多问题。

（1）铝合金不易熔化 铝合金电负性较强，表面极易氧化形成金属间氧化物，氧化物硬度和熔点较高，不易熔化[23]，且Al与其他元素的负混合焓导致脆性氧化物生成，在热应力作用下促进裂纹的萌生，造成涂层质量降低。

（2）铝合金表面易反光，激光透射率低 根据菲涅耳方程，入射到铝合金材料表面的激光反射率表示为

式中——径向偏振分量上的反射激光能量（J）；

E11——径向偏振分量上的入射激光能量（J）；

φ1——入射角（°）；

δ——介质的电导率（S/m）；

γ——激光的角频率（rad/s）。

式中B——铝合金的表面透射率；

A——铝合金的吸收率[L/（g/cm）]。

在激光熔覆过程中，铝合金材料表面只能吸收小部分能量，对激光利用率低，严重影响熔覆效果，铝合金对波长为10.6μm的CO2激光反射率高达96.9%。铝合金激光熔覆层的质量与熔覆材料本身有关，且激光熔覆时参数设置如激光功率、离焦率、扫描速度等均会影响涂层性能。

（3）铝合金熔覆时易形成气孔 由于铝合金导热快、热膨胀系数高，因此在激光束作用下受热快速熔化时变形大，在快速冷却过程中因气体来不及逸出而形成气孔。熔覆材料的膨胀系数和润湿性能与铝合金相差较大时，容易在涂层界面产生裂纹，影响涂层质量。

4 铝合金激光熔覆关键技术

目前，常用激光熔覆方式为先预置熔覆材料涂层后进行激光熔覆和熔覆粉末材料与激光同步熔覆，如图4所示。同步送粉法容易实现自动化控制，适用于工业化生产，同时具有熔覆质量良好、能量吸收率高等优点。

图4 激光熔覆示意[19]

沈育伟[24]利用高功率半导体激光器在5052铝合金基体表面激光熔覆得到Al-Si合金涂层，表面硬度高于900HV。WANG等[25]利用选择性激光熔融制备颗粒增强铝基复合材料，将铝基体和增强体结合使用，复杂部件的结构优化应用于模具制造、航空航天工业和汽车工业，如图5所示。

图5 应用于模具制造、航空航天工业和汽车工业的复杂部件[25]

5 铝合金激光熔覆涂层性能

铝合金表面激光熔覆耐蚀耐磨涂层以Ni基、Co基、TiC或金属陶瓷复合材料为主，具有较好的耐蚀性和耐磨性[26，27]。其中陶瓷熔覆层具有相对优异的耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好等性能，能够较大程度地改善基体表面硬度和耐磨性，但其脆性较弱[28]。在大功率激光器的作用下，利用激光熔覆技术可以形成硬度高、耐蚀性与耐磨性强、具有一定韧性的铝合金/陶瓷复合涂层，进一步对材料表面进行改性[29，30]。YUE等[31]利用准分子激光技术对AA7075铝合金表面进行改性。如图6、图7所示，TEM/电化学腐蚀检测结果表明，激光熔化区形成2层致密氧化铝薄膜且消除了较粗的第二相颗粒；经过激光处理样品的极化电阻比未处理高一个数量级，且电容低6倍左右，能有效增强基体耐蚀性。

图6 AA7075铝合金表面改性后高分辨力的透射电镜图像[31]

图7 动电位极化试验后的表面形貌[31]

6 结束语

利用先进激光熔覆技术且选取合适熔覆材料形成铝氧化物、晶粒细化、位错密度改变，对铝合金进行表面改性，可增强其强度、硬度、耐腐蚀及耐磨损等性能，使铝合金在工业生产中得到更广泛、更高效使用。然而铝合金的一些特性，如熔点低、反光率大、润湿性差、熔覆层稀释率大，以及容易出现气孔、裂纹缺陷等问题，不能满足工业需求。针对铝合金激光熔覆中面临的问题，目前需要探索的内容主要包括以下几个方面。

1）激光工艺参数的开发与辅助技术的探索。激光功率、离焦率、扫描速度等工艺参数的设置均影响激光熔覆涂层性能，因此建立铝合金熔覆工艺参数窗口至关重要。

2）熔覆材料的设计。结合其他基体表面熔覆材料的研究，探索出复合铝合金表面熔覆材料体系。通过加入中间层材料过渡，添加吸光剂减少激光的反射率，添加黏结剂增强基体与粉末的冶金结合。

3）目前，铝合金表面激光熔覆涂层的研究缺乏关于组织变化机理和规律变化的研究，随着激光器的发展，越来越多的研究者在铝合金表面激光熔覆做出卓越贡献，利用激光熔覆技术对铝合金表面进行改性处理、提高表面性能、进行表面修复将是发展趋势。